PoL變換器的數字控制

數字電源控制有時(shí)稱(chēng)為傳統模擬控制電源的管理和監控，其定義與數字域中開(kāi)關(guān)電源的反饋回路和PWM產(chǎn)生緊密相關(guān)。這也包括電源的監控和管理。

數字電源控制的好處是靈活性、易于板開(kāi)發(fā)。數字電源控制允許設計人員在最后幾分鐘改變配置而不改變硬件。帶GUI(圖形用戶(hù)接口)的控制器可快速編程。

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

PMBus

數字控制器具有一個(gè)PMBus接口，使數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(xiàn)的通信標準。

盡早地告知失效，使得通信能增強系統靈活性和可靠性，例如，在系統失效前，通信告知增高的功率級溫度，并采用相應的措施。通信也使遠程(通過(guò)Internet)系統正常監控和參量更新成為可能。

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

數字電源控制器在單器件中實(shí)現通信、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，能增強可靠性(由于較少的元件數)降低總系統成本。

片上或外部閃存可記錄系統狀態(tài)。采自誤差存儲器的信息，有助于系統設計人員檢測關(guān)鍵的系統狀態(tài)和實(shí)現變化。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(lèi)的應用，需要多個(gè)電源電壓來(lái)供電DSP、FPGA、微處理器和基他多電源電壓軌器件。通常，電源結構由中間總線(xiàn)變換器(IBC)構成，IBC使48V或24V輸入電壓變?yōu)?.3V~12V范圍的中間總線(xiàn)電壓。此總線(xiàn)電壓經(jīng)PCB上的電源線(xiàn)分布。在PoL(負載點(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存儲器和3.3V I/O電壓。

這樣的多軌電源電壓系統對輸出電壓精度(最新的高性能DSP要求±3%嚴格的輸出電壓調整，包括瞬變)和動(dòng)態(tài)電壓定標(為了降低功耗，新式處理器采用依賴(lài)處理負載的動(dòng)態(tài)電壓定標，這意味著(zhù)電源電壓根據應用所需要的實(shí)際計算功率而變化)提出要求。

時(shí)序

時(shí)序條件需要遵從避免總線(xiàn)爭用。在設計期間，時(shí)序條件可以改變。DSP和其他處理器在電源上電達到穩定條件后有電源電壓復位性能。另外，昂貴的處理器應在過(guò)壓和欠壓條件下得到保護。處理器根據工作情況會(huì )引起快速負載電流變化。電源必須快速反應這些變化，以保持輸出電壓穩定。

某些處理板在電源電壓達到輸出電壓穩定窗口的上限和下限限值時(shí)進(jìn)行測試，來(lái)確定系統可靠性和性能。除電壓和電流監控外，很多系統需要告知系統的其他關(guān)鍵參量，如溫度和負載電流。

圖1示出用數字控制器實(shí)現多軌PoL系統。數字控制的IBC分配其12V輸出到數字PoL單元。PoL單元由數字降壓控制器和智能MOSFET驅動(dòng)器電路組成?？刂破魍ㄟ^(guò)PMBus與主控制器通信來(lái)控制和監視整個(gè)系統。

用在圖1配置中的數字控制器，具有FPP(Fusion Power Peripheral)，FPP是一個(gè)硬件單元，它可接通數字域的反饋回路。它由一個(gè)快速50ns ADC、一個(gè)帶可編程查表的數字PID調整器、一個(gè)高達175ps占空因數分辨率的高分辨率PWM和一個(gè)失效計數快速保護組成。通過(guò)PMBus可編程其調整值，并存儲在控制器的數據閃存中。UCD91XX控制器具有單個(gè)簡(jiǎn)單的PID調整器(具有2個(gè)零點(diǎn))，UCD92XX控制器包含多達4個(gè)更復雜的調整器(每個(gè)調整器有3個(gè)零點(diǎn)和3個(gè)極點(diǎn))。

UCD9125是一款全橋控制器，具有自適應空載時(shí)間?？蛰d時(shí)間映射為輸出負載的函數來(lái)降低功耗?？刂破魍ㄟ^(guò)UCD7201數字控制兼容的雙±4A MOS FET驅動(dòng)器連接到功率級。

雙相PoL變換器(見(jiàn)圖1)是基于UCD9112基礎上。這種數字雙相同步降壓控制器支持高達2MHz開(kāi)關(guān)頻率(每相)，用GUI配置它。除數字接通控制回路外，它監控和管理電源工作條件，并通過(guò)PMBus報告狀態(tài)到主系統。它也包含可配置風(fēng)扇控制器和電流平衡電路。

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

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

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

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

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

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驅動(dòng)器(具有電流感測能力和集成的短路電路保護)。

Digital Power Developer是一個(gè)GUI，在電源設計階段(從功率級設計和調整開(kāi)始)能指導用戶(hù)。為了加快開(kāi)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)選擇是分離地設計功率級，采用模塊擬方案和工具，然后，功率級參量進(jìn)入GUI來(lái)配置控制回路。

設計人員可輸入功率級所用輸出電容器、增益和調整零點(diǎn)位置。參量改變的結果會(huì )立即顯示在預示圖中。

Fusion Digital Power電源支持用輸出電感器的DC電阻(DCR)感測輸出電流。這可節省另外的串聯(lián)分路，并使整個(gè)系統的效率較高而成本較低?？蓮?lsquo;Current Sense’表中計算合適DCR電流感測的電阻和電容值。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，要設置過(guò)壓、欠壓和其它參量的不同閾值以及對事件的響應。也要設置開(kāi)/關(guān)延遲和上升/下降時(shí)間。