數字電源技術(shù)及應用

數字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數字控制和數字電源管理與通信任務(wù)。系統可以使用一種或兩種形式的數字電源。數字電源的關(guān)鍵數字器件有數字電源驅動(dòng)器、數字電源PWM控制器和數字信號處理器等。

(一)數字電源驅動(dòng)器

目前，數字控制電源驅動(dòng)器芯片中比較典型的應用有美國德州儀器公司(TI)公司的UCD7100/7201芯片。二者的區別是：UCD7100為單端輸出，UCD7201為雙端輸出，額定輸出電流均為±4A，可驅動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)功率管，均可適配UCD9110/9501型數字控制器。主控制器可監控其輸出電流，快速檢測過(guò)流故障并迅速關(guān)斷電源，檢測周期僅為25ns.

現以UCD7100為例，該芯片主要包括3.3V電壓調整器及基準電壓源、觸發(fā)器、施密特比較器、欠壓關(guān)斷電路、控制門(mén)、True Drive驅動(dòng)器等部分組成。“True Drive”(真驅動(dòng))為T(mén)I公司的專(zhuān)有技術(shù)，它是由并聯(lián)雙極性晶體管和MOSFET管組成上拉/下拉電路構成的混合輸出級。其優(yōu)點(diǎn)是驅動(dòng)能力強，在低電壓時(shí)也能正常輸出，并能在極低輸出阻抗下控制外部功率MOSFET的過(guò)壓、欠壓保護，功率MOSFET不需要接起保護作用的肖特基鉗位二極管。 UCD7100能在幾百FIS的時(shí)間內給MOSFET的柵極提供一個(gè)高峰值電流，快速開(kāi)啟驅動(dòng)器。UCD7100的高阻抗數字輸入端(IN)能接收 3.3V邏輯電平、最高開(kāi)關(guān)頻率達2MHz的信號。利用施密特比較器能將內部電路與外部噪音隔離。若控制器的PWM輸出停在高電平上并發(fā)生過(guò)電流故障，電流檢測電路就關(guān)斷驅動(dòng)器的輸出，系統可進(jìn)入重試模式。通過(guò)DSP或MCU內部的看門(mén)狗電路，能重新啟動(dòng)片。UCD7100內部的3.3V/10mA電壓調整器可作為數字控制器的電源。

(二)數字電源控制器

美國德州儀器公司(TI)公司的UCD8220/8620是受DSP或MCU數字控制的雙端推挽式PWM控制器。二者區別是UCD8220可利用48V低壓?jiǎn)?dòng)，UCD8620內部增加了110V高壓?jiǎn)?dòng)電路。UCD8220的內部框圖如圖2所示。

該芯片主要包括3.3V電壓調整器及基準電壓源、脈寬調制器(PWM)、驅動(dòng)邏輯、推挽式驅動(dòng)器、欠壓關(guān)斷電路、限流電路、電流檢測電路。 UCD8220/8620可運行在峰值電流模式或電壓模式，不僅能對極限電流進(jìn)行編程，還輸出一個(gè)能受主控制器監控的極限電流數字標志。UCD8220 /8620的時(shí)序T作波形如圖3所示。

(三)數字信號處理器

目前，專(zhuān)為數字電源系統配套的數字信號處理器有美國德州儀器公司(TI)公司的UCD9501、TMS320F2808和TMS320F2806等。它們內部主要包含100MHz的32位CPU、時(shí)鐘振蕩器、3個(gè)32位定時(shí)器、看門(mén)狗電路、內部/外部中斷控制器、SCI總線(xiàn)、SPI總線(xiàn)、CAN總線(xiàn)及 I2C總線(xiàn)接口、12路PWM信號輸出、系統控制器、16通道12位ADC、16K×16Flash、6K×16SARAM、1K×16ROM.它采用標準的3.3V輸入/輸出接口，與UCD8K系列完全兼容，利用Power PADTM HTSSOP和QFN軟件包可進(jìn)行編程。

四、數字電源發(fā)展面臨的問(wèn)題

數字電源已經(jīng)表現出相當多的優(yōu)點(diǎn)，但仍有一些缺點(diǎn)需要克服。例如，模擬控制對信號狀態(tài)的反應是瞬時(shí)的，而數字電源需要一個(gè)采樣、量化和處理的過(guò)程來(lái)對負載的變化做出反饋，因此它對負載變化的響應速度目前還比不上模擬電源。數字電源的占板面積要大于模擬電源，精度和效率也比模擬電源稍差。雖然數字控制方法的優(yōu)點(diǎn)在負載點(diǎn)(POL)系統中非常明顯，但模擬電源在分辨率、帶寬、與功率組件的電壓兼容性、功耗、開(kāi)關(guān)頻率和成本(在簡(jiǎn)單應用中)等方面仍然占有優(yōu)勢。不過(guò)，如果考慮到數字電源解決方案具有的優(yōu)點(diǎn)，使用模擬電路搭建功能相似的電路，成本并不一定就比數字電源低。