數(shù)字電源技術(shù)及應(yīng)用

數(shù)字電源可以完成對(duì)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)字電源的關(guān)鍵數(shù)字器件有數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字電源PWM控制器和數(shù)字信號(hào)處理器等。

(一)數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器

目前，數(shù)字控制電源驅(qū)動(dòng)器芯片中比較典型的應(yīng)用有美國(guó)德州儀器公司(TI)公司的UCD7100/7201芯片。二者的區(qū)別是：UCD7100為單端輸出，UCD7201為雙端輸出，額定輸出電流均為±4A，可驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)功率管，均可適配UCD9110/9501型數(shù)字控制器。主控制器可監(jiān)控其輸出電流，快速檢測(cè)過(guò)流故障并迅速關(guān)斷電源，檢測(cè)周期僅為25ns.

現(xiàn)以UCD7100為例，該芯片主要包括3.3V電壓調(diào)整器及基準(zhǔn)電壓源、觸發(fā)器、施密特比較器、欠壓關(guān)斷電路、控制門(mén)、True Drive驅(qū)動(dòng)器等部分組成。“True Drive”(真驅(qū)動(dòng))為T(mén)I公司的專(zhuān)有技術(shù)，它是由并聯(lián)雙極性晶體管和MOSFET管組成上拉/下拉電路構(gòu)成的混合輸出級(jí)。其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，在低電壓時(shí)也能正常輸出，并能在極低輸出阻抗下控制外部功率MOSFET的過(guò)壓、欠壓保護(hù)，功率MOSFET不需要接起保護(hù)作用的肖特基鉗位二極管。 UCD7100能在幾百FIS的時(shí)間內(nèi)給MOSFET的柵極提供一個(gè)高峰值電流，快速開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)器。UCD7100的高阻抗數(shù)字輸入端(IN)能接收 3.3V邏輯電平、最高開(kāi)關(guān)頻率達(dá)2MHz的信號(hào)。利用施密特比較器能將內(nèi)部電路與外部噪音隔離。若控制器的PWM輸出停在高電平上并發(fā)生過(guò)電流故障，電流檢測(cè)電路就關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器的輸出，系統(tǒng)可進(jìn)入重試模式。通過(guò)DSP或MCU內(nèi)部的看門(mén)狗電路，能重新啟動(dòng)片。UCD7100內(nèi)部的3.3V/10mA電壓調(diào)整器可作為數(shù)字控制器的電源。

(二)數(shù)字電源控制器

美國(guó)德州儀器公司(TI)公司的UCD8220/8620是受DSP或MCU數(shù)字控制的雙端推挽式PWM控制器。二者區(qū)別是UCD8220可利用48V低壓?jiǎn)?dòng)，UCD8620內(nèi)部增加了110V高壓?jiǎn)?dòng)電路。UCD8220的內(nèi)部框圖如圖2所示。

該芯片主要包括3.3V電壓調(diào)整器及基準(zhǔn)電壓源、脈寬調(diào)制器(PWM)、驅(qū)動(dòng)邏輯、推挽式驅(qū)動(dòng)器、欠壓關(guān)斷電路、限流電路、電流檢測(cè)電路。 UCD8220/8620可運(yùn)行在峰值電流模式或電壓模式，不僅能對(duì)極限電流進(jìn)行編程，還輸出一個(gè)能受主控制器監(jiān)控的極限電流數(shù)字標(biāo)志。UCD8220 /8620的時(shí)序T作波形如圖3所示。

(三)數(shù)字信號(hào)處理器

目前，專(zhuān)為數(shù)字電源系統(tǒng)配套的數(shù)字信號(hào)處理器有美國(guó)德州儀器公司(TI)公司的UCD9501、TMS320F2808和TMS320F2806等。它們內(nèi)部主要包含100MHz的32位CPU、時(shí)鐘振蕩器、3個(gè)32位定時(shí)器、看門(mén)狗電路、內(nèi)部/外部中斷控制器、SCI總線、SPI總線、CAN總線及 I2C總線接口、12路PWM信號(hào)輸出、系統(tǒng)控制器、16通道12位ADC、16K×16Flash、6K×16SARAM、1K×16ROM.它采用標(biāo)準(zhǔn)的3.3V輸入/輸出接口，與UCD8K系列完全兼容，利用Power PADTM HTSSOP和QFN軟件包可進(jìn)行編程。

四、數(shù)字電源發(fā)展面臨的問(wèn)題

數(shù)字電源已經(jīng)表現(xiàn)出相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，但仍有一些缺點(diǎn)需要克服。例如，模擬控制對(duì)信號(hào)狀態(tài)的反應(yīng)是瞬時(shí)的，而數(shù)字電源需要一個(gè)采樣、量化和處理的過(guò)程來(lái)對(duì)負(fù)載的變化做出反饋，因此它對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)速度目前還比不上模擬電源。數(shù)字電源的占板面積要大于模擬電源，精度和效率也比模擬電源稍差。雖然數(shù)字控制方法的優(yōu)點(diǎn)在負(fù)載點(diǎn)(POL)系統(tǒng)中非常明顯，但模擬電源在分辨率、帶寬、與功率組件的電壓兼容性、功耗、開(kāi)關(guān)頻率和成本(在簡(jiǎn)單應(yīng)用中)等方面仍然占有優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，如果考慮到數(shù)字電源解決方案具有的優(yōu)點(diǎn)，使用模擬電路搭建功能相似的電路，成本并不一定就比數(shù)字電源低。