智能化數(shù)字電源系統(tǒng)的優(yōu)化設計

介紹了數(shù)字電源系統(tǒng)的主要特點及發(fā)展現(xiàn)狀，簡要分析了組成系統(tǒng)的各類芯片的性能特點及工作原理，重點闡述數(shù)字電源系統(tǒng)的電路設計。為實現(xiàn)數(shù)字電源系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了具體方案。
關鍵詞：數(shù)字電源；數(shù)字信號處理器；微控制器；故障管理；過電流保護；數(shù)字控制

0 引言
目前，開關電源正朝著智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。最近剛問世的智能數(shù)字電源系統(tǒng)以其優(yōu)良的特性和完備的監(jiān)控功能，正引起人們的關注。數(shù)字電源提供了智能化的適應性與靈活性，具備直接監(jiān)控、處理并適應系統(tǒng)條件的能力，能滿足任何復雜的電源要求。此外，數(shù)字電源還可通過遠程診斷來確保系統(tǒng)長期工作的可靠性，包括故障管理、過電流保護以及避免停機等。

1 數(shù)字電源系統(tǒng)的主要特點及發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 數(shù)字電源系統(tǒng)的主要特點
數(shù)字電源系統(tǒng)具有以下特點。

1)它是以數(shù)字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心，將數(shù)字電源驅動器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開關電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的由微控制器(μP或μC)控制的開關電源，一般只是控制電源的啟動和關斷，并非真正意義的數(shù)字電源。

2)采用“整合數(shù)字電源”(Fusion Digital Power)技術，實現(xiàn)了開關電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。例如，功率級所用的模擬組件——MOSFET驅動器，可以很方便地與數(shù)字電源控制器相連并實現(xiàn)各種保護及偏置電源管理，而PWM控制器也屬于數(shù)控模擬芯片。

3)高集成度，實現(xiàn)了電源系統(tǒng)單片集成化(Power system on chip)，將大量的分立式元器件整合到一個芯片或一組芯片中。

4)能充分發(fā)揮數(shù)字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢，使所設計的數(shù)字電源達到高技術指標。例如，其脈寬調制(PWM)分辨力可達150ps(10-12s)的水平，這是傳統(tǒng)開關電源所望塵莫及的。數(shù)字電源還能實現(xiàn)多相位控制、非線性控制、負載均流以及故障預測等功能，為研制綠色節(jié)能型開關電源提供了便利條件。

5)便于構成分布式數(shù)字電源系統(tǒng)。

1.2 數(shù)字電源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著現(xiàn)代科技事業(yè)的發(fā)展及開關電源市場的需求，在21世紀初國際上開始研制數(shù)字電源系統(tǒng)。2005年3月，美國德州儀器公司(TI)宣布推出具有創(chuàng)新型的數(shù)字電源產品，不僅能顯著提高電源系統(tǒng)的性能，還可大幅度延長其使用壽命。該公司還展示了Fusjon Digital Powe解決方案，以證明數(shù)字電源系統(tǒng)能以極具競爭力的低成本，實現(xiàn)高性能指標及設計靈活性。

該解決方案包括以下3類芯片：
1)UCD7K系列數(shù)字電源驅動器(含UCD7100和UCD7201)；
2)UCD8K系列PWM控制器(含UCD8620和UCD8220)；
3)UCD9K系列數(shù)字信號處理器(UCD9110／9501)。

上述芯片已形成系列化產品，于2005年秋季正式銷售。該產品支持包括從AC線路到負載的電源系統(tǒng)，可廣泛用于電信設施、計算機服務器、數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)及不間斷電源(UPS)等。

2 數(shù)字電源系統(tǒng)的基本構成
2.l 數(shù)字電源驅動器
UCD7100／7201均屬于數(shù)字控制電源驅動器芯片，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，可驅動MosFET開關功率管，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，快速檢測過流故障并迅速關斷電源，檢測周期僅為25ns。

現(xiàn)以UCD7100為例，其內部框圖如圖1所示。