單相PoL變換器的數(shù)字控制

數(shù)字電源控制有時(shí)稱為傳統(tǒng)模擬控制電源的管理和監(jiān)控，其定義與數(shù)字域中開關(guān)電源的反饋回路和PWM產(chǎn)生緊密相關(guān)。這也包括電源的監(jiān)控和管理。

　　數(shù)字電源控制的好處是靈活性、易于板開發(fā)。數(shù)字電源控制允許設(shè)計(jì)人員在最后幾分鐘改變配置而不改變硬件。帶GUI(圖形用戶接口)的控制器可快速編程。

　　另外的好處是精度和長期穩(wěn)定性良好。從精度振蕩器和電壓基準(zhǔn)獲得開關(guān)頻率和誤差電壓。由于數(shù)字補(bǔ)償回路具有低容差，隨時(shí)間質(zhì)量變化小的無源元件，所以，數(shù)字反饋回路帶寬可以擴(kuò)展到接近理論限值，從而得到好的瞬態(tài)響應(yīng)，降低對(duì)輸出電容器的要求。

　　PMBus

　　數(shù)字控制器具有一個(gè)PMBus接口，使數(shù)字控制器可以與主控制器共享信息。PMBus是電源變換器采用串行通信總線的通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　盡早地告知失效，使得通信能增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性和可靠性，例如，在系統(tǒng)失效前，通信告知增高的功率級(jí)溫度，并采用相應(yīng)的措施。通信也使遠(yuǎn)程(通過Internet)系統(tǒng)正常監(jiān)控和參量更新成為可能。

　　模擬控制回路應(yīng)在最壞條件下是穩(wěn)定的。其負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)必須滿足最壞條件下的要求。假若負(fù)載減小，使降壓變換器從連續(xù)模式工作變化到非連續(xù)模式工作，其傳遞函數(shù)也會(huì)變化。模擬控制回路必須滿足兩種模式工作的傳遞函數(shù)。盡管這會(huì)犧牲對(duì)每個(gè)模式的最佳補(bǔ)償。數(shù)字控制器可以對(duì)不同的工作模式，在補(bǔ)償參量不同設(shè)置和施加最佳補(bǔ)償之間即刻轉(zhuǎn)換。這改變了任何給定負(fù)載下的瞬態(tài)響應(yīng)，并節(jié)省成本和輸出電容器的板占位空間。

　　數(shù)字電源控制器在單器件中實(shí)現(xiàn)通信、電源管理、風(fēng)扇控制和時(shí)序功能。在一個(gè)器件中集成這些功能，能增強(qiáng)可靠性(由于較少的元件數(shù))降低總系統(tǒng)成本。

　　片上或外部閃存可記錄系統(tǒng)狀態(tài)。采自誤差存儲(chǔ)器的信息，有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員檢測(cè)關(guān)鍵的系統(tǒng)狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)變化。此信息也可確定失效原因。

　　像服務(wù)器、基站和媒體網(wǎng)關(guān)這類的應(yīng)用，需要多個(gè)電源電壓來供電DSP、FPGA、微處理器和基他多電源電壓軌器件。通常，電源結(jié)構(gòu)由中間總線變換器(IBC)構(gòu)成，IBC使48V或24V輸入電壓變?yōu)?.3V~12V范圍的中間總線電壓。此總線電壓經(jīng)PCB上的電源線分布。在PoL(負(fù)載點(diǎn))，如DSP，PoL變換器變換IBC電壓為所需的PoL電壓，如1.2V芯核、1.8V DDR存儲(chǔ)器和3.3V I/O電壓。

　　這樣的多軌電源電壓系統(tǒng)對(duì)輸出電壓精度(最新的高性能DSP要求±3%嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)整，包括瞬變)和動(dòng)態(tài)電壓定標(biāo)(為了降低功耗，新式處理器采用依賴處理負(fù)載的動(dòng)態(tài)電壓定標(biāo)，這意味著電源電壓根據(jù)應(yīng)用所需要的實(shí)際計(jì)算功率而變化)提出要求。

　　時(shí)序

　　時(shí)序條件需要遵從避免總線爭用。在設(shè)計(jì)期間，時(shí)序條件可以改變。DSP和其他處理器在電源上電達(dá)到穩(wěn)定條件后有電源電壓復(fù)位性能。另外，昂貴的處理器應(yīng)在過壓和欠壓條件下得到保護(hù)。處理器根據(jù)工作情況會(huì)引起快速負(fù)載電流變化。電源必須快速反應(yīng)這些變化，以保持輸出電壓穩(wěn)定。

　　某些處理板在電源電壓達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定窗口的上限和下限限值時(shí)進(jìn)行測(cè)試，來確定系統(tǒng)可靠性和性能。除電壓和電流監(jiān)控外，很多系統(tǒng)需要告知系統(tǒng)的其他關(guān)鍵參量，如溫度和負(fù)載電流。

　　圖1示出用數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)多軌PoL系統(tǒng)。數(shù)字控制的IBC分配其12V輸出到數(shù)字PoL單元。PoL單元由數(shù)字降壓控制器和智能MOSFET驅(qū)動(dòng)器電路組成。控制器通過PMBus與主控制器通信來控制和監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)。

　　用在圖1配置中的數(shù)字控制器，具有FPP(Fusion Power Peripheral)，F(xiàn)PP是一個(gè)硬件單元，它可接通數(shù)字域的反饋回路。它由一個(gè)快速50ns ADC、一個(gè)帶可編程查表的數(shù)字PID調(diào)整器、一個(gè)高達(dá)175ps占空因數(shù)分辨率的高分辨率PWM和一個(gè)失效計(jì)數(shù)快速保護(hù)組成。通過PMBus可編程其調(diào)整值，并存儲(chǔ)在控制器的數(shù)據(jù)閃存中。UCD91XX控制器具有單個(gè)簡單的PID調(diào)整器(具有2個(gè)零點(diǎn))，UCD92XX控制器包含多達(dá)4個(gè)更復(fù)雜的調(diào)整器(每個(gè)調(diào)整器有3個(gè)零點(diǎn)和3個(gè)極點(diǎn))。

　　UCD9125是一款全橋控制器，具有自適應(yīng)空載時(shí)間?？蛰d時(shí)間映射為輸出負(fù)載的函數(shù)來降低功耗。控制器通過UCD7201數(shù)字控制兼容的雙±4A MOS FET驅(qū)動(dòng)器連接到功率級(jí)。

　　雙相PoL變換器(見圖1)是基于UCD9112基礎(chǔ)上。這種數(shù)字雙相同步降壓控制器支持高達(dá)2MHz開關(guān)頻率(每相)，用GUI配置它。除數(shù)字接通控制回路外，它監(jiān)控和管理電源工作條件，并通過PMBus報(bào)告狀態(tài)到主系統(tǒng)。它也包含可配置風(fēng)扇控制器和電流平衡電路。

　　通過UCD7230同步降壓驅(qū)動(dòng)器建立與功率級(jí)的連接。驅(qū)動(dòng)器除4A輸出驅(qū)動(dòng)能力外，還集成有電流限制、短路電流保護(hù)和欠壓鎖定保護(hù)。UCD7230也具有一個(gè)3.3V、10mA線性穩(wěn)壓器，能為控制器提供供電電流。

單相PoL變換器用UCD9111數(shù)字同步降壓控制器連接UCD7230數(shù)字兼容同步降壓驅(qū)動(dòng)器。采用UCD9111和UCD7230的分立方案配置示于圖2。

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　　UC49240是一款4輸出、多相電源系統(tǒng)控制器，它支持250ps PWM分辨率，而對(duì)于監(jiān)控、控制和管理而言，它是可配置的。GUI配置允許設(shè)計(jì)人員智能管理電源電壓，電流閾值和響應(yīng)，軟啟動(dòng)，容限，時(shí)序，跟蹤，相管理，回路響應(yīng)和風(fēng)扇控制。

　　對(duì)于電源控制、配置和管理，控制器支持高達(dá)100個(gè)PMBus接口命令。

　　UCD9240控制器的相管理使得電源在負(fù)載范圍內(nèi)可高效率工作。相管理允許開或關(guān)電源相，這樣只需要供電負(fù)載的相成為可能。另外，控制器允許用戶對(duì)于工作條件有最佳的回路響應(yīng)，并在負(fù)載范圍內(nèi)滿足允許的瞬態(tài)響應(yīng)。

　　可配置性

　　UCD9240與PowerTrain插入模塊一起工作，采用UCD9K或C2000控制器家族時(shí)，可提供可配置性。PTD08A010W和PTD08A020W10A和20A模塊集成有電感器、FETs和UCD7230驅(qū)動(dòng)器(具有電流感測(cè)能力和集成的短路電路保護(hù))。

　　Digital Power Developer是一個(gè)GUI，在電源設(shè)計(jì)階段(從功率級(jí)設(shè)計(jì)和調(diào)整開始)能指導(dǎo)用戶。為了加快開發(fā)時(shí)間，最佳功率須布局可采用Power Train插入模塊。第2個(gè)選擇是分離地設(shè)計(jì)功率級(jí)，采用模塊擬方案和工具，然后，功率級(jí)參量進(jìn)入GUI來配置控制回路。

　　設(shè)計(jì)人員可輸入功率級(jí)所用輸出電容器、增益和調(diào)整零點(diǎn)位置。參量改變的結(jié)果會(huì)立即顯示在預(yù)示圖中。

　　Fusion Digital Power電源支持用輸出電感器的DC電阻(DCR)感測(cè)輸出電流。這可節(jié)省另外的串聯(lián)分路，并使整個(gè)系統(tǒng)的效率較高而成本較低。可從‘Current Sense’表中計(jì)算合適DCR電流感測(cè)的電阻和電容值。而分路電阻器支持所需要的高精度電流限制。

　　為了配置電源，要設(shè)置過壓、欠壓和其它參量的不同閾值以及對(duì)事件的響應(yīng)。也要設(shè)置開/關(guān)延遲和上升/下降時(shí)間。