數字電源控制器與芯片應用

　　1、數字電源基本特征

　　數字電源一直是系統架構師與電源設計者的熱門(mén)話(huà)題。由于電源管理業(yè)在不斷發(fā)展，而數字電源正是發(fā)展的重要一環(huán)。那么，什么是真正的數字電源，它又能帶來(lái)什么直接的好處呢?目前公認的數字電源定義是：提供監控與配置功能，使用數字算法擴展至全環(huán)路控制的數字控制電源產(chǎn)品。因此，數字電源必須執行的電源管理功能可以保留在模擬區域，也可以轉移至數字區域。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。數字電源組成包括好幾個(gè)部分，典型的產(chǎn)品由數字電源驅動(dòng)器，數字電源PWM控制器和高分辨率數字控制器三部分組成．該電源管理產(chǎn)品專(zhuān)門(mén)支持從AC線(xiàn)到負載點(diǎn)，包括不間斷電源(UPS)、服務(wù)器、電信、數據中心及VRM應用的隔離與非隔離式解決方案。圖1所示為數字電源是由基本模塊構成的。

　　圖1中某些模塊執行模擬功能，如驅動(dòng)器模塊，而另一些模塊如DSP等則執行數字功能。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。那么，數字電源它又能帶來(lái)什么直接的好處呢?

　　1.1、數字電源組成主要優(yōu)點(diǎn)。

　　數字化閉環(huán)是數字電源迄今最復雜的部分。腦中躍出的第一個(gè)問(wèn)題是：為什么要用數字控制，使用模擬控制環(huán)路的SMPS(開(kāi)關(guān)模式電源系統)不是挺好嗎?模擬控制環(huán)路的優(yōu)點(diǎn)是準確、工程師對自己設計的理解，以及有極多模擬控制IC的支持。然而，模擬控制環(huán)路是面向一個(gè)定義范圍狹窄的特定負載。如果負載變化范圍寬，則很難在負載的整個(gè)變化范圍內調整模擬環(huán)路。

　　如果使用一個(gè)真正的數字控制器，則設計者可以將數值放在寄存器內，對控制器的各個(gè)方面作配置，而無(wú)需改變外部的硬件。設計者只需要工作在PC的GUI(圖形用戶(hù)界面-從圖2(b)所示可見(jiàn))上，就可以更快地優(yōu)化和調試系統，而不必將各種電阻電容在板上焊上焊下?？梢匀サ裟承┰?，或使用較廉價(jià)的無(wú)源元件，從而補償處理器的成本．產(chǎn)生電源精度的本身是模擬功能。然而，當你擁有了這種數字能力時(shí)，就不用制造有絕對精度的部件，而可以制造精度較差的部件，然后用數字控制來(lái)校準這些誤差。這與信號調節發(fā)生的情況類(lèi)似。但數字控制環(huán)路需要一個(gè)速度相對較快而功能強大的處理器，這在錙銹必較的電源子系統中是一個(gè)缺陷。

　　然而數字電源的作用并不只是數字式地閉鎖控制環(huán)路。它還包括管理與通信功能，這在數據通信和電信系統中正變得日益重要。這些系統依賴(lài)于能應付多種電壓線(xiàn)路的電源處理器，這些電壓線(xiàn)路必須以設定的順序完成上電和斷電。

　　概括數字電源的主要優(yōu)點(diǎn)：更大的靈活性，能加快設計產(chǎn)品的上市進(jìn)程；提高供電性能；使系統溝通成為可能，如遠程偵測等；器件數量減少，因而系統成本低廉。之所以采用而數字電源解決方案，是因該解決方案具有如下優(yōu)點(diǎn)，即可編程序，使用簡(jiǎn)便，精確度高，集成化強，通用開(kāi)發(fā)平臺及支持電流及未來(lái)的拓撲結構。

　　1.2、關(guān)于數字電源的軟件支持 數字電源控制需要軟件支持，如UCD95K和UCD91K的數字電源控制器由CodeComposeStudio公司的IDE軟件支持，它是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可提供主要的開(kāi)發(fā)工具以減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和工作量。其PMBus(電源管理總線(xiàn))工具也成為數字電源客戶(hù)支持的一部分。因為新的PMBus通信執協(xié)議已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功用于系統與電源子系統之間的主板和支架(board-and-shelf)通信。另外，參照設計是由圖形用戶(hù)界面(GUI)和源代碼實(shí)例支持，以加數字電源的設計和評估。

　　1.3、值此以UCD9111，UCD9112為例對數字脈寬調制控制器基本架構作介紹

　　當今數字脈寬調制控制器UCD9K提供了全數字的電源管理能力，可關(guān)閉數字域內的多個(gè)反饋回路以及用于集成監控、通信、配置及監測的相關(guān)．以UCD9111，UCD9112為例討論基本架構UCD9111，UCD9112隸屬于UCD9K系列．UCD9111單相UCD9111與雙相UCD9112控制器采用175ps分辨率的數字脈寬調制器(PWM)，并可通過(guò)圖形用戶(hù)界面GUI)進(jìn)行全面配置，從而無(wú)需單獨進(jìn)行軟件編程即可對負載點(diǎn)電源轉換進(jìn)行監控與管理。GUI配置功能使設計人員能夠對電源電壓、電流閾值與響應、軟啟動(dòng)、容限、環(huán)路補償以及眾多的其它功能進(jìn)行智能管理。圖2(a)為UCD9111／12結構示意框圖。

　　*主要特點(diǎn)為：數字同步壓降PWM控制器，PWM分辨率為175ps；數字控制，帶可編程PID補償；VouT可調．從Vin的1％至99％；可編程設定轉換頻率，最高可達2MHz／相位；可編程軟件啟動(dòng)及軟件停止；可支持預先偏置輸出；0.5％內置微調800mV基準；Vin可調，從4.5～15.5V(UCD7230)；遙感差分放大器；通過(guò)PMBus總線(xiàn)實(shí)現電源監控；單偏壓供電(3.3VVdd)；直觀(guān)的圖形用戶(hù)界面；內置熱傳感器；具有PMBus支持。

　　*圖形用戶(hù)界面(GUI)為：UCD9111／2提供了一個(gè)直觀(guān)的圖形用戶(hù)界面，簡(jiǎn)化了設計(見(jiàn)圖2(b)所示)，可顯示轉換器的電流狀態(tài)。該器件還支持PMBus指令。

　　*圖形用戶(hù)界面的主要功能：PID系數編程；POL開(kāi)啟／關(guān)閉ON／OFF；Vout設定值；轉換器轉換頻率設定；輸出電壓軟件啟動(dòng)及軟件停止；故障門(mén)限配置；制造信息

　　2、數字電源中關(guān)于電源控制和電源管理之間的區別．

　　*關(guān)于電源控制和電源管理概念

　　使用"電源控制"術(shù)語(yǔ)來(lái)強調電源供應系統內部的控制功能，尤其是個(gè)體內部能量流的循環(huán)管理。這一定義包含了反饋回路和內部管理維持功能。功率控制功能在與電源供應的開(kāi)關(guān)頻率實(shí)時(shí)監控中起到作用。這種類(lèi)型的控制功能可以由模擬或者數字技術(shù)實(shí)現，電源供應系統無(wú)論采用哪種方式，呈現給最終用戶(hù)的表現是基本一致的。這就是說(shuō)，數字電源的使用不要求最終用戶(hù)做任何改變和新的設計。

　　相應的， "電源管理"是關(guān)于一個(gè)或多個(gè)電源供應系統之外的通訊和控制。包括電源系統配置，單個(gè)電源供應系統的監控，以及故障監測信息傳送等。電源管理功能不是實(shí)時(shí)的，它們在一定的時(shí)間范圍內起作用，要慢于電源供應系統的開(kāi)關(guān)頻率。目前，這些功能都趨于將模擬和數字技術(shù)結合。例如，電阻器通常用于調整輸出電壓，而給每個(gè)電源供應系統的電源排序則需要專(zhuān)線(xiàn)控制。數字電源管理意味著(zhù)這些功能全部使用數字技術(shù)。此外，簡(jiǎn)化互連方式應用在某些類(lèi)型的數據通信母線(xiàn)結構，優(yōu)于在每個(gè)電源供應系統之間使用多種定制的互連手段進(jìn)行排序和糾錯。由此引出電源供電定序器技術(shù)應作討論。

　　*據此對電源供電定序器芯片作分析

　　以UCD9080為例，單個(gè)UCD9080電源供電定序器控可控制多達8組電壓軌(見(jiàn)圖所示的Rail0-7)及3個(gè)獨立數字I／O口的電源次序。該器件無(wú)需外置存儲器，采用單個(gè)3.3V電源支持運作。UCD9080采用20kHz的采樣率及3.5mV分辨率對所有的電壓軌進(jìn)行監控，擁有強大的可配置能力，可實(shí)現對電源軌通電(powerup)及斷電(powerdown)的定序。UCD9080還包括了其他選項，例如錯誤狀態(tài)下(如電源軌失效)的再定序(resequeRce)。電源軌再定序可基于定時(shí)事件(timedevent)或基于與定時(shí)事件相關(guān)聯(lián)的其他電源軌，以實(shí)現調節。并且，每條電源軌都可實(shí)現對毛刺脈沖(gtitch)、低壓及過(guò)壓限侵害的監測。所監測的每條電源軌還可通過(guò)配置窗口設定以實(shí)現對其他電源軌的關(guān)斷。圖3為電源供電定序器UCD9080功能引腳示意圖．

　　其主要特點(diǎn)．

　　單片設計，3.3V供電運行；額外的GPIOs，帶有設備復位控制、發(fā)光二極管控制等；有低壓及超壓監控；可通過(guò)運用Interdependency，實(shí)現快速靈活的關(guān)閉功能；通過(guò)接口提供錯誤記錄和狀態(tài)監控；有閃存中的非揮發(fā)性錯誤記錄存儲功能，可以用于關(guān)鍵供電失敗時(shí)的現場(chǎng)調試；可以配置的排序功能，過(guò)壓／低心壓閾值、關(guān)閉回應；操作簡(jiǎn)單的Windows操作系統圖形用戶(hù)界面。

　　而UCD9080定序配置，應有以下內容。靈活的定序選項包括，基于時(shí)間和其它電源軌實(shí)現穩壓后定序(附加時(shí)間)及其它電源軌達到確定電壓值后定序；通電及斷電定序；可配置電壓軌從屬性(dependency)。

　　3、分析數字電源控制的實(shí)現技術(shù)

　　了解模擬控制回路。圖4(a)為脈寬調制芯片提供了典型的原邊模擬控制回路示意圖。

　　電源的輸出電壓由一個(gè)阻性分壓器件采樣后送入誤差放大器與直流標準電壓進(jìn)行比較。誤差放大器的輸出是一個(gè)模擬信號，其幅度與電源輸出電壓所需要的校正大小成正比。這個(gè)信號反饋到脈寬調制芯片，產(chǎn)生一個(gè)相應脈寬的脈沖信號，用以控制功率半導體器件(一般為MOS管)的"導通時(shí)間"。因為MOS管的輸入門(mén)電容較大，驅動(dòng)電路便能有效地開(kāi)關(guān)它們。一般使用一個(gè)固定的阻容網(wǎng)絡(luò )來(lái)補償控制回路，以確保電源動(dòng)態(tài)響應和穩定度之間的合理平衡。

　　電源的另外兩個(gè)主要部分就是輸入輸出的濾波網(wǎng)絡(luò )。它們通常由電感、電容和電阻組成并提供多種功能。輸入濾波部分保護電源不受輸入電壓跳變的影響，在負載跳變時(shí)提供儲能，同時(shí)和外部濾波電路一起使電源滿(mǎn)足輸入傳導電磁兼容的要求。輸出濾波部分使輸出電壓更平滑以滿(mǎn)足紋波噪聲的指標，同時(shí)也幫助電源儲能以滿(mǎn)足負載的動(dòng)態(tài)電流要求。重要的是，無(wú)論是模擬或數字控制架構，輸入和輸出濾波電路以及功率器件在本質(zhì)上會(huì )保留一致。

　　*數字電源控制系統的實(shí)現。圖4(b)為數字電源控制系統的結構示意圖。

　　輸出電壓的遙測與模擬系統相似。但是數字控制系統中使用模數轉換器替代了模擬控制系統中的誤差放大器，將采樣得到的電壓信號轉換為一個(gè)二進(jìn)制數。除了輸出電壓，知道其它模擬參數也很重要，例如輸出電流和電源的溫度。當然使用多個(gè)分開(kāi)的模數轉換器能夠測量各個(gè)參數，但是一般使用一個(gè)前置多路復用器的模數轉換器將會(huì )更經(jīng)濟。復用器會(huì )在各個(gè)測得的模擬參數之間切換并將其按序(并-串)輸入模數轉換器。

　　由于多路復用器和模數轉換器的采樣速率是固定的，模數轉換器為每一個(gè)參數輸出一系列數字，每一系列數字是由一個(gè)已知的周期分開(kāi)。這些數值提供給一個(gè)微處理器，為系統提供了工作流程。板子上的程序存儲器存儲了微處理器的控制運算法，用于執行一系列基于模數轉換器輸出值的計算。這些計算的結果是一些參數，例如誤差信號，驅動(dòng)極所需的脈寬，針對各種驅動(dòng)輸出優(yōu)化的延遲值，以及環(huán)路補償參數。模擬系統中外部環(huán)路補償元件就不再需要了。生產(chǎn)過(guò)程中，參數的比較參考值，例如輸出電壓、輸出電流、溫度限定值存儲在非易失性存儲器里，或者在系統啟動(dòng)時(shí)可以下載到數據存儲器中。 *模擬控制和數字控制的比較．

　　和模擬控制相比，數字控制在適應輸入和負載條件變化方面更加靈活。通常，模擬的方法是為一個(gè)給定的控制參數配置一個(gè)折衷的設置，然而數字控制系統能夠在轉換器工作環(huán)境作用下改變控制參數。例如，在同步的負載點(diǎn)(POL)降壓型的穩壓器里，死區時(shí)間保證了上端和下端的場(chǎng)效應晶體管永遠不會(huì )同時(shí)工作。模擬控制系統為最?lèi)毫拥墓ぷ鳁l件，采用了固定的定時(shí)網(wǎng)絡(luò )去設置死區時(shí)間。但是對于典型的工作環(huán)境下，這個(gè)死區時(shí)間比需要的時(shí)間長(cháng)，從而降低了轉換器的效率。通過(guò)對比，一個(gè)數字控制環(huán)可以根據工作環(huán)境動(dòng)態(tài)的變化死區時(shí)間，優(yōu)化了POL整流器的效率。

　　4、新型數字電源與芯片特征及應用

　　4.1 UCD7K數字電源驅動(dòng)器.UCD7K驅動(dòng)器不僅作為數宇控制器與電源極(poweFstage)間的接口，還提供電源保護以及用于數字控制器的偏壓。UCD7K為新一代的數字電源設備驅動(dòng)器，已經(jīng)集成了以全時(shí)模式保護功率級的安全電路。另外，這些專(zhuān)用驅動(dòng)器還集成了許多特殊的功能，如線(xiàn)性調節器及運算放大器等，以便為數字控制器供電，并幫助進(jìn)行信號調節。

　　圖5所示為UCD7K驅動(dòng)器與數字電源控制器與功率級相接示意圖，并實(shí)現保護與偏置電源管理示意圖。

　　圖5右蘭色框圖為UCD7K組成框圖，它由3.3V線(xiàn)性調節器與驅動(dòng)器及模擬脈沖限流軍等3部分合成．而圖5左灰色框圖為數字電源控制器組成框圖。UCD7K系列器件中還包了含精度為1％、電壓為3.3V、電流為10mA的線(xiàn)性穩壓器，該穩壓器在作為參考電壓的同時(shí)又為數字控制器供電。

　　UCD7K驅動(dòng)器主要特征為；高電流柵極驅動(dòng)器，可編程旗模擬脈沖限流及板上3.3V10mA線(xiàn)性穩壓器。其優(yōu)點(diǎn)為：能與功率級相接；具有故障保護及靈活的過(guò)載保護；能為數字控制器提供電源。

　　*UCD7K驅動(dòng)器功能分析。

　　集成的超快速電流限制功能

　　UCD7KMOSFET驅動(dòng)器接收到來(lái)自數字控制器的邏輯電平輸入信號，然后將其轉換為土4A的高電流MOSFET柵極驅動(dòng)信號，并連接至功率級。該驅動(dòng)器提供了具有可編程閾值及數字輸出電流限制標記的周期性電流限制功能，主機控制器通過(guò)監測電流標記可以選擇合適的算法，并得出所需的限流配置參數(Profile)。當出現數字系統不能及時(shí)針對故障作出響應的情況時(shí)(極少發(fā)生)，該項快速(25ns)周期性電流限制保護功能就會(huì )關(guān)閉功率級。

　　本地過(guò)電流保護功能的主要優(yōu)點(diǎn)是，當數字控制器中的軟件代碼損壞或終止運行時(shí)，UCD7K器件能對功率級提供保護。如果控制器PWM輸出保持高電流，本地電流檢測電路將在出現過(guò)電流情況時(shí)關(guān)閉驅動(dòng)器輸出。系統很可能進(jìn)入重試模式，因為大多數DSP及微控制器均配備有板上看門(mén)狗和掉電復位等監控外設，可以在運行不正常時(shí)重新啟動(dòng)器件。但是這些外設的反應速度通常較慢，無(wú)法保護功率級不受損壞。UCD7K的電流限制比較器為功率級提供了所需的快速保護功能。

　　通過(guò)在電流限制(1LIM)引腳施加所需的閾值電壓，可在0.25V～1.0V的范圍內隨意設置電流限制閾值?？梢允褂秒娮璺謮浩骰蛘邤底挚刂破骷訑的＾D換器來(lái)施加該電壓。在任何情況下，最大閾值電壓已在內部限定為1.0V，而外部電壓設定超過(guò)1.0V時(shí)無(wú)效，這就為D／A轉換器損壞時(shí)提供了另一種保護功能。

　　UCD7K的TrueDrive輸出架構．

　　TrueDrive輸出架構對于快速開(kāi)關(guān)速度，UCD7K驅動(dòng)器的輸出使用TrueDrive輸出架構，在開(kāi)關(guān)交換的"米勒"平坦區期間，這個(gè)架構向MOSFET的柵極輸入土4A的額定電流。TrueDrive包含由雙極性管和MOSFET管并聯(lián)組成的上拉／下拉電路。

　　4.32數宇控制同步壓降。±4A驅動(dòng)器特征

　　以UCD7230為例。UCD7230隸屬于UCD7K系列數字控制兼容驅動(dòng)器，可用于采用了數字控制技術(shù)的應用或是需求快速局部峰值電流限制保護的應用。UCD7230是同步壓降、4AMOSFET門(mén)驅動(dòng)器。該器件極為適用于提供數字控制器間的橋接，例如UCD9K同步壓降控器，圖6為UCD7230原理框圖。

　　UCD7230器件具有快速的25ns逐周期(cycleby-cycle)電流限制保護，可保護電源極免受不恰當輸入或過(guò)載電流的損害。UCD7230是具有大電流，高側(high-side)及低側(Iowoside)的4A驅動(dòng)器，采用了TI的TrueDrive輸出架構。該架構在開(kāi)關(guān)轉換的米勒上升區間向MOSFET的門(mén)電容輸出額定的電流，從而獲得了更快的轉換速率。其主要特點(diǎn)：為2MHz轉換頻率，雙限流保護，快速的電流感應電路，傳播延遲僅為25ns；具有低失調。高增益差分電流感應放大器；具有3.3V10mA內部穩壓器；具有+4ATrueDrive大電流驅動(dòng)器；22nF負載時(shí)，上升下降時(shí)間為10nS(典型值)；具有數字輸出電流限制標志位；為45v～155V電源電壓范圍。

　　圖7為應用UCD7230數字控制同步壓降與數字脈寬調制控制器UCD9112相接構成數字轉換器示意框圖。它反映了新型數字脈寬調制控制器UCD9112需要具備智能型集成MOSFET驅動(dòng)器的UCD7230支持。