1、數(shù)字電源的基本特征
數(shù)字電源一直是系統(tǒng)架構(gòu)師與電源設(shè)計者的熱門話題。由于電源管理業(yè)在不斷發(fā)展，而數(shù)字電源正是發(fā)展的重要一環(huán)。那么，什么是真正的數(shù)字電源，它又能帶來什么直接的好處呢?目前公認的數(shù)字電源定義是：提供監(jiān)控與配置功能，使用數(shù)字算法擴展至全環(huán)路控制的數(shù)字控制電源產(chǎn)品。因此，數(shù)字電源必須執(zhí)行的電源管理功能可以保留在模擬區(qū)域，也可以轉(zhuǎn)移至數(shù)字區(qū)域。數(shù)字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數(shù)字控制和數(shù)字電源管理與通信任務(wù)。系統(tǒng)可以使用一種或兩種形式的數(shù)字電源。數(shù)字電源組成包括若干部分，典型的產(chǎn)品由數(shù)字電源驅(qū)動器，數(shù)字電源PWM控制器和高分辨率數(shù)字控制器三部分組成。該電源管理產(chǎn)品專門支持從AC線到負載點，包括不間斷電源(UPS)、服務(wù)器、電信、數(shù)據(jù)中心及VRM應(yīng)用的隔離與非隔離式解決方案。圖l所示是由基本模塊構(gòu)成的數(shù)字電源。
圖l 基本模塊構(gòu)成的數(shù)字電源
圖l中某些模塊執(zhí)行模擬功能，如驅(qū)動器模塊，而另一些模塊如DSP等則執(zhí)行數(shù)字功能。數(shù)字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數(shù)字控制和數(shù)字電源管理與通信任務(wù)。系統(tǒng)可以使用一種或兩種形式的數(shù)字電源。那么，數(shù)字電源又能帶來什么直接的好處呢?
1。1 數(shù)字電源組成的主要優(yōu)點
數(shù)字化閉環(huán)是數(shù)字電源迄今最復(fù)雜的部分。為什么要用數(shù)字控制，使用模擬控制環(huán)路的SMPS(開關(guān)模式電源系統(tǒng))不是挺好嗎?模擬控制環(huán)路的優(yōu)點是準確、工程師對自己設(shè)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變化范圍內(nèi)調(diào)整模擬環(huán)路。
如果使用一個真正的數(shù)字控制器，則設(shè)計者可以將數(shù)值放在寄存器內(nèi)，對控制器的各個方面作配置，而無需改變外部的硬件。設(shè)計者只需要工作在PC的GUI(圖形用戶界面-參見圖2(b))上，就可以更快地優(yōu)化和調(diào)試系統(tǒng)，而不必將各種電阻電容在板上焊上焊下?？梢匀サ裟承┰蚴褂幂^廉價的無源元件，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(dāng)你擁有了這種數(shù)字能力時，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(shù)字控制來校準這些誤差。這與信號調(diào)節(jié)發(fā)生的情況類似。但數(shù)字控制環(huán)路需要一個速度相對較快而功能強大的處理器，這在錙銖必較的電源子系統(tǒng)中是一個缺陷。
然而數(shù)字電源的作用并不只是數(shù)字式地閉鎖控制環(huán)路，它還包括管理與通信功能，這在數(shù)據(jù)通信和電信系統(tǒng)中正變得日益重要。這些系統(tǒng)依賴于能應(yīng)付多種電壓線路的電源處理器，這些電壓線路必須以設(shè)定的順序完成上電和斷電。
數(shù)字電源的主要優(yōu)點是：更大的靈活性，能加快設(shè)計產(chǎn)品的上市進程;提高供電性能;使系統(tǒng)溝通成為可能，如遠程偵測等;器件數(shù)量減少，因而系統(tǒng)成本低廉。之所以采用數(shù)字電源解決方案，是因為該解決方案具有如下明顯的優(yōu)勢，即可編程序，使用簡便，精確度高，集成化強，通用開發(fā)平臺及支持未來的拓撲結(jié)構(gòu)。
1。2 關(guān)于數(shù)字電源的軟件支持
數(shù)字電源控制需要軟件支持，如UCD95K和UCD91K的數(shù)字電源控制器由Code Compose Studio公司的IDE軟件支持，它是一個集成開發(fā)環(huán)境，可提供主要的開發(fā)工具以減少開發(fā)時間和工作量。其PMBus(電源管理總線)工具也成為數(shù)字電源客戶支持的一部分。因為新的PMBus通信協(xié)議已經(jīng)開發(fā)成功用于系統(tǒng)與電源子系統(tǒng)之間的主板和支架(board-and-shelf)通信。另外，參照設(shè)計是由GUI和源代碼實例支持，以及數(shù)字電源的設(shè)計和評估。
1。3 以UCD9111和UCD9112為例的數(shù)字脈寬調(diào)制控制器基本架構(gòu)
當(dāng)今數(shù)字脈寬調(diào)制控制器UCD9K提供了全數(shù)字的電源管理能力，可關(guān)閉數(shù)字域內(nèi)的多個反饋回路以及用于集成監(jiān)控、通信、配置及監(jiān)測的相關(guān)功能。以UCD9111，UCD9112為例討論其基本架構(gòu)。 UCD9111，UCD9112隸屬于UCD9K系列。單相 UCD9111 與雙相 UCD9112 控制器采用 175ps分辨率的數(shù)字脈寬調(diào)制器(PWM) ，并可通過GUI 進行全面配置，從而無需單獨進行軟件編程即可對負載點電源轉(zhuǎn)換進行監(jiān)控與管理。GUI 配置功能使設(shè)計人員能夠?qū)﹄娫措妷?、電流閾值與響應(yīng)、軟啟動、容限、環(huán)路補償以及眾多的其它功能進行智能管理。
圖2 (a) UCD9111/UCD9112結(jié)構(gòu)示意框圖
(b)不能使用示波器測量SMPS與示波器機殼間出現(xiàn)危險浮動電壓的顯示
?、拧≈饕攸c為：數(shù)字同步壓降PWM控制器，分辨率為175ps;數(shù)字控制，帶可編程PID補償;Vout可調(diào).從Vin的1%至99%;可編程設(shè)定轉(zhuǎn)換頻率，最高可達2MHz/相位;可編程軟件啟動及軟件停止;可支持預(yù)先偏置輸出;0。5%內(nèi)置微調(diào)800mV基準;Vin可調(diào)，從4。5V~15。5V(UCD7230);遙感差分放大器;通過PMBus總線實現(xiàn)電源監(jiān)控;單偏壓供電(3。3Vdd);直觀的圖形用戶界面;內(nèi)置熱傳感器;具有PMBus支持。
?、啤D形用戶界面(GUI)為：UCD9111/ UCD9112提供了一個直觀的圖形用戶界面，簡化了設(shè)計(見圖2(b)所示)，可顯示轉(zhuǎn)換器的電流狀態(tài)。該器件還支持PMBus指令。
?、恰D形用戶界面的主要功能：PID系數(shù)編程;POL開啟/關(guān)閉ON/OFF;Vout設(shè)定值;轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換頻率設(shè)定;輸出電壓軟件啟動及軟件停止;故障門限配置;制造信息。
2、數(shù)字電源中電源控制和電源管理的區(qū)別
2.1 關(guān)于電源控制和電源管理概念
使用“電源控制”術(shù)語來強調(diào)電源供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的控制功能，尤其是個體內(nèi)部能量流的循環(huán)管理。這一定義包含了反饋回路和內(nèi)部管理維持功能。功率控制功能在與電源供應(yīng)的開關(guān)頻率實時監(jiān)控中起到作用。這種類型的控制功能可以由模擬或者數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)，電源供應(yīng)系統(tǒng)無論采用哪種方式，呈現(xiàn)給最終用戶的表現(xiàn)是基本一致的。這就是說，數(shù)字電源的使用不要求最終用戶做任何改變和新的設(shè)計。
相應(yīng)的，“電源管理”是關(guān)于一個或多個電源供應(yīng)系統(tǒng)之外的通訊和控制。包括電源系統(tǒng)配置，單個電源供應(yīng)系統(tǒng)的監(jiān)控，以及故障監(jiān)測信息傳送等。電源管理功能不是實時的，它們在一定的時間范圍內(nèi)起作用，要慢于電源供應(yīng)系統(tǒng)的開關(guān)頻率。目前，這些功能都趨于將模擬和數(shù)字技術(shù)結(jié)合。例如，電阻器通常用于調(diào)整輸出電壓，而給每個電源供應(yīng)系統(tǒng)的電源排序則需要專線控制。數(shù)字電源管理意味著這些功能全部使用數(shù)字技術(shù)。此外，簡化互連方式應(yīng)用在某些類型的數(shù)據(jù)通信母線結(jié)構(gòu)，優(yōu)于在每個電源供應(yīng)系統(tǒng)之間使用多種定制的互連手段進行排序和糾錯。由此引出了對電源供電定序器技術(shù)的討論。
2，2 電源供電定序器芯片分析
以UCD9080為例進行分析。單個UCD9080電源供電定序器可控制多達8組電壓軌(見圖3所示的Rail 0-7)及3個獨立數(shù)字I/O口的電源次序。該器件無需外置存儲器，采用單個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行監(jiān)控，擁有強大的可配置能力，可實現(xiàn)對電源軌通電及斷電的定序。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。電源軌再定序可基于定時事件或基于與定時事件相關(guān)聯(lián)的其他電源軌，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)。并且，每條電源軌都可實現(xiàn)對毛刺脈沖(gtitch)、低壓及過壓限侵害的監(jiān)測。所監(jiān)測的每條電源軌還可通過配置窗口設(shè)定以實現(xiàn)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。
圖3 電源供電定序器UCD9080功能引腳示意圖
電源供電定序器UCD9080的主要特點：單片設(shè)計，3.3V供電運行;額外的GPI 帶有設(shè)備復(fù)位控制、發(fā)光二極管控制等;有低壓及超壓監(jiān)控;可通過運用Interdependency實現(xiàn)快速靈活的關(guān)閉功能;通過接口提供錯誤記錄和狀態(tài)監(jiān)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)鍵供電失敗時的現(xiàn)場調(diào)試;可以配置的排序功能，過壓/低壓閾值、關(guān)閉回應(yīng);操作簡單的Windows操作系統(tǒng)圖形用戶界面。
UCD9080的定序配置，應(yīng)有以下內(nèi)容：靈活的定序選項，包括基于時間和其它電源軌實現(xiàn)穩(wěn)壓后定序(附加時間)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、數(shù)字電源控制的實現(xiàn)技術(shù)
3.1模擬控制回路
圖4 (a) 原邊模擬控制回路示意圖，(b)為數(shù)字電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
電源的輸出電壓由一個電阻分壓器采樣后送入誤差放大器與直流標(biāo)準電壓進行比較。誤差放大器的輸出是一個模擬信號，其幅度與電源輸出電壓所需要的校正大小成正比。這個信號反饋到脈寬調(diào)制芯片，產(chǎn)生一個相應(yīng)脈寬的脈沖信號，用以控制功率半導(dǎo)體器件(一般為MOS管)的“導(dǎo)通時間”。因為MOS管的輸入門電容較大，驅(qū)動電路便能有效地開關(guān)它們。一般使用一個固定的阻容網(wǎng)絡(luò)來補償控制回路，以確保電源動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定度之間的合理平衡。
電源的另外兩個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，在負載跳變時提供儲能，同時和外部濾波電路一起使電源滿足輸入傳導(dǎo)電磁兼容的要求。輸出濾波部分使輸出電壓更平滑以滿足紋波噪聲的指標(biāo)，同時也幫助電源儲能以滿足負載的動態(tài)電流要求。重要的是，無論是模擬或數(shù)字控制架構(gòu)，輸入和輸出濾波電路以及功率器件在本質(zhì)上會保留一致。
數(shù)字電源控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
圖4(b)為數(shù)字電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。輸出電壓的遙測與模擬系統(tǒng)相似。但是數(shù)字控制系統(tǒng)中使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器替代了模擬控制系統(tǒng)中的誤差放大器，將采樣得到的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個二進制數(shù)。除了輸出電壓，了解其它模擬參數(shù)也很重要，例如輸出電流和電源的溫度。當(dāng)然使用多個分開的模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠測量各個參數(shù)，但是一般使用一個前置多路復(fù)用器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將會更經(jīng)濟。復(fù)用器會在各個測得的模擬參數(shù)之間切換并將其按序(并-串)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
由于多路復(fù)用器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率是固定的，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為每一個參數(shù)輸出一系列數(shù)字，每一系列數(shù)字是由一個已知的周期分開。這些數(shù)值提供給一個微處理器，為系統(tǒng)提供了工作流程。電路板上的程序存儲器存儲了微處理器的控制運算法，用于執(zhí)行一系列基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出值的計算。這些計算的結(jié)果是一些參數(shù)，例如誤差信號，驅(qū)動級所需的脈寬，針對各種驅(qū)動輸出優(yōu)化的延遲值，以及環(huán)路補償參數(shù)。模擬系統(tǒng)中外部環(huán)路不再需要補償元件。生產(chǎn)過程中，參數(shù)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(tǒng)啟動時可以下載到數(shù)據(jù)存儲器中。
3.3 模擬控制和數(shù)字控制的比較
和模擬控制相比，數(shù)字控制在適應(yīng)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給定的控制參數(shù)配置一個折衷的設(shè)置，然而數(shù)字控制系統(tǒng)能夠在轉(zhuǎn)換器工作環(huán)境作用下改變控制參數(shù)。例如，在同步的負載點(POL)降壓型的穩(wěn)壓器里，死區(qū)時間保證了上端和下端的場效應(yīng)晶體管永遠不會同時工作。模擬控制系統(tǒng)為最惡劣的工作條件采用了固定的定時網(wǎng)絡(luò)去設(shè)置死區(qū)時間。但是對于典型的工作環(huán)境下，這個死區(qū)時間比需要的時間長，從而降低了轉(zhuǎn)換器的效率。通過對比，一個數(shù)字控制環(huán)可以根據(jù)工作環(huán)境動態(tài)的改變死區(qū)時間，優(yōu)化了POL整流器的效率。
4、新型數(shù)字電源與芯片特征及應(yīng)用
4。1 UCD7K數(shù)字電源驅(qū)動器
UCD7K驅(qū)動器不僅作為數(shù)宇控制器與電源極間的接口，還提供電源保護以及用于數(shù)字控制器的偏壓。UCD7K為新一代的數(shù)字電源設(shè)備驅(qū)動器，已經(jīng)集成了以全時模式保護功率級的安全電路。另外，這些專用驅(qū)動器還集成了許多特殊的功能，如線性調(diào)節(jié)器及運算放大器等，以便為數(shù)字控制器供電，并幫助進行信號調(diào)節(jié)。
圖5所示為UCD7K驅(qū)動器與數(shù)字電源控制器與功率級連接示意圖，并實現(xiàn)保護與偏置的電源管理。
圖5 UCD7K驅(qū)動器與數(shù)字電源控制器與功率級連接示意圖
圖5右側(cè)蘭色框圖為UCD7K組成框圖，由3.3V線性調(diào)節(jié)器與驅(qū)動器及模擬脈沖限流器等3部分組成。而圖5左側(cè)灰色框圖為數(shù)字電源控制器組成框圖。UCD7K系列器件中還包含了精度為1%、電壓為3.3V、電流為10mA的線性穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器在作為參考電壓的同時又為數(shù)字控制器供電。
UCD7K驅(qū)動器的主要特征為：高電流柵極驅(qū)動器，可編程模擬脈沖限流及電路板3.3V 、10mA線性穩(wěn)壓器。其優(yōu)點是：能與功率級相接;具有故障保護及靈活的過載保護;能為數(shù)字控制器提供電源。
4.2 UCD7K驅(qū)動器功能分析
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UCD7K MOSFET驅(qū)動器接收到來自數(shù)字控制器的邏輯電平輸入信號，然后將其轉(zhuǎn)換為土4A的高電流MOSFET柵極驅(qū)動信號，并連接至功率級。該驅(qū)動器提供了具有可編程閾值及數(shù)字輸出電流限制標(biāo)記的周期性電流限制功能，主機控制器通過監(jiān)測電流標(biāo)記可以選擇合適的算法，并得出所需的限流配置參數(shù)(Profile)。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)不能及時針對故障作出響應(yīng)的情況時(極少發(fā)生)，該項快速(25ns)周期性電流限制保護功能就會關(guān)閉功率級。
本地過電流保護功能的主要優(yōu)點是，當(dāng)數(shù)字控制器中的軟件代碼損壞或終止運行時，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(xiàn)過電流情況時關(guān)閉驅(qū)動器輸出。系統(tǒng)很可能進入重試模式，因為大多數(shù)DSP及微控制器均配備有板上看門狗和掉電復(fù)位等監(jiān)控外設(shè)，可以在運行不正常時重新啟動器件。但是這些外設(shè)的反應(yīng)速度通常較慢，無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(nèi)隨意設(shè)置電流限制閾值?？梢允褂秒娮璺謮浩骰蛘邤?shù)字控制器加數(shù)模轉(zhuǎn)換器來施加該電壓。在任何情況下，最大閾值電壓已在內(nèi)部限定為1.0V，而外部電壓設(shè)定超過1.0V時無效，這就為D/A轉(zhuǎn)換器損壞時提供了另一種保護功能。
?、啤CD7K的TrueDrive輸出架構(gòu)
TrueDrive輸出架構(gòu)對于快速開關(guān)速度，UCD7K驅(qū)動器的輸出使用TrueDrive輸出架構(gòu)，在開關(guān)交換的“米勒”平坦區(qū)期間，這個架構(gòu)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。
32數(shù)宇控制同步壓降及±4A驅(qū)動器特征
以UCD7230為例進行分析。UCD7230隸屬于UCD7K系列數(shù)宇控制兼容驅(qū)動器，可用于采用了數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用或是需求快速局部峰值電流限制保護的應(yīng)用。UCD7230是同步壓降、4A MOSFET門驅(qū)動器。該器件極為適用于提供數(shù)字控制器間的橋接，例如UCD9K同步壓降控制器。圖6為UCD7230原理框圖。
圖6 UCD7230原理框圖
UCD7230器件具有快速的25ns逐周期電流限制保護，可保護電源免受不恰當(dāng)輸入或過載電流的損害。UCD7230是具有大電流，高側(cè)及低側(cè)的4A驅(qū)動器，采用了TI的TrueDrive輸出架構(gòu)。該架構(gòu)在開關(guān)轉(zhuǎn)換的米勒上升區(qū)間向MOSFET的門電容輸出額定的電流，從而獲得更快的轉(zhuǎn)換速率。其主要特點為2MHz轉(zhuǎn)換頻率，雙限流保護，快速的電流感應(yīng)電路，傳播延遲僅為25ns別;具有低失調(diào)、高增益差分電流感應(yīng)放大器;具有3.3V、10mA內(nèi)部穩(wěn)壓器;具有+4A TrueDrive大電流驅(qū)動器;2 2nF負載時，上升下降時間為10nS(典型值);具有數(shù)字輸出電流限制標(biāo)志位;電源電壓范圍為4 5v~15 5V。
圖7為應(yīng)用UCD7230數(shù)宇控制同步壓降與數(shù)字脈寬調(diào)制控制器UCD9112相接構(gòu)成數(shù)字轉(zhuǎn)換器示意框圖。它反映了新型數(shù)字脈寬調(diào)制控制器UCD9112需要具備智能型集成MOSFET驅(qū)動器的UCD7230支持。
圖7 UCD7230數(shù)宇控制同步壓降與數(shù)字脈寬調(diào)制控制器UCD9112相接構(gòu)成數(shù)字轉(zhuǎn)換器示意框圖。
（轉(zhuǎn)載）
