數(shù)控多相交錯(cuò)式DC/DC降壓系統(tǒng)解決方案

　　引言

　　當(dāng)前的處理器、圖像及存儲(chǔ)系統(tǒng)均使用多相電源解決方案。這些多相解決方案可提供一個(gè)極高開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)及調(diào)節(jié)性能，同時(shí)以一個(gè)更加適度的頻率上單獨(dú)地進(jìn)行開關(guān)。對(duì)單通道降壓轉(zhuǎn)換器而言，它們還可以提供比實(shí)際更高的輸出電流。

　　多相電源的優(yōu)勢(shì)來自于相位交錯(cuò)，0通過以統(tǒng)一的時(shí)間間隔進(jìn)行相位交錯(cuò)（例如：在一款三相交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器中以120°的時(shí)間間隔進(jìn)行交錯(cuò)），其本身單個(gè)相位固有的輸出紋波被其他相位降至平均水平，從而總體輸出紋波就被降低了。這樣使用更低的脈寬調(diào)制開關(guān)頻率，就可以實(shí)現(xiàn)給定輸出紋波設(shè)計(jì)的目標(biāo)，與此同時(shí)通過降低開關(guān)損耗提高了效率。

　　管理多相電源系統(tǒng)存在一些其自身特有的問題，包括輕負(fù)載效率和系統(tǒng)冗余的切相（phase shedding），以及系統(tǒng)壽命的相位電流平衡。在傳統(tǒng)模擬電源中實(shí)施這些功能會(huì)比較困難，然而使用一個(gè)數(shù)字控制器則可以很輕松地完成這些任務(wù)。

　　解決方案

　　這種系統(tǒng)由多達(dá)6個(gè)交錯(cuò)式同步降壓轉(zhuǎn)換器組成，這些轉(zhuǎn)換器均由一個(gè)單微處理器控制，如圖1所示。

　　圖1數(shù)控多相交錯(cuò)式同步降壓

　　TI推出的32位TMS320F2806數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）運(yùn)行在100 MHz頻率下，并且以電源應(yīng)用為目標(biāo)。在本例中，其在軟件中實(shí)施電壓模式控制，該軟件使用一個(gè)在PWM開關(guān)頻率上進(jìn)行采樣的單通道2極點(diǎn)2零點(diǎn)數(shù)字補(bǔ)償器。隨后產(chǎn)生的占空比值將被傳給每一個(gè)降壓相（所有為實(shí)現(xiàn)相位平衡所作的占空比調(diào)節(jié)除外）。通過使用片上12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）獲得系統(tǒng)輸出電壓反饋。MOSFET溫度在整個(gè)ADC中均為可用，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的目的，并且片上內(nèi)部集成電路（I2C）端口提供了對(duì)PMBus？通信的支持。針對(duì)同步降壓應(yīng)用專門設(shè)計(jì)了一款UCD7230柵極驅(qū)動(dòng)器，從而提供了采用TI TrueDrive？輸出架構(gòu)的雙通道4-A MOSFET驅(qū)動(dòng)器、周期性電流限制以及一個(gè)內(nèi)置低失調(diào)、高增益、差分電流傳感放大器。

　　切相和增相

　　切相提供了一種提高電源效率和可靠性的方法。在輕負(fù)載條件下，動(dòng)態(tài)地減少運(yùn)行相位的數(shù)量通常會(huì)帶來效率的提高。當(dāng)負(fù)載需求增加時(shí)，一個(gè)切相可以被重新激活。類似地，通過重新平衡各剩余相位之間的交錯(cuò)，切除一個(gè)失效的相位或者一個(gè)運(yùn)行在邊界狀態(tài)以外的相位，有助于維持系統(tǒng)的性能。在那些需要極高可靠性的應(yīng)用中，一個(gè)備用相位可以被帶上線以取代失效的相位，也就是N+1冗余設(shè)計(jì)。不考慮切除一個(gè)相位的原因，剩余相位（或者在N+1冗余設(shè)計(jì)中增加相位）的交錯(cuò)角應(yīng)該重新調(diào)整，以維持最佳性能。例如，從一個(gè)三相120°交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器中切除一個(gè)相位就應(yīng)該將兩個(gè)相位分離隔開180°。

　　TMS320F2806控制器的PWM元件均支持軟件同步及相位控制。每一個(gè)PWM輸出均具有一個(gè)相位同步寄存器，它將其計(jì)數(shù)值與首個(gè)PWM輸出的計(jì)數(shù)值發(fā)生偏移。這就允許所有交錯(cuò)式降壓相位的相位角不僅僅可以在系統(tǒng)初始化期間被靜態(tài)地配置，而且還可以在系統(tǒng)運(yùn)行期間被動(dòng)態(tài)地重新調(diào)整。

　　圖2a顯示了一款120°交錯(cuò)式（條件：10V輸入、2V輸出、3A負(fù)載及300 kHz PWM開關(guān)）PWM結(jié)構(gòu)的三相交錯(cuò)式降壓轉(zhuǎn)換器的示波器屏幕采集圖。示波器通道1至3顯示的是單個(gè)相位電壓，而通道4顯示的是交錯(cuò)式輸出電壓（所有示波器通道均為AC耦合）。通過所有運(yùn)行中的三個(gè)相位，可以得出該輸出紋波為4.9 mV（輸出電壓的0.25%）。在沒有調(diào)整兩個(gè)剩余相位（見圖2b）角的情況下，切除相位2會(huì)引起輸出紋波增加86%，即為9.1 mV.為了獲得180°交錯(cuò)（見圖2c），對(duì)兩個(gè)剩余相位進(jìn)行軟件調(diào)整以后，該紋波減少至7.9 mV.在仍然比初始值大的同時(shí)（因?yàn)橐粋€(gè)兩相位系統(tǒng)無法獲得如一個(gè)三相系統(tǒng)一樣的低紋波），其比未被調(diào)整的剩余相位角提高了13%.

　　圖2a三相交錯(cuò)式同步降壓輸出

　　圖2b在120°交錯(cuò)時(shí)，切除相位2，保留相位1和相位3

　　圖2c對(duì)相位1和相位3進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)180°交錯(cuò)

　　相位電流平衡

　　為了最佳化電源組件可靠性和使用壽命，使多相系統(tǒng)中的每一個(gè)相位都等量地分擔(dān)電源負(fù)荷是值得的。由于電源開關(guān)和電感的組件間的不同，以及電路板布局和散熱的非對(duì)稱性，因此流經(jīng)相位的電流是不一樣的。基本平衡方法包括測(cè)量相位電流，以及對(duì)每一個(gè)相位要求的PWM占空比進(jìn)行單獨(dú)地調(diào)節(jié)，以對(duì)電流進(jìn)行平衡。電流非均衡動(dòng)態(tài)十分緩慢，因而平衡環(huán)路的采樣率可以較低，差不多可以是幾十分之幾秒，甚至是幾秒。因此，微處理器上額外的計(jì)算負(fù)擔(dān)可以被忽略不計(jì)。為了減少傳感器噪聲的影響，對(duì)平衡環(huán)路速率電流讀取進(jìn)行過采樣，并隨著時(shí)間的變化平均每一個(gè)相位的電流測(cè)量。簡(jiǎn)單低增益完整行為“僅”控制算法通常被用于關(guān)閉平衡環(huán)路。在使用平均相位電流作為參考的每一個(gè)環(huán)路反復(fù)過程中，可以在每一個(gè)相位上執(zhí)行平衡。另一種方法是，有時(shí)只有將在那個(gè)時(shí)刻測(cè)量出的最高和最低電流相位彼此平衡，才能達(dá)到相位電流平衡。無論使用哪一種方法，所有相位電流最終都將匯聚到相同值上。

　　PWM精度是進(jìn)行相位電流平衡時(shí)通常會(huì)碰到的一個(gè)問題。將一個(gè)10V輸入看作是由一個(gè)100 MHz PWM時(shí)鐘的300 kHz PWM驅(qū)動(dòng)的2V輸出同步降壓轉(zhuǎn)換器。該降壓輸出上的PWM精度將會(huì)是30 mV，或者等同于2V輸出的1.5%.一般而言，相比達(dá)到相位平衡和避免平衡控制環(huán)路極限循環(huán)期（limit cycling）所需要的較好占空比調(diào)節(jié)，這樣的粒度將會(huì)大一個(gè)甚至是兩個(gè)數(shù)量級(jí)。F2806控制器為這一問題提供了一種解決方案，并且別具一格地增強(qiáng)了 PWM模塊的高精度。這種高精度PWM提供了~150 ps的邊緣定位。這就相當(dāng)于為上述降壓實(shí)例提供0.45 mV的輸出精度，或者0.02%的2V輸出。這種解決方案可提供高精度以及較好的相位電流平衡功能。

　　結(jié)論

　　本案例引入了一款數(shù)字電源解決方案，其具有多相同步降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以運(yùn)用數(shù)字方法關(guān)閉電壓控制環(huán)路，并且對(duì)不同負(fù)載和散熱條件下的相位進(jìn)行管理，以獲得最佳電源性能。