電源驅動(dòng)芯片UCD9222的數字電源設計

摘要：數字脈寬調制信號可以實(shí)現電源的數字控制。數字電源具有軟件配置、自動(dòng)電壓／電流控制以及集群控制等優(yōu)點(diǎn)。UCD系列芯片可以提供全套的數字電源實(shí)現方案，該系列芯片包括數字脈寬波形控制芯片、電源驅動(dòng)轉換芯片以及復住和時(shí)延控制芯片。本文基于以上套片研制出數字電源系統，給出了硬件設計圖和軟件配置方法，最后給出系統運行圖。該系統可以應用于嵌入式高性能電子設備中。
關(guān)鍵詞：數字電源；UCD9222；PWM控制

引言
電源設計和控制是電子設計的必要部分之一，電源穩定是系統中大部分器件正常工作的前提。傳統的電源設計基于電源處理模塊芯片，這些芯片在設計之初就確定了一種固定的工作關(guān)系，包括輸入／輸出、電壓電流、紋波頻率、轉換效率等參數，工作過(guò)程中一直維持這種關(guān)系。傳統電源存在開(kāi)關(guān)頻率低、頻率波動(dòng)大、電磁干擾大、不能實(shí)時(shí)調節等問(wèn)題。隨著(zhù)電子器件的發(fā)展，近幾年推出的高性能芯片需要非常穩定的電源才能正常工作，例如，多核DSP需要穩定的電源才能很好地工作在其峰值時(shí)鐘頻率，DDR3也需要隨時(shí)調節的電源才能實(shí)現高速數據讀寫(xiě)，100G網(wǎng)等高速接口對電源也提出干擾小的要求。隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)的發(fā)展，數字控制技術(shù)逐漸被引入到電源設計中，數字電源相對模擬系統而言，在開(kāi)關(guān)頻率中具有設計周期短、靈活多變、易實(shí)現模塊化管理、能夠消除因離散元件引起的不穩定和電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。數字電源應該具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①PWM的信號輸出由數字控制芯片提供；②控制環(huán)路的反饋計算工作由數字單元完成；③具有人機交互界面，便于信息的交換，而且可以實(shí)現電源輸出的可控和輸入的監測；④留有通信總線(xiàn)接口，可方便實(shí)現群監群控、冗余控制等。
TI公司推出的UCD系列數字電源套片，是一整套數字電源解決方案。這些套片主要含數字PWM波形控制芯片、電源驅動(dòng)轉換芯片，以及復位和時(shí)延控制芯片。本文主要介紹數字PWM控制芯片UCD9222和電源驅動(dòng)芯片UCD7242的使用，包括軟件和硬件設計。

1 總體設計
數字電源系統總體設計如圖1所示。

實(shí)際硬件系統主要由數字PWM波形控制芯片UCD9222、電源驅動(dòng)芯片UCD7242，以及相應的由電感和電容組成的匹配網(wǎng)絡(luò )組成。圖1的設計可以提供兩路電源輸出，兩路電源完全獨立設置，相互之間沒(méi)有影響。電壓設置范圍為0．5～10 V，每路電流最高可以設置到10 A。利用圖形化編程軟件可以直接對硬件系統進(jìn)行設置，并可以通過(guò)PMBus總線(xiàn)將編程后的數據下載到硬件運行，設置好后，下次啟動(dòng)無(wú)需重新設置。

2 硬件設計
數字電源硬件系統主要由UCD9222和UCD7242組成。UCD9222為數字PWM波形控制芯片，可以提供2路多相同步數字PWM控制信號，2路PWM信號控制環(huán)路結構完全一致，內部結構如圖2所示。從圖中可以看出，UCD9222控制PWM信號的核心主要由電壓跟蹤環(huán)、電流跟蹤環(huán)和溫度跟蹤環(huán)組成。這3個(gè)環(huán)路的輸入信號分別為VinMon、LinMon和Templ，這3路信號經(jīng)過(guò)12位分辨率的A／D轉換器(圖中ADC1)在260 ksps頻率下采樣，采樣后數字信號經(jīng)過(guò)比較器，比較器輸出來(lái)控制補償濾波器IIR，高濾波器為3極點(diǎn)和3零點(diǎn)濾波器，具有較多的線(xiàn)性相位。補償濾波器在A(yíng)RM控制下輸出高分辨率的PWM波形，通過(guò)有效改變PWM波形來(lái)實(shí)現對電壓驅動(dòng)芯片UCD7242的控制，來(lái)調整UCD7242的輸出電壓和電流，實(shí)現電源的數字控制。

UCD9222內部集成一個(gè)6位的低速A／D轉換器(圖中ADC2)，實(shí)現對輸出電壓EAP1／EAN1的反饋跟蹤。內部溫度感應器感知芯片溫度變化，提供超范圍溫度的輸出功率關(guān)斷功能，避免錯誤情況下輸出高功率，燒毀器件。
UCD9222整個(gè)芯片的管理由內部ARM核完成。該ARM核程序固定，用戶(hù)不能操作。用戶(hù)唯一可以操作的是配置UCD9222的各種參數，這些參數主要包括輸出電壓、輸出電流，以及各種控制參數。這些參數都可以通過(guò)UCD9222的軟件配置工具Fusion Design來(lái)完成，配置后的軟件通過(guò)PMBus總線(xiàn)接口燒寫(xiě)到UCD9222的內部Flash中。上電由ARM讀取這些參數，根據這些參數來(lái)配置芯片，按照規定輸出電流電壓。
UCD9222具有一個(gè)VID接口，VID接口是SmartReflex技術(shù)的標準接口，通過(guò)該接口實(shí)現對設備靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗的檢測。
UCD9222為PWM波形控制芯片，其本身不提供電源轉換功能。為了實(shí)現數字電源的電壓轉換，UCD9222必須外接電源轉換芯片。TI公司提供專(zhuān)門(mén)為UCD9222配套的多款轉換芯片，UCD7242為其中一款，可以提供兩路輸出電壓。

UCD9222的硬件電路設計如圖3所示。圖中，PMBus的4根總線(xiàn)必須連接出來(lái)，供UCD9222的軟件設置使用。UCD9222和UCD7242的連接非常簡(jiǎn)單，每路只需要3個(gè)引腳，分別為FF-1A、PWM-1A、Isense-1A。其中PWM-1A為PWM電壓控制信號，該波形需要根據輸入電壓、輸出電壓、工作電流來(lái)設置，設置的參數通過(guò)PMBus總線(xiàn)寫(xiě)入到UCD9222中。FF-1A和Isense-1A分別是電壓監控和電流監控引腳，一旦電壓和電流超過(guò)設定值，UCD9222將關(guān)斷輸出，起到保護電路的作用。如果電壓或者電流低于設定值(在負載突然增大情況下)，UCD9222將提高PWM的占空比，以便提供更大的功率，確保負載電壓不降低，保證系統正常工作。如果系統的負載芯片(例如DSP、FPGA、ARM等)具有VID接口，可以將其VID接口直接連接到UCD9222。因為負載芯片一般為處理器，也具有較強的電壓電流檢測能力，所以負載芯片可以自主將控制參數通過(guò)VID寫(xiě)入到UCD9222，來(lái)主動(dòng)控制電壓電流的變化。

UCD7242的硬件電路設計如圖4所示。需要注意的是，由于數字電源一般都提供給對電壓要求非常高的處理芯片，例如DDR3、高速接口，以及多核處理器等。因此，其電壓輸出引腳要旁通多個(gè)不同容值和不同封裝的電容，如圖4中的CVDD和VDD1V0引腳。
根據圖4中硬件設計，需要計算負載電容和負載電感。計算公式如下：

式中，VPPQ為輸出的紋波電壓，電路設計中不大于10mV；I為輸出電流，兩路輸出分別為5A和8 A；fs為開(kāi)關(guān)頻率，設計中為750kHz；Vin為12V輸入電壓，Vout為輸出電壓，兩路均為1V。根據式(1)和(2)，計算得到VCC1V0輸出的負載電容和負載電感分別為83.3μF和0.243μH；CV DD輸出的負載電容和負載電感分別為133．3μF和0．152μH。實(shí)際電路中，也可以通過(guò)修改開(kāi)關(guān)頻率、負載電容和負載電感來(lái)調節輸出紋波電壓VPPQ。但式(1)和(2)是UCD7242正常工作曲線(xiàn)，如果紋波設置低于芯片工作范圍，將不受上式控制。

3 軟件設計
軟件設計的主要工作就是對UCD9222的參數進(jìn)行配置?？梢酝ㄟ^(guò)PMBus總線(xiàn)直接進(jìn)行配置，但這需要用戶(hù)非常熟悉UCD9222的寄存器設置。為了方便用戶(hù)，TI公司提供了免費的圖形化的配置軟件，用戶(hù)下載安裝FusionDigital Power Designer System，并購買(mǎi)USB接口轉PMBus接口數據線(xiàn)，就可以完成對UCD9222的寄存器設置、編程、讀寫(xiě)等所有的工作。軟件設計完成后，會(huì )給出相關(guān)的電壓、電流、相位等曲線(xiàn)圖。圖5為輸出幅頻特性曲線(xiàn)，圖6為輸出相頻特性曲線(xiàn)。圖中設置參數為輸入電壓12 V、輸出電壓1 V、輸出電流8 A。

圖5中曲線(xiàn)1為比較補償器輸出的幅頻曲線(xiàn)，可以看出，補償器直接的輸出在各個(gè)頻率段反映的幅度不一致，變化很大。圖6中，曲線(xiàn)1，在低頻段(低于1 kHz)具有較好的線(xiàn)性相位關(guān)系，在高于1 kHz后，呈現較大的非線(xiàn)性關(guān)系，而且有很明顯的超調現象。電壓在各個(gè)頻段具有較大的幅度變化，將影響電路中其他器件的性能(如影響A／D轉換精度)。電壓在各個(gè)頻率段具有非線(xiàn)性相位，也將影響電路中其他器件性能(如影響FIR濾波器的幅頻特性)。
為了解決這些問(wèn)題，UCD7242使用跟蹤環(huán)路，實(shí)時(shí)跟蹤曲線(xiàn)1的變化關(guān)系，如圖5、圖6中曲線(xiàn)2所示。從圖中可以看出，曲線(xiàn)2很好地跟蹤上信號的相位變化，幅度變化關(guān)系也可以很好跟蹤上，只是存在一個(gè)固定的比例(幅度跟蹤不一致是由跟蹤器和補償器阻抗不一致引起的)。
使用跟蹤后的曲線(xiàn)2對曲線(xiàn)1進(jìn)行校準后，得到最終的輸出電壓曲線(xiàn)，如圖5、圖6中的曲線(xiàn)3所示。曲線(xiàn)3就可以看到比較穩定的幅度和相位變化關(guān)系。該曲線(xiàn)在大部分頻率段具有較好的直流特性，對系統影響較小，而且自身也具有較好的直流關(guān)系，使得反饋控制更加準確和快速。

結語(yǔ)
數字技術(shù)在電源設計方面的引入使得數字電源成為可能，芯片化后的數字電源設計方法非常簡(jiǎn)單，設計出的產(chǎn)品具有體積小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了一種基于TI公司UCD系列數字電源套片的數字電源系統設計方法。該設計可以提供給多核DSP及高速的DDR3應用。在實(shí)際應用中，達到了預期的電源設計目的。