選擇數字電源集成電路（IC）的秘訣

隨著(zhù)工程師們對數字電源這項技術(shù)及其優(yōu)勢的熟知，各式各樣的數字電源的發(fā)展勢頭日益強勁。電源系統和電源設計人員已經(jīng)意識到，部署數字電源并不是對現有技術(shù)進(jìn)行革命性轉變的全新設計。由于目前市場(chǎng)上數字電源器件種類(lèi)繁多，設計人員可以立即利用其巨大優(yōu)勢，應用到任一設計項目?？梢杂诖双@得極有價(jià)值并且相當豐富的收益。

數字電源尺寸和成本概述

數字電源利用混合信號處理開(kāi)發(fā)的發(fā)展演進(jìn)?；旌闲盘柼幚硗瑫r(shí)滿(mǎn)足了數字電路與模擬電路的需要。數字電路的范圍很廣，其中包括微處理器、狀態(tài)機以及通信外設和簡(jiǎn)單邏輯電路。存儲器也包含在這個(gè)部分中。模擬電路可以包括運算放大器和比較器、模數轉換器 (ADC)、數模轉換器 (DAC) 脈寬調制器 (PWM) 發(fā)生器和基準，以及更多其它器件。對這一處理技術(shù)的充分利用能讓這些器件優(yōu)化模擬與數字電路的分配，同時(shí)又將這些器件集成在一個(gè)芯片上。通過(guò)減少物料清單 (BOM) 成本和器件數量可以降低系統成本，并且由于系統中所包含的互連組件減少，系統會(huì )更加可靠。由于一個(gè)控制器有可能服務(wù)于很多解決方案，制造商需要跟蹤和儲備的最小庫存單位 (SKU) 更少。

舉個(gè)例子，集成一個(gè)多用途微控制器 (MCU) 既能夠執行一定范圍的電源相關(guān)功能，能夠免除了對于其它獨立控制芯片的需要?？梢詾榧尚蚆CU設定許多電源管理特性，諸如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流條件和其它功能。根據數字MCU處理能力的不同，數字電源器件可被設定為包含多種電源轉換特性，諸如簡(jiǎn)單到復雜拓撲支持、自適應環(huán)路補償、針對峰值電流模式控制的斜坡補償、均流以及溫度補償。另外一個(gè)例子就是提供功率因數校正 (PFC)，與此同時(shí)執行電子儀表計量功能。通過(guò)提供多種數字電源器件，設計人員能夠為應用選擇最適合的功能，而無(wú)需擔心其他無(wú)用的功能造成的負擔。

電源拓撲靈活性

數字技術(shù)所固有的靈活性，使得特有集成數字MCU或可配置狀態(tài)機的數字電源器件可成為一個(gè)支持所有主要傳統電源拓撲的平臺，這個(gè)平臺也支持任何有可能出現的全新且更加精密的拓撲。所支持拓撲將包括相移全橋、多相交錯PFC、無(wú)橋PFC、共振LLC、雙向DC/DC、雙向DC/AC和PFC、三相逆變器、最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) DC/DC和其它拓撲。由于這一靈活性和集成外設，通過(guò)使用高分辨率相位、頻率和占空比控制算法，數字電源器件能夠提供精確波形控制。

效率

高級控制算法使得數字電源器件能夠提高電源和系統的功效，從而減少了電源和主機系統的能耗。這對數據中心、海量存儲系統等很多應用的運行成本都有顯著(zhù)的影響。自適應數字控制能夠實(shí)現快速調節，以改變線(xiàn)路和負載情況，從而優(yōu)化電源和系統效率。例如，對于更高效的電力傳輸，可以實(shí)時(shí)改變功率級的控制方法，或者對電源轉換進(jìn)行調節，以減少其在輕負載或無(wú)負載條件下的功耗。

可靠性和安全性

數字電源器件能夠輕松實(shí)現與系統中其它數字和模擬組件的交互，這意味它們能夠通過(guò)執行系統級監視和故障響應來(lái)有效地提高主機系統的可靠性和安全性。實(shí)際上，數字控制器的可編程屬性使得它們能夠支持多種總線(xiàn)(諸如PMBus、I2C、SCI、SPI、CAN和其它類(lèi)型的總線(xiàn))上的多協(xié)議通信，這樣的話(huà)，系統能夠輕松地與電源子系統通信。通過(guò)監視和記錄整個(gè)系統中的數據，數字電源技術(shù)有助于系統診斷，提供早期故障和錯誤報警，系統也就能夠采取適當的應對操作。

寬帶隙 (WBG) 兼容性

與其等到那些能夠滿(mǎn)足WBG器件新功能的全新模擬控制器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，還不如現在就使用某些數字電源解決方案。在提供極高分辨率定時(shí)控制的同時(shí)，兼有數字電源對所有電源拓撲的支持能力，諸如氮化鎵 (GaN) 的全新器件可被用于具有較高開(kāi)關(guān)頻率、較低開(kāi)關(guān)損耗、更大功率密度和零反向恢復的高級拓撲中。

TI的數字電源創(chuàng )新

德州儀器 (TI) 的數字電源技術(shù)產(chǎn)品組合是目前業(yè)內最全面的產(chǎn)品庫。雖然其他供應商也許能為此行業(yè)的一個(gè)或數個(gè)細分市場(chǎng)提供專(zhuān)業(yè)的數字電源解決方案，TI寬泛的數字電源創(chuàng )新組合卻可以滿(mǎn)足任何可能的設計需求。

總的說(shuō)來(lái)，數字電源技術(shù)在許多應用中都適用，從相對簡(jiǎn)單的功能到最復雜的電源管理任務(wù)。數字電源市場(chǎng)通常被細分為4個(gè)不同的器件類(lèi)型，每一類(lèi)器件均有其自身的優(yōu)勢和解決方案。這些器件為： 數字電源控制器;具有數字接口的模擬電源穩壓器;數字電源排序器;數字熱插拔控制器。接下來(lái)將解釋每個(gè)產(chǎn)品類(lèi)別，并談一談TI數字電源產(chǎn)品庫中的一些器件。

數字電源控制器

數字電源控制器調節不同類(lèi)型電源的輸出，從AC/DC到DC/AC電源、隔離式DC/DC、負載點(diǎn) (POL) 穩壓器、功率調節器和濾波器，以及其它器件。由于它們所具有的集成MCU和電源專(zhuān)用外設，數字電源控制器具有同時(shí)執行環(huán)路補償和管理反饋環(huán)路所需的計算能力，以保持正確的輸出穩壓或調節，以及執行其它系統級監視和穩壓任務(wù)的能力。這些器件配備有針對電源管理應用進(jìn)行優(yōu)化的外設。

TI的數字電源控制器有一些行業(yè)內獨一無(wú)二的功能。例如，它們的高頻和高分辨率運行使得它們與GaN技術(shù)兼容，從而提供高開(kāi)關(guān)速度和低功率損耗。此外，TI所有的數字電源控制器特有出色的瞬態(tài)響應和動(dòng)態(tài)性能。這些功能由不同的技術(shù)實(shí)現。在某些情況下，數字電源控制器針對極快速中斷而設計，這就減少了控制環(huán)路采樣與響應計算之間的延遲。在其它情況下，使用集成有專(zhuān)用ADC和計算引擎的外設來(lái)提供針對控制環(huán)路的快速響應。通常情況下，這些快速響應能力使得控制器能夠減少功率級組件間的差異所帶來(lái)的影響。

集成在TI數字電源控制器中的MCU可編程性使得它們完全可配置并且能夠控制復雜拓撲，以及諸如雙向、多相重排序和相位校正、自適應死區時(shí)間控制以及其它運行模式。此外，通過(guò)配置這些控制器能在包括PMBus在內的多種總線(xiàn)上支持系統級監視、儀表計量和通信。這可實(shí)現諸如在線(xiàn)診斷和報告、現場(chǎng)功耗數據采集等精密電源管理過(guò)程，以?xún)?yōu)化設計，并且可以通過(guò)數字接口把新參數寫(xiě)入控制器。正因如此，可采用多種拓撲來(lái)監視控制環(huán)路。實(shí)際上，通過(guò)使用控制器的數字補償，可以完全避免執行具有外部組件的控制環(huán)路?？刂破魉鶊绦械谋O視和數據記錄也可形成早期故障報警的基礎，這也反過(guò)來(lái)使系統能夠采取措施來(lái)減少這些故障的影響。

C2000 TM微控制器

設計靈活性與開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)便性使得TI C2000 MCU成為廣泛應用中眾多電源系統設計的核心部件。借助于高級C語(yǔ)言的完全可編程性以及可輕易更改的配置變量，C2000 MCU已經(jīng)顯現出其強大功能，它們可以組成很多平臺架構的基礎，可以很方便地將這些架構調整為滿(mǎn)足特定的設計需要，其中也包括最高級的電源拓撲。高度可配置的PWM和ADC組合使得C2000 MCU能夠支持最精密的電源控制功能。C語(yǔ)言中提供的模塊化軟件庫加快了系統級應用的直觀(guān)開(kāi)發(fā)。TI的C2000實(shí)時(shí)C28x處理內核具有高達200MHz的處理能力，以支持最精密的電源系統。除了其主要的處理內核，C2000 MCU還特有基于RISC的控制律加速器 (CLA) 實(shí)時(shí)協(xié)處理器，它的速度處理能力也高達200MHz。這兩個(gè)完全不同的處理資源可實(shí)現處理負載的有效劃分，CLA能夠承擔控制環(huán)路處理和其它實(shí)時(shí)任務(wù)，減輕主內核處理這些任務(wù)的負擔，從而主核可以專(zhuān)門(mén)進(jìn)行通信協(xié)議處理或額外的控制環(huán)路控制的內務(wù)處理任務(wù)。這樣整個(gè)電源系統就會(huì )更加有效，響應速度更快。利用多達12對高速、高分辨率PWM(分辨率額定值150ps)等眾多資源，C2000 MCU能夠驅動(dòng)高開(kāi)關(guān)頻率以及大量相位或電源軌，同時(shí)又減小了設計尺寸。集成高速ADC的處理速度高達4MSPS，分辨率高達16位。C2000 MCU還支持最常見(jiàn)的實(shí)時(shí)通信協(xié)議，其中包括I2C、SCI、SPI、CAN和PMBus。

通過(guò)將精密控制架構所需的全部資源集成到一個(gè)輕松可編程、可配置器件內，C2000 MCU在減小尺寸和降低成本的同時(shí)，也降低了系統其余部分的硬件復雜度。與多個(gè)PWM事件同步的高分辨率ADC和DAC可實(shí)現廣泛的控制，包括斜坡補償電路在內的片上功能性支持峰值電流模式和其它精密控制機制。諸如比較器和來(lái)自多個(gè)來(lái)源的觸發(fā)區輸入的數個(gè)集成資源可實(shí)現對功率級的多種保護功能，其中包括過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護。多個(gè)片上時(shí)鐘提供的冗余功能可通過(guò)時(shí)鐘源的備份來(lái)提高電源系統的可靠性。實(shí)際上，C2000 MCU特有一個(gè)3時(shí)鐘保護系統配置，其中的一個(gè)時(shí)鐘在另一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)切換至備用時(shí)鐘。

開(kāi)發(fā)工具

開(kāi)發(fā)人員將C2000 MCU應用到數字電源系統的設計之中，從而能夠充分利用大量的軟件與硬件，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程，那些不甚了解數字電源組件的工程師們也能夠很快上手。。通過(guò)充分利用TI的PowerSUITETM圖形軟件工具(controlSUITETM軟件包的一部分)，設計人員能夠快速升級和完成一個(gè)開(kāi)發(fā)項目。借助經(jīng)完全測試軟件模塊(針對諸如PFC、AC/DC整流、隔離式DC/DC、DC/DC降壓轉換器和DC/AC變換器應用)的TI數字電源庫，設計人員能夠快速采用其中一個(gè)powerSUITE應用專(zhuān)用軟件模塊來(lái)滿(mǎn)足他們系統的特定需要。不用再從頭為全新系統編寫(xiě)代碼。powerSUITE軟件頻率響應分析器 (SFRA) 使設計的頻率響應分析自動(dòng)化，而powerSUITE補償設計工具可實(shí)現不同類(lèi)型比較器的開(kāi)發(fā)，以?xún)?yōu)化閉環(huán)性能。此外，TI的Code Composer StudioTM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE) 支持任何所需的其它軟件開(kāi)發(fā)。

一款應用專(zhuān)用評估模塊 (EVM) 主機和開(kāi)發(fā)板也加速了原型機設計和實(shí)驗過(guò)程。這些創(chuàng )新性EVM的一個(gè)有趣示例就是數字電源BoosterPack，C2000 PiccoloTM F28069 LaunchPad開(kāi)發(fā)套件的插入式子板。圖1中顯示的BoosterPack包括一個(gè)數字降壓轉換器和工具，這些工具引入了數字電源控制概念，并且簡(jiǎn)化了數字電源控制子系統的實(shí)際設計。

圖1.數字功率BoosterPack，一款針對C2000 Piccolo F28069 LaunchPad開(kāi)發(fā)套件的插入式子板

應用

由C2000 MCU控制的電源系統為很多最復雜的電源應用提供靈活性、處理能力和片上資源。這些應用包括針對太陽(yáng)能應用的微型逆變器、串式逆變器和集中式逆變器，用于智能電網(wǎng)的電力線(xiàn)通信調制解調器，針對電動(dòng)和混合動(dòng)力車(chē)輛充電系統的汽車(chē)應用，發(fā)光二極管 (LED) 照明，功率調節器，有源電力濾波器，UPS，數字發(fā)電機以及很多其它器件。

用例分析

服務(wù)器系統提供了大量的示例，表明了C2000 MCU的強大功能是如何提高應用的效率和有效性。通過(guò)集成在服務(wù)器的機架內，基于C2000 MCU的電力系統能夠在控制機架內所有服務(wù)器電力分配的同時(shí)，密切監視和報告這個(gè)機架內每個(gè)刀片式服務(wù)的運行狀態(tài)。通過(guò)使用C2000 MCU，可以改進(jìn)整個(gè)服務(wù)器電源接通時(shí)間和效率。

UCD3138 數字電源控制器

UCD3138數字電源控制器系列主要用于簡(jiǎn)化和提高電源設計，并最大限度地增加設計靈活性。UCD3138控制器包含多個(gè)硬件外設，這些外設可以與集成型ARM處理器協(xié)同工作。傳統的基于MCU的解決方案要求快速、復雜的計算來(lái)穩定控制環(huán)路，但UCD3138處理器從不直接參與控制環(huán)路補償。反之，一旦配置完成，多個(gè)硬件外設自主運行來(lái)控制電源轉換器。這個(gè)方法使得UCD3138處理器能夠專(zhuān)注于處理其它對時(shí)間要求嚴格的內務(wù)和/或通信任務(wù)。當需求增加時(shí)，ARM處理器完全能夠與控制環(huán)路進(jìn)行交互并采取相應的操作。借助于UCD3138控制器，在與MCU保持協(xié)調一致的前提下，通過(guò)使硬件外設自主運行，可簡(jiǎn)化總體設計。

UCD3138控制器的內核是數字控制環(huán)路外設，也被稱(chēng)為數字電源外設 (DPP)。每個(gè)DPP執行一個(gè)高速數字控制環(huán)路，此環(huán)路由一個(gè)專(zhuān)用高速2MHz誤差模數轉換器 (EADC)、一個(gè)基于比例-積分-微分 (PID) 的2極/2零數字比較器和具有250ps脈寬分辨率的數字PWM輸出組成。在這個(gè)經(jīng)簡(jiǎn)化的配置中，每個(gè)環(huán)路均具有一個(gè)專(zhuān)用ADC和可配置數字濾波器來(lái)計算控制值。然后，這一控制值被轉化為高分辨率數字輸出，以支持PWM、脈沖頻率調制 (PFM) 或相移調制系統配置。提供的3組外設在配置完成后自主運行，并同時(shí)控制3個(gè)獨立的反饋環(huán)路?？膳渲脭底譃V波器具有多組系數，可針對不同的功率響應需要進(jìn)行選擇。

這個(gè)器件系列的架構的簡(jiǎn)單性還體現在固件開(kāi)發(fā)方面。DPP的配置簡(jiǎn)單直接，將位值分配給特定預先定義的寄存器即可完成。UCD3138控制器不需要復雜的代碼開(kāi)發(fā)來(lái)連續計算復雜的數學(xué)轉換函數。某些數字電源設計需要工程師進(jìn)行大量繁瑣的練習，為不同的任務(wù)拆分和分配計算資源，以驗證所選擇的MCU足以滿(mǎn)足應用的需要。UCD3138控制器系列用其精簡(jiǎn)的處理器開(kāi)銷(xiāo)需求打消了這些顧慮，從而得到一個(gè)針對電源應用進(jìn)行良好優(yōu)化的器件。

UCD3138器件可通過(guò)諸如PMBus或其它的數字通信接口進(jìn)行設定。這些資源已經(jīng)針對高性能電源設計進(jìn)行了優(yōu)化，并且其中的很多資源是高度可配置的，可以滿(mǎn)足廣泛的需要，這使得UCD3138系列成為很多行業(yè)應用的理想選擇，包括網(wǎng)絡(luò )基礎設施、工業(yè)和汽車(chē)應用等。

由于是一款高度集成的數字電源控制器，UCD3138器件免除了對于電源設計中單個(gè)芯片的需要，從而降低了電源成本并減小了電源尺寸。UCD3138控制器系列特有集成電源管理和電力轉換能力，能夠支持排序、軟啟動(dòng)/停止等功能以及其它管理任務(wù)。PMBus的所有命令以及定制命令被支持用于有效電源管理功能。峰值電流模式控制由集成斜坡補償電路完成。UCD3138控制器系列集成了幾個(gè)模擬功能，以提供實(shí)時(shí)監視和響應。這一功能劃分優(yōu)化了數字控制器件的速度和功率需求。這些特性提供包括過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護等保護功能。一個(gè)集成型溫度折返特性在功率級溫度超過(guò)安全水平時(shí)，可在無(wú)需完全關(guān)閉電源的情況下減少電流。MCU還能提供許多其他服務(wù)，典型例證就是支持運行中的固件升級。這是指在將電源固件升級和指定到一個(gè)更新版本的同時(shí)無(wú)需中斷電源運行 [1]。UCD3138064($5.5012)器件采用一種雙組存儲器架構，在對其中一組存儲器編程的同時(shí)，支持另外一組存儲器的執行。借助由專(zhuān)用外設管理的關(guān)鍵電源控制和保護功能，MCU能夠將其帶寬專(zhuān)門(mén)用于將新的固件導入至冗余段，驗證寫(xiě)入的有效性，然后實(shí)現之前固件版本到較新版本的適時(shí)切換。

開(kāi)發(fā)工具

TI的融合數字電源設計工具 (Fusion Digital Power Designer) 提供一個(gè)具有直觀(guān)圖形化用戶(hù)界面 (GUI) 的高效開(kāi)發(fā)環(huán)境。Fusion GUI能夠配置一個(gè)UCD器件的普通工作特性并監視其性能。它由一個(gè)通用串行總線(xiàn) (USB) 適配器，通過(guò)PMBus連接至電源控制器。此外，提供的經(jīng)測試以及可重新配置的軟件塊大大加快了代碼開(kāi)發(fā)。用于代碼開(kāi)發(fā)的TI Code Composer Studio IDE具有使快速啟動(dòng)更加便捷的現成可用項目模板。針對不同特定類(lèi)型的電源或功能的多種成本有效EVM，將通過(guò)促進(jìn)直接原型機設計和實(shí)驗來(lái)加快電源開(kāi)發(fā)。圖2中顯示的是這些模塊中的一個(gè)示例。

圖2. 基于UCD3138數字控制器的1/8磚型隔離式DC/DC電信電源模塊

應用

UCD3138數字電源控制器系列是一款混合產(chǎn)品，在具有專(zhuān)門(mén)用于電源設計的片上功能性的同時(shí)，還有可編程數字處理、可配置模擬與數字外設所特有的靈活性。電源專(zhuān)用和靈活資源的獨特混合屬性使得UCD3138器件能夠支持多種應用，其中包括服務(wù)器電源、電信整流器、隔離式DC/DC電源模塊、工業(yè)用AC/DC轉換器以及為高性能PFC供電的汽車(chē)電源、AC/DC轉換器、隔離式DC/DC電源系統、電信系統電源、整流AC/DC電源和視頻通信系統。還有針對普通隔離式電源拓撲的參考解決方案，諸如AC/DC升壓PFC、諧振LLC、相移和硬件開(kāi)關(guān)全橋、以及正激有源鉗位。

用例分析

由于其低引腳數量、小型封裝尺寸和成本有效性，UCD3138電源控制器已經(jīng)在諸如無(wú)線(xiàn)基站基帶裝置、遠程射頻器件和微型基站等電信開(kāi)關(guān)和無(wú)線(xiàn)通信設備的電源中被廣泛采用。這些系統中的電源被稱(chēng)為“磚型”，確保了功率密度，這成為UCD3138數字電源控制器的一大優(yōu)勢。