數字電源提供多種配置方式和應用靈活性

ZL2008是最新一代數字DC-DC電源控制器，使用了Intersil Zilker Labs的引腳設置技術(shù)配置功率轉換和電源管理參數。

傳統的模擬電源無(wú)論在拓撲結構、器件、效率、功能上都日臻完善，應用也極為廣泛，并且有大量的工程技術(shù)人才熟悉和正在設計使用模擬電源。但模擬電源最大的缺點(diǎn)是缺乏靈活性，在應用的需求變化時(shí)，需要花很多時(shí)間進(jìn)行重新設計、驗證和測試。

數字電源可通過(guò)數字方式對電源系統的各項參數進(jìn)行設定，實(shí)現一次設計、反復使用，并且易于擴展。Intersil Zilker Labs公司推出的ZL2008是最新一代數字DC-DC電源控制器，使用了Intersil Zilker Labs的引腳設置技術(shù)配置功率轉換和電源管理參數，同時(shí)通過(guò)PMBus接口進(jìn)行遙測和監控，補償、電流分配和輸出電壓等工作參數可以通過(guò)引腳進(jìn)行配置。ZL2008可用搭積木的方式搭建直流電源，使用3.3V單相電源到12V輸入的多相電源。

圖1 ZL2008的功能框圖

設計特點(diǎn): 自適應控制算法

目前的嵌入式電源系統通常是針對最大負載的情況進(jìn)行的效率優(yōu)化，通過(guò)限制系統內部的總體散熱量，達到減少峰值熱應力的目的。然而不幸的是，大多數系統通常工作在遠低于峰值的狀況下，電源系統卻是針對峰值負載的情況進(jìn)行優(yōu)化的，因此通常達不到最佳的轉換效率。雖然這不會(huì )產(chǎn)生熱應力，但是會(huì )消耗更多的電能，進(jìn)而導致更高的總體系統運行成本。

Intersil Zilker Labs數字電源技術(shù)部高級經(jīng)理Chris Young介紹，ZL2008 DC-DC采用自適應的控制算法，使功率轉換器自動(dòng)改變運行狀態(tài)，始終工作在最佳的效率點(diǎn)上，提高效率和整體性能，而只需用很少或不用用戶(hù)的干預。

圖2 ZL2008的典型應用電路

ZL2008的PWM環(huán)路使用一個(gè)模擬和數字混合模塊，能夠對功率轉換的整個(gè)進(jìn)程實(shí)現精確的控制，而且不需要任何軟件。ZL2008集成了各種電源管理功能，可以用簡(jiǎn)單的引腳連接進(jìn)行配置。用戶(hù)配置可以保存在內部的非揮發(fā)性存儲器里(NVM)。另外，全部功能可以通過(guò)SMBus硬件接口，使用標準的PMBus命令進(jìn)行配置和監控。ZL2008的功能參見(jiàn)圖1。

功能組合提高功率轉換效率

ZL2008是電壓模式的同步降壓轉換器，具有可選的恒頻PWM控制，搭配外部MOSFET、電容器和電感器組成完整的功率轉換器。

在最簡(jiǎn)單的配置下，ZL2008需要兩個(gè)N溝道功率MOSFET，一個(gè)用做上控制MOSFET，一個(gè)用做下同步MOSFET(QL)。QH的導通時(shí)間與總開(kāi)關(guān)周期成正比，稱(chēng)為占空比D，用下式表示。

在時(shí)間D內，QH導通，VIN-VOUT施加到電感器上。當QH關(guān)斷，電感里的電流必須持續從地向上流經(jīng)QL，在此期間，電流以一定斜率下降。由于輸出電容器COUT在此開(kāi)關(guān)頻率下的阻抗低，電感電流的AC成分被從輸出電壓中濾除，因此負載看到的幾乎是直流電壓。

一般來(lái)說(shuō)，降壓轉換器會(huì )標定一個(gè)最大占空比，限制在給定輸入電壓下的最大輸出電壓。這個(gè)占空比限值保證了低側MOSFET在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中最短的開(kāi)啟時(shí)間。這樣可以對啟動(dòng)電容器進(jìn)行充電，為高側MOSFET提供足夠的柵極驅動(dòng)電壓。

在這個(gè)電路里，目標輸出電壓是通過(guò)把差分的VSEN引腳直接連到輸出穩壓點(diǎn)上來(lái)實(shí)現調節的。然后把VSEN信號和參考電壓做比較，用戶(hù)把參考電壓設定為所需要的輸出電壓級別。比較后產(chǎn)生的誤差信號轉換成數字值，用低分辨率的模數轉換器轉換。數字信號再送到可調的數字補償濾波器，補償過(guò)的信號用來(lái)產(chǎn)生適當的PWM占空比，驅動(dòng)外部MOSFET，產(chǎn)生所需的輸出。

ZL2008有幾個(gè)功能，可以提高功率轉換效率。非線(xiàn)性響應(NLR)環(huán)路提高了響應時(shí)間，降低了輸出偏差。ZL2008監視功率轉換器的操作條件，持續調整高邊和低邊MOSFET的導通和關(guān)斷時(shí)間，優(yōu)化電源的整體效率。自適應的性能優(yōu)化算法，例如死區時(shí)間控制、二極管仿真，頻率控制可提供更好的效率改善。

典型應用電路如圖2所示。在這個(gè)原理圖可以看出，在功率傳遞鏈上，只需要幾個(gè)元件就能實(shí)現一個(gè)全功能、完全可配置的電源，帶有數字功率轉換、電源管理、故障管理和遙測。

總結

ZL2008包括先進(jìn)的節能算法，能夠持續地調整電源，將損耗降至最低值。嵌入式控制器使用這些算法，實(shí)時(shí)調節各種工作參數(死區時(shí)間，開(kāi)關(guān)頻率，低側FET導通時(shí)間，等等)，以?xún)?yōu)化效率。這樣，ZL2008可以適應生產(chǎn)變化、溫度變化、負載變化、輸入電壓變化、溫度變化和元件老化帶來(lái)的影響，提供最高的性能。該器件還集成了功率轉換控制、電源管理、故障管理和遙測等功能，可節省數十個(gè)元器件，大大降低了材料成本。隨之而來(lái)的另一個(gè)好處是加快了開(kāi)發(fā)進(jìn)度，減少了生產(chǎn)制造的時(shí)間。