數(shù)字電源控制器與芯片應(yīng)用

1、數(shù)字電源基本特征

數(shù)字電源一直是系統(tǒng)架構(gòu)師與電源設(shè)計者的熱門話題。由于電源管理業(yè)在不斷發(fā)展，而數(shù)字電源正是發(fā)展的重要一環(huán)。那么，什么是真正的數(shù)字電源，它又能帶來什么直接的好處呢?目前公認的數(shù)字電源定義是：提供監(jiān)控與配置功能，使用數(shù)字算法擴展至全環(huán)路控制的數(shù)字控制電源產(chǎn)品。因此，數(shù)字電源必須執(zhí)行的電源管理功能可以保留在模擬區(qū)域，也可以轉(zhuǎn)移至數(shù)字區(qū)域。數(shù)字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數(shù)字控制和數(shù)字電源管理與通信任務(wù)。系統(tǒng)可以使用一種或兩種形式的數(shù)字電源。數(shù)字電源組成包括好幾個部分，典型的產(chǎn)品由數(shù)字電源驅(qū)動器，數(shù)字電源PWM控制器和高分辨率數(shù)字控制器三部分組成．該電源管理產(chǎn)品專門支持從AC線到負載點，包括不間斷電源(UPS)、服務(wù)器、電信、數(shù)據(jù)中心及VRM應(yīng)用的隔離與非隔離式解決方案。圖1所示為數(shù)字電源是由基本模塊構(gòu)成的。

圖1中某些模塊執(zhí)行模擬功能，如驅(qū)動器模塊，而另一些模塊如DSP等則執(zhí)行數(shù)字功能。數(shù)字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數(shù)字控制和數(shù)字電源管理與通信任務(wù)。系統(tǒng)可以使用一種或兩種形式的數(shù)字電源。那么，數(shù)字電源它又能帶來什么直接的好處呢?

1.1、數(shù)字電源組成主要優(yōu)點。

數(shù)字化閉環(huán)是數(shù)字電源迄今最復(fù)雜的部分。腦中躍出的第一個問題是：為什么要用數(shù)字控制，使用模擬控制環(huán)路的SMPS(開關(guān)模式電源系統(tǒng))不是挺好嗎?模擬控制環(huán)路的優(yōu)點是準確、工程師對自己設(shè)計的理解，以及有極多模擬控制IC的支持。然而，模擬控制環(huán)路是面向一個定義范圍狹窄的特定負載。如果負載變化范圍寬，則很難在負載的整個變化范圍內(nèi)調(diào)整模擬環(huán)路。

如果使用一個真正的數(shù)字控制器，則設(shè)計者可以將數(shù)值放在寄存器內(nèi)，對控制器的各個方面作配置，而無需改變外部的硬件。設(shè)計者只需要工作在PC的GUI(圖形用戶界面-從圖2(b)所示可見)上，就可以更快地優(yōu)化和調(diào)試系統(tǒng)，而不必將各種電阻電容在板上焊上焊下?？梢匀サ裟承┰蚴褂幂^廉價的無源元件，從而補償處理器的成本．產(chǎn)生電源精度的本身是模擬功能。然而，當(dāng)你擁有了這種數(shù)字能力時，就不用制造有絕對精度的部件，而可以制造精度較差的部件，然后用數(shù)字控制來校準這些誤差。這與信號調(diào)節(jié)發(fā)生的情況類似。但數(shù)字控制環(huán)路需要一個速度相對較快而功能強大的處理器，這在錙銹必較的電源子系統(tǒng)中是一個缺陷。

然而數(shù)字電源的作用并不只是數(shù)字式地閉鎖控制環(huán)路。它還包括管理與通信功能，這在數(shù)據(jù)通信和電信系統(tǒng)中正變得日益重要。這些系統(tǒng)依賴于能應(yīng)付多種電壓線路的電源處理器，這些電壓線路必須以設(shè)定的順序完成上電和斷電。

概括數(shù)字電源的主要優(yōu)點：更大的靈活性，能加快設(shè)計產(chǎn)品的上市進程；提高供電性能；使系統(tǒng)溝通成為可能，如遠程偵測等；器件數(shù)量減少，因而系統(tǒng)成本低廉。之所以采用而數(shù)字電源解決方案，是因該解決方案具有如下優(yōu)點，即可編程序，使用簡便，精確度高，集成化強，通用開發(fā)平臺及支持電流及未來的拓撲結(jié)構(gòu)。

1.2、關(guān)于數(shù)字電源的軟件支持 數(shù)字電源控制需要軟件支持，如UCD95K和UCD91K的數(shù)字電源控制器由CodeComposeStudio公司的IDE軟件支持，它是一個集成開發(fā)環(huán)境，可提供主要的開發(fā)工具以減少開發(fā)時間和工作量。其PMBus(電源管理總線)工具也成為數(shù)字電源客戶支持的一部分。因為新的PMBus通信執(zhí)協(xié)議已經(jīng)開發(fā)成功用于系統(tǒng)與電源子系統(tǒng)之間的主板和支架(board-and-shelf)通信。另外，參照設(shè)計是由圖形用戶界面(GUI)和源代碼實例支持，以加數(shù)字電源的設(shè)計和評估。

1.3、值此以UCD9111，UCD9112為例對數(shù)字脈寬調(diào)制控制器基本架構(gòu)作介紹

當(dāng)今數(shù)字脈寬調(diào)制控制器UCD9K提供了全數(shù)字的電源管理能力，可關(guān)閉數(shù)字域內(nèi)的多個反饋回路以及用于集成監(jiān)控、通信、配置及監(jiān)測的相關(guān)．以UCD9111，UCD9112為例討論基本架構(gòu)UCD9111，UCD9112隸屬于UCD9K系列．UCD9111單相UCD9111與雙相UCD9112控制器采用175ps分辨率的數(shù)字脈寬調(diào)制器(PWM)，并可通過圖形用戶界面GUI)進行全面配置，從而無需單獨進行軟件編程即可對負載點電源轉(zhuǎn)換進行監(jiān)控與管理。GUI配置功能使設(shè)計人員能夠?qū)﹄娫措妷骸㈦娏鏖撝蹬c響應(yīng)、軟啟動、容限、環(huán)路補償以及眾多的其它功能進行智能管理。圖2(a)為UCD9111／12結(jié)構(gòu)示意框圖。

*主要特點為：數(shù)字同步壓降PWM控制器，PWM分辨率為175ps；數(shù)字控制，帶可編程PID補償；VouT可調(diào)．從Vin的1％至99％；可編程設(shè)定轉(zhuǎn)換頻率，最高可達2MHz／相位；可編程軟件啟動及軟件停止；可支持預(yù)先偏置輸出；0.5％內(nèi)置微調(diào)800mV基準；Vin可調(diào)，從4.5～15.5V(UCD7230)；遙感差分放大器；通過PMBus總線實現(xiàn)電源監(jiān)控；單偏壓供電(3.3VVdd)；直觀的圖形用戶界面；內(nèi)置熱傳感器；具有PMBus支持。

*圖形用戶界面(GUI)為：UCD9111／2提供了一個直觀的圖形用戶界面，簡化了設(shè)計(見圖2(b)所示)，可顯示轉(zhuǎn)換器的電流狀態(tài)。該器件還支持PMBus指令。

*圖形用戶界面的主要功能：PID系數(shù)編程；POL開啟／關(guān)閉ON／OFF；Vout設(shè)定值；轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換頻率設(shè)定；輸出電壓軟件啟動及軟件停止；故障門限配置；制造信息

2、數(shù)字電源中關(guān)于電源控制和電源管理之間的區(qū)別．

*關(guān)于電源控制和電源管理概念

使用"電源控制"術(shù)語來強調(diào)電源供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的控制功能，尤其是個體內(nèi)部能量流的循環(huán)管理。這一定義包含了反饋回路和內(nèi)部管理維持功能。功率控制功能在與電源供應(yīng)的開關(guān)頻率實時監(jiān)控中起到作用。這種類型的控制功能可以由模擬或者數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)，電源供應(yīng)系統(tǒng)無論采用哪種方式，呈現(xiàn)給最終用戶的表現(xiàn)是基本一致的。這就是說，數(shù)字電源的使用不要求最終用戶做任何改變和新的設(shè)計。

相應(yīng)的， "電源管理"是關(guān)于一個或多個電源供應(yīng)系統(tǒng)之外的通訊和控制。包括電源系統(tǒng)配置，單個電源供應(yīng)系統(tǒng)的監(jiān)控，以及故障監(jiān)測信息傳送等。電源管理功能不是實時的，它們在一定的時間范圍內(nèi)起作用，要慢于電源供應(yīng)系統(tǒng)的開關(guān)頻率。目前，這些功能都趨于將模擬和數(shù)字技術(shù)結(jié)合。例如，電阻器通常用于調(diào)整輸出電壓，而給每個電源供應(yīng)系統(tǒng)的電源排序則需要專線控制。數(shù)字電源管理意味著這些功能全部使用數(shù)字技術(shù)。此外，簡化互連方式應(yīng)用在某些類型的數(shù)據(jù)通信母線結(jié)構(gòu)，優(yōu)于在每個電源供應(yīng)系統(tǒng)之間使用多種定制的互連手段進行排序和糾錯。由此引出電源供電定序器技術(shù)應(yīng)作討論。

*據(jù)此對電源供電定序器芯片作分析

以UCD9080為例，單個UCD9080電源供電定序器控可控制多達8組電壓軌(見圖所示的Rail0-7)及3個獨立數(shù)字I／O口的電源次序。該器件無需外置存儲器，采用單個3.3V電源支持運作。UCD9080采用20kHz的采樣率及3.5mV分辨率對所有的電壓軌進行監(jiān)控，擁有強大的可配置能力，可實現(xiàn)對電源軌通電(powerup)及斷電(powerdown)的定序。UCD9080還包括了其他選項，例如錯誤狀態(tài)下(如電源軌失效)的再定序(resequeRce)。電源軌再定序可基于定時事件(timedevent)或基于與定時事件相關(guān)聯(lián)的其他電源軌，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)。并且，每條電源軌都可實現(xiàn)對毛刺脈沖(gtitch)、低壓及過壓限侵害的監(jiān)測。所監(jiān)測的每條電源軌還可通過配置窗口設(shè)定以實現(xiàn)對其他電源軌的關(guān)斷。圖3為電源供電定序器UCD9080功能引腳示意圖．

其主要特點．

單片設(shè)計，3.3V供電運行；額外的GPIOs，帶有設(shè)備復(fù)位控制、發(fā)光二極管控制等；有低壓及超壓監(jiān)控；可通過運用Interdependency，實現(xiàn)快速靈活的關(guān)閉功能；通過接口提供錯誤記錄和狀態(tài)監(jiān)控；有閃存中的非揮發(fā)性錯誤記錄存儲功能，可以用于關(guān)鍵供電失敗時的現(xiàn)場調(diào)試；可以配置的排序功能，過壓／低心壓閾值、關(guān)閉回應(yīng)；操作簡單的Windows操作系統(tǒng)圖形用戶界面。

而UCD9080定序配置，應(yīng)有以下內(nèi)容。靈活的定序選項包括，基于時間和其它電源軌實現(xiàn)穩(wěn)壓后定序(附加時間)及其它電源軌達到確定電壓值后定序；通電及斷電定序；可配置電壓軌從屬性(dependency)。

3、分析數(shù)字電源控制的實現(xiàn)技術(shù)

了解模擬控制回路。圖4(a)為脈寬調(diào)制芯片提供了典型的原邊模擬控制回路示意圖。

電源的輸出電壓由一個阻性分壓器件采樣后送入誤差放大器與直流標準電壓進行比較。誤差放大器的輸出是一個模擬信號，其幅度與電源輸出電壓所需要的校正大小成正比。這個信號反饋到脈寬調(diào)制芯片，產(chǎn)生一個相應(yīng)脈寬的脈沖信號，用以控制功率半導(dǎo)體器件(一般為MOS管)的"導(dǎo)通時間"。因為MOS管的輸入門電容較大，驅(qū)動電路便能有效地開關(guān)它們。一般使用一個固定的阻容網(wǎng)絡(luò)來補償控制回路，以確保電源動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定度之間的合理平衡。

電源的另外兩個主要部分就是輸入輸出的濾波網(wǎng)絡(luò)。它們通常由電感、電容和電阻組成并提供多種功能。輸入濾波部分保護電源不受輸入電壓跳變的影響，在負載跳變時提供儲能，同時和外部濾波電路一起使電源滿足輸入傳導(dǎo)電磁兼容的要求。輸出濾波部分使輸出電壓更平滑以滿足紋波噪聲的指標，同時也幫助電源儲能以滿足負載的動態(tài)電流要求。重要的是，無論是模擬或數(shù)字控制架構(gòu)，輸入和輸出濾波電路以及功率器件在本質(zhì)上會保留一致。

*數(shù)字電源控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。圖4(b)為數(shù)字電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

輸出電壓的遙測與模擬系統(tǒng)相似。但是數(shù)字控制系統(tǒng)中使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器替代了模擬控制系統(tǒng)中的誤差放大器，將采樣得到的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個二進制數(shù)。除了輸出電壓，知道其它模擬參數(shù)也很重要，例如輸出電流和電源的溫度。當(dāng)然使用多個分開的模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠測量各個參數(shù)，但是一般使用一個前置多路復(fù)用器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將會更經(jīng)濟。復(fù)用器會在各個測得的模擬參數(shù)之間切換并將其按序(并-串)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

由于多路復(fù)用器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率是固定的，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為每一個參數(shù)輸出一系列數(shù)字，每一系列數(shù)字是由一個已知的周期分開。這些數(shù)值提供給一個微處理器，為系統(tǒng)提供了工作流程。板子上的程序存儲器存儲了微處理器的控制運算法，用于執(zhí)行一系列基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出值的計算。這些計算的結(jié)果是一些參數(shù)，例如誤差信號，驅(qū)動極所需的脈寬，針對各種驅(qū)動輸出優(yōu)化的延遲值，以及環(huán)路補償參數(shù)。模擬系統(tǒng)中外部環(huán)路補償元件就不再需要了。生產(chǎn)過程中，參數(shù)的比較參考值，例如輸出電壓、輸出電流、溫度限定值存儲在非易失性存儲器里，或者在系統(tǒng)啟動時可以下載到數(shù)據(jù)存儲器中。 *模擬控制和數(shù)字控制的比較．

和模擬控制相比，數(shù)字控制在適應(yīng)輸入和負載條件變化方面更加靈活。通常，模擬的方法是為一個給定的控制參數(shù)配置一個折衷的設(shè)置，然而數(shù)字控制系統(tǒng)能夠在轉(zhuǎn)換器工作環(huán)境作用下改變控制參數(shù)。例如，在同步的負載點(POL)降壓型的穩(wěn)壓器里，死區(qū)時間保證了上端和下端的場效應(yīng)晶體管永遠不會同時工作。模擬控制系統(tǒng)為最惡劣的工作條件，采用了固定的定時網(wǎng)絡(luò)去設(shè)置死區(qū)時間。但是對于典型的工作環(huán)境下，這個死區(qū)時間比需要的時間長，從而降低了轉(zhuǎn)換器的效率。通過對比，一個數(shù)字控制環(huán)可以根據(jù)工作環(huán)境動態(tài)的變化死區(qū)時間，優(yōu)化了POL整流器的效率。

4、新型數(shù)字電源與芯片特征及應(yīng)用

4.1 UCD7K數(shù)字電源驅(qū)動器.UCD7K驅(qū)動器不僅作為數(shù)宇控制器與電源極(poweFstage)間的接口，還提供電源保護以及用于數(shù)字控制器的偏壓。UCD7K為新一代的數(shù)字電源設(shè)備驅(qū)動器，已經(jīng)集成了以全時模式保護功率級的安全電路。另外，這些專用驅(qū)動器還集成了許多特殊的功能，如線性調(diào)節(jié)器及運算放大器等，以便為數(shù)字控制器供電，并幫助進行信號調(diào)節(jié)。

圖5所示為UCD7K驅(qū)動器與數(shù)字電源控制器與功率級相接示意圖，并實現(xiàn)保護與偏置電源管理示意圖。

圖5右蘭色框圖為UCD7K組成框圖，它由3.3V線性調(diào)節(jié)器與驅(qū)動器及模擬脈沖限流軍等3部分合成．而圖5左灰色框圖為數(shù)字電源控制器組成框圖。UCD7K系列器件中還包了含精度為1％、電壓為3.3V、電流為10mA的線性穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器在作為參考電壓的同時又為數(shù)字控制器供電。

UCD7K驅(qū)動器主要特征為；高電流柵極驅(qū)動器，可編程旗模擬脈沖限流及板上3.3V10mA線性穩(wěn)壓器。其優(yōu)點為：能與功率級相接；具有故障保護及靈活的過載保護；能為數(shù)字控制器提供電源。

*UCD7K驅(qū)動器功能分析。

集成的超快速電流限制功能

UCD7KMOSFET驅(qū)動器接收到來自數(shù)字控制器的邏輯電平輸入信號，然后將其轉(zhuǎn)換為土4A的高電流MOSFET柵極驅(qū)動信號，并連接至功率級。該驅(qū)動器提供了具有可編程閾值及數(shù)字輸出電流限制標記的周期性電流限制功能，主機控制器通過監(jiān)測電流標記可以選擇合適的算法，并得出所需的限流配置參數(shù)(Profile)。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)不能及時針對故障作出響應(yīng)的情況時(極少發(fā)生)，該項快速(25ns)周期性電流限制保護功能就會關(guān)閉功率級。

本地過電流保護功能的主要優(yōu)點是，當(dāng)數(shù)字控制器中的軟件代碼損壞或終止運行時，UCD7K器件能對功率級提供保護。如果控制器PWM輸出保持高電流，本地電流檢測電路將在出現(xiàn)過電流情況時關(guān)閉驅(qū)動器輸出。系統(tǒng)很可能進入重試模式，因為大多數(shù)DSP及微控制器均配備有板上看門狗和掉電復(fù)位等監(jiān)控外設(shè)，可以在運行不正常時重新啟動器件。但是這些外設(shè)的反應(yīng)速度通常較慢，無法保護功率級不受損壞。UCD7K的電流限制比較器為功率級提供了所需的快速保護功能。

通過在電流限制(1LIM)引腳施加所需的閾值電壓，可在0.25V～1.0V的范圍內(nèi)隨意設(shè)置電流限制閾值?？梢允褂秒娮璺謮浩骰蛘邤?shù)字控制器加數(shù)模轉(zhuǎn)換器來施加該電壓。在任何情況下，最大閾值電壓已在內(nèi)部限定為1.0V，而外部電壓設(shè)定超過1.0V時無效，這就為D／A轉(zhuǎn)換器損壞時提供了另一種保護功能。

UCD7K的TrueDrive輸出架構(gòu)．

TrueDrive輸出架構(gòu)對于快速開關(guān)速度，UCD7K驅(qū)動器的輸出使用TrueDrive輸出架構(gòu)，在開關(guān)交換的"米勒"平坦區(qū)期間，這個架構(gòu)向MOSFET的柵極輸入土4A的額定電流。TrueDrive包含由雙極性管和MOSFET管并聯(lián)組成的上拉／下拉電路。

4.32數(shù)宇控制同步壓降。±4A驅(qū)動器特征

以UCD7230為例。UCD7230隸屬于UCD7K系列數(shù)字控制兼容驅(qū)動器，可用于采用了數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用或是需求快速局部峰值電流限制保護的應(yīng)用。UCD7230是同步壓降、4AMOSFET門驅(qū)動器。該器件極為適用于提供數(shù)字控制器間的橋接，例如UCD9K同步壓降控器，圖6為UCD7230原理框圖。

UCD7230器件具有快速的25ns逐周期(cycleby-cycle)電流限制保護，可保護電源極免受不恰當(dāng)輸入或過載電流的損害。UCD7230是具有大電流，高側(cè)(high-side)及低側(cè)(Iowoside)的4A驅(qū)動器，采用了TI的TrueDrive輸出架構(gòu)。該架構(gòu)在開關(guān)轉(zhuǎn)換的米勒上升區(qū)間向MOSFET的門電容輸出額定的電流，從而獲得了更快的轉(zhuǎn)換速率。其主要特點：為2MHz轉(zhuǎn)換頻率，雙限流保護，快速的電流感應(yīng)電路，傳播延遲僅為25ns；具有低失調(diào)。高增益差分電流感應(yīng)放大器；具有3.3V10mA內(nèi)部穩(wěn)壓器；具有+4ATrueDrive大電流驅(qū)動器；22nF負載時，上升下降時間為10nS(典型值)；具有數(shù)字輸出電流限制標志位；為45v～155V電源電壓范圍。

圖7為應(yīng)用UCD7230數(shù)字控制同步壓降與數(shù)字脈寬調(diào)制控制器UCD9112相接構(gòu)成數(shù)字轉(zhuǎn)換器示意框圖。它反映了新型數(shù)字脈寬調(diào)制控制器UCD9112需要具備智能型集成MOSFET驅(qū)動器的UCD7230支持。