選擇數(shù)字電源集成電路（IC）的秘訣

隨著工程師們對數(shù)字電源這項技術(shù)及其優(yōu)勢的熟知，各式各樣的數(shù)字電源的發(fā)展勢頭日益強勁。電源系統(tǒng)和電源設(shè)計人員已經(jīng)意識到，部署數(shù)字電源并不是對現(xiàn)有技術(shù)進行革命性轉(zhuǎn)變的全新設(shè)計。由于目前市場上數(shù)字電源器件種類繁多，設(shè)計人員可以立即利用其巨大優(yōu)勢，應(yīng)用到任一設(shè)計項目?？梢杂诖双@得極有價值并且相當(dāng)豐富的收益。

數(shù)字電源尺寸和成本概述

數(shù)字電源利用混合信號處理開發(fā)的發(fā)展演進?；旌闲盘柼幚硗瑫r滿足了數(shù)字電路與模擬電路的需要。數(shù)字電路的范圍很廣，其中包括微處理器、狀態(tài)機以及通信外設(shè)和簡單邏輯電路。存儲器也包含在這個部分中。模擬電路可以包括運算放大器和比較器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 脈寬調(diào)制器 (PWM) 發(fā)生器和基準(zhǔn)，以及更多其它器件。對這一處理技術(shù)的充分利用能讓這些器件優(yōu)化模擬與數(shù)字電路的分配，同時又將這些器件集成在一個芯片上。通過減少物料清單 (BOM) 成本和器件數(shù)量可以降低系統(tǒng)成本，并且由于系統(tǒng)中所包含的互連組件減少，系統(tǒng)會更加可靠。由于一個控制器有可能服務(wù)于很多解決方案，制造商需要跟蹤和儲備的最小庫存單位 (SKU) 更少。

舉個例子，集成一個多用途微控制器 (MCU) 既能夠執(zhí)行一定范圍的電源相關(guān)功能，能夠免除了對于其它獨立控制芯片的需要。可以為集成型MCU設(shè)定許多電源管理特性，諸如過壓、欠壓、過流條件和其它功能。根據(jù)數(shù)字MCU處理能力的不同，數(shù)字電源器件可被設(shè)定為包含多種電源轉(zhuǎn)換特性，諸如簡單到復(fù)雜拓撲支持、自適應(yīng)環(huán)路補償、針對峰值電流模式控制的斜坡補償、均流以及溫度補償。另外一個例子就是提供功率因數(shù)校正 (PFC)，與此同時執(zhí)行電子儀表計量功能。通過提供多種數(shù)字電源器件，設(shè)計人員能夠為應(yīng)用選擇最適合的功能，而無需擔(dān)心其他無用的功能造成的負擔(dān)。

電源拓撲靈活性

數(shù)字技術(shù)所固有的靈活性，使得特有集成數(shù)字MCU或可配置狀態(tài)機的數(shù)字電源器件可成為一個支持所有主要傳統(tǒng)電源拓撲的平臺，這個平臺也支持任何有可能出現(xiàn)的全新且更加精密的拓撲。所支持拓撲將包括相移全橋、多相交錯PFC、無橋PFC、共振LLC、雙向DC/DC、雙向DC/AC和PFC、三相逆變器、最大功率點跟蹤 (MPPT) DC/DC和其它拓撲。由于這一靈活性和集成外設(shè)，通過使用高分辨率相位、頻率和占空比控制算法，數(shù)字電源器件能夠提供精確波形控制。

效率

高級控制算法使得數(shù)字電源器件能夠提高電源和系統(tǒng)的功效，從而減少了電源和主機系統(tǒng)的能耗。這對數(shù)據(jù)中心、海量存儲系統(tǒng)等很多應(yīng)用的運行成本都有顯著的影響。自適應(yīng)數(shù)字控制能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)節(jié)，以改變線路和負載情況，從而優(yōu)化電源和系統(tǒng)效率。例如，對于更高效的電力傳輸，可以實時改變功率級的控制方法，或者對電源轉(zhuǎn)換進行調(diào)節(jié)，以減少其在輕負載或無負載條件下的功耗。

可靠性和安全性

數(shù)字電源器件能夠輕松實現(xiàn)與系統(tǒng)中其它數(shù)字和模擬組件的交互，這意味它們能夠通過執(zhí)行系統(tǒng)級監(jiān)視和故障響應(yīng)來有效地提高主機系統(tǒng)的可靠性和安全性。實際上，數(shù)字控制器的可編程屬性使得它們能夠支持多種總線(諸如PMBus、I2C、SCI、SPI、CAN和其它類型的總線)上的多協(xié)議通信，這樣的話，系統(tǒng)能夠輕松地與電源子系統(tǒng)通信。通過監(jiān)視和記錄整個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，數(shù)字電源技術(shù)有助于系統(tǒng)診斷，提供早期故障和錯誤報警，系統(tǒng)也就能夠采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對操作。

寬帶隙 (WBG) 兼容性

與其等到那些能夠滿足WBG器件新功能的全新模擬控制器被開發(fā)出來，還不如現(xiàn)在就使用某些數(shù)字電源解決方案。在提供極高分辨率定時控制的同時，兼有數(shù)字電源對所有電源拓撲的支持能力，諸如氮化鎵 (GaN) 的全新器件可被用于具有較高開關(guān)頻率、較低開關(guān)損耗、更大功率密度和零反向恢復(fù)的高級拓撲中。

TI的數(shù)字電源創(chuàng)新

德州儀器 (TI) 的數(shù)字電源技術(shù)產(chǎn)品組合是目前業(yè)內(nèi)最全面的產(chǎn)品庫。雖然其他供應(yīng)商也許能為此行業(yè)的一個或數(shù)個細分市場提供專業(yè)的數(shù)字電源解決方案，TI寬泛的數(shù)字電源創(chuàng)新組合卻可以滿足任何可能的設(shè)計需求。

總的說來，數(shù)字電源技術(shù)在許多應(yīng)用中都適用，從相對簡單的功能到最復(fù)雜的電源管理任務(wù)。數(shù)字電源市場通常被細分為4個不同的器件類型，每一類器件均有其自身的優(yōu)勢和解決方案。這些器件為： 數(shù)字電源控制器;具有數(shù)字接口的模擬電源穩(wěn)壓器;數(shù)字電源排序器;數(shù)字熱插拔控制器。接下來將解釋每個產(chǎn)品類別，并談一談TI數(shù)字電源產(chǎn)品庫中的一些器件。

數(shù)字電源控制器

數(shù)字電源控制器調(diào)節(jié)不同類型電源的輸出，從AC/DC到DC/AC電源、隔離式DC/DC、負載點 (POL) 穩(wěn)壓器、功率調(diào)節(jié)器和濾波器，以及其它器件。由于它們所具有的集成MCU和電源專用外設(shè)，數(shù)字電源控制器具有同時執(zhí)行環(huán)路補償和管理反饋環(huán)路所需的計算能力，以保持正確的輸出穩(wěn)壓或調(diào)節(jié)，以及執(zhí)行其它系統(tǒng)級監(jiān)視和穩(wěn)壓任務(wù)的能力。這些器件配備有針對電源管理應(yīng)用進行優(yōu)化的外設(shè)。

TI的數(shù)字電源控制器有一些行業(yè)內(nèi)獨一無二的功能。例如，它們的高頻和高分辨率運行使得它們與GaN技術(shù)兼容，從而提供高開關(guān)速度和低功率損耗。此外，TI所有的數(shù)字電源控制器特有出色的瞬態(tài)響應(yīng)和動態(tài)性能。這些功能由不同的技術(shù)實現(xiàn)。在某些情況下，數(shù)字電源控制器針對極快速中斷而設(shè)計，這就減少了控制環(huán)路采樣與響應(yīng)計算之間的延遲。在其它情況下，使用集成有專用ADC和計算引擎的外設(shè)來提供針對控制環(huán)路的快速響應(yīng)。通常情況下，這些快速響應(yīng)能力使得控制器能夠減少功率級組件間的差異所帶來的影響。

集成在TI數(shù)字電源控制器中的MCU可編程性使得它們完全可配置并且能夠控制復(fù)雜拓撲，以及諸如雙向、多相重排序和相位校正、自適應(yīng)死區(qū)時間控制以及其它運行模式。此外，通過配置這些控制器能在包括PMBus在內(nèi)的多種總線上支持系統(tǒng)級監(jiān)視、儀表計量和通信。這可實現(xiàn)諸如在線診斷和報告、現(xiàn)場功耗數(shù)據(jù)采集等精密電源管理過程，以優(yōu)化設(shè)計，并且可以通過數(shù)字接口把新參數(shù)寫入控制器。正因如此，可采用多種拓撲來監(jiān)視控制環(huán)路。實際上，通過使用控制器的數(shù)字補償，可以完全避免執(zhí)行具有外部組件的控制環(huán)路?？刂破魉鶊?zhí)行的監(jiān)視和數(shù)據(jù)記錄也可形成早期故障報警的基礎(chǔ)，這也反過來使系統(tǒng)能夠采取措施來減少這些故障的影響。

C2000 TM微控制器

設(shè)計靈活性與開發(fā)的簡便性使得TI C2000 MCU成為廣泛應(yīng)用中眾多電源系統(tǒng)設(shè)計的核心部件。借助于高級C語言的完全可編程性以及可輕易更改的配置變量，C2000 MCU已經(jīng)顯現(xiàn)出其強大功能，它們可以組成很多平臺架構(gòu)的基礎(chǔ)，可以很方便地將這些架構(gòu)調(diào)整為滿足特定的設(shè)計需要，其中也包括最高級的電源拓撲。高度可配置的PWM和ADC組合使得C2000 MCU能夠支持最精密的電源控制功能。C語言中提供的模塊化軟件庫加快了系統(tǒng)級應(yīng)用的直觀開發(fā)。TI的C2000實時C28x處理內(nèi)核具有高達200MHz的處理能力，以支持最精密的電源系統(tǒng)。除了其主要的處理內(nèi)核，C2000 MCU還特有基于RISC的控制律加速器 (CLA) 實時協(xié)處理器，它的速度處理能力也高達200MHz。這兩個完全不同的處理資源可實現(xiàn)處理負載的有效劃分，CLA能夠承擔(dān)控制環(huán)路處理和其它實時任務(wù)，減輕主內(nèi)核處理這些任務(wù)的負擔(dān)，從而主核可以專門進行通信協(xié)議處理或額外的控制環(huán)路控制的內(nèi)務(wù)處理任務(wù)。這樣整個電源系統(tǒng)就會更加有效，響應(yīng)速度更快。利用多達12對高速、高分辨率PWM(分辨率額定值150ps)等眾多資源，C2000 MCU能夠驅(qū)動高開關(guān)頻率以及大量相位或電源軌，同時又減小了設(shè)計尺寸。集成高速ADC的處理速度高達4MSPS，分辨率高達16位。C2000 MCU還支持最常見的實時通信協(xié)議，其中包括I2C、SCI、SPI、CAN和PMBus。

通過將精密控制架構(gòu)所需的全部資源集成到一個輕松可編程、可配置器件內(nèi)，C2000 MCU在減小尺寸和降低成本的同時，也降低了系統(tǒng)其余部分的硬件復(fù)雜度。與多個PWM事件同步的高分辨率ADC和DAC可實現(xiàn)廣泛的控制，包括斜坡補償電路在內(nèi)的片上功能性支持峰值電流模式和其它精密控制機制。諸如比較器和來自多個來源的觸發(fā)區(qū)輸入的數(shù)個集成資源可實現(xiàn)對功率級的多種保護功能，其中包括過壓、欠壓和過流保護。多個片上時鐘提供的冗余功能可通過時鐘源的備份來提高電源系統(tǒng)的可靠性。實際上，C2000 MCU特有一個3時鐘保護系統(tǒng)配置，其中的一個時鐘在另一個時鐘發(fā)生故障時自動切換至備用時鐘。

開發(fā)工具

開發(fā)人員將C2000 MCU應(yīng)用到數(shù)字電源系統(tǒng)的設(shè)計之中，從而能夠充分利用大量的軟件與硬件，簡化了開發(fā)流程，那些不甚了解數(shù)字電源組件的工程師們也能夠很快上手。。通過充分利用TI的PowerSUITETM圖形軟件工具(controlSUITETM軟件包的一部分)，設(shè)計人員能夠快速升級和完成一個開發(fā)項目。借助經(jīng)完全測試軟件模塊(針對諸如PFC、AC/DC整流、隔離式DC/DC、DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器和DC/AC變換器應(yīng)用)的TI數(shù)字電源庫，設(shè)計人員能夠快速采用其中一個powerSUITE應(yīng)用專用軟件模塊來滿足他們系統(tǒng)的特定需要。不用再從頭為全新系統(tǒng)編寫代碼。powerSUITE軟件頻率響應(yīng)分析器 (SFRA) 使設(shè)計的頻率響應(yīng)分析自動化，而powerSUITE補償設(shè)計工具可實現(xiàn)不同類型比較器的開發(fā)，以優(yōu)化閉環(huán)性能。此外，TI的Code Composer StudioTM集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 支持任何所需的其它軟件開發(fā)。

一款應(yīng)用專用評估模塊 (EVM) 主機和開發(fā)板也加速了原型機設(shè)計和實驗過程。這些創(chuàng)新性EVM的一個有趣示例就是數(shù)字電源BoosterPack，C2000 PiccoloTM F28069 LaunchPad開發(fā)套件的插入式子板。圖1中顯示的BoosterPack包括一個數(shù)字降壓轉(zhuǎn)換器和工具，這些工具引入了數(shù)字電源控制概念，并且簡化了數(shù)字電源控制子系統(tǒng)的實際設(shè)計。

圖1.數(shù)字功率BoosterPack，一款針對C2000 Piccolo F28069 LaunchPad開發(fā)套件的插入式子板

應(yīng)用

由C2000 MCU控制的電源系統(tǒng)為很多最復(fù)雜的電源應(yīng)用提供靈活性、處理能力和片上資源。這些應(yīng)用包括針對太陽能應(yīng)用的微型逆變器、串式逆變器和集中式逆變器，用于智能電網(wǎng)的電力線通信調(diào)制解調(diào)器，針對電動和混合動力車輛充電系統(tǒng)的汽車應(yīng)用，發(fā)光二極管 (LED) 照明，功率調(diào)節(jié)器，有源電力濾波器，UPS，數(shù)字發(fā)電機以及很多其它器件。

用例分析

服務(wù)器系統(tǒng)提供了大量的示例，表明了C2000 MCU的強大功能是如何提高應(yīng)用的效率和有效性。通過集成在服務(wù)器的機架內(nèi)，基于C2000 MCU的電力系統(tǒng)能夠在控制機架內(nèi)所有服務(wù)器電力分配的同時，密切監(jiān)視和報告這個機架內(nèi)每個刀片式服務(wù)的運行狀態(tài)。通過使用C2000 MCU，可以改進整個服務(wù)器電源接通時間和效率。

UCD3138 數(shù)字電源控制器

UCD3138數(shù)字電源控制器系列主要用于簡化和提高電源設(shè)計，并最大限度地增加設(shè)計靈活性。UCD3138控制器包含多個硬件外設(shè)，這些外設(shè)可以與集成型ARM處理器協(xié)同工作。傳統(tǒng)的基于MCU的解決方案要求快速、復(fù)雜的計算來穩(wěn)定控制環(huán)路，但UCD3138處理器從不直接參與控制環(huán)路補償。反之，一旦配置完成，多個硬件外設(shè)自主運行來控制電源轉(zhuǎn)換器。這個方法使得UCD3138處理器能夠?qū)Ｗ⒂谔幚砥渌鼘r間要求嚴格的內(nèi)務(wù)和/或通信任務(wù)。當(dāng)需求增加時，ARM處理器完全能夠與控制環(huán)路進行交互并采取相應(yīng)的操作。借助于UCD3138控制器，在與MCU保持協(xié)調(diào)一致的前提下，通過使硬件外設(shè)自主運行，可簡化總體設(shè)計。

UCD3138控制器的內(nèi)核是數(shù)字控制環(huán)路外設(shè)，也被稱為數(shù)字電源外設(shè) (DPP)。每個DPP執(zhí)行一個高速數(shù)字控制環(huán)路，此環(huán)路由一個專用高速2MHz誤差模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (EADC)、一個基于比例-積分-微分 (PID) 的2極/2零數(shù)字比較器和具有250ps脈寬分辨率的數(shù)字PWM輸出組成。在這個經(jīng)簡化的配置中，每個環(huán)路均具有一個專用ADC和可配置數(shù)字濾波器來計算控制值。然后，這一控制值被轉(zhuǎn)化為高分辨率數(shù)字輸出，以支持PWM、脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 或相移調(diào)制系統(tǒng)配置。提供的3組外設(shè)在配置完成后自主運行，并同時控制3個獨立的反饋環(huán)路?？膳渲脭?shù)字濾波器具有多組系數(shù)，可針對不同的功率響應(yīng)需要進行選擇。

這個器件系列的架構(gòu)的簡單性還體現(xiàn)在固件開發(fā)方面。DPP的配置簡單直接，將位值分配給特定預(yù)先定義的寄存器即可完成。UCD3138控制器不需要復(fù)雜的代碼開發(fā)來連續(xù)計算復(fù)雜的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換函數(shù)。某些數(shù)字電源設(shè)計需要工程師進行大量繁瑣的練習(xí)，為不同的任務(wù)拆分和分配計算資源，以驗證所選擇的MCU足以滿足應(yīng)用的需要。UCD3138控制器系列用其精簡的處理器開銷需求打消了這些顧慮，從而得到一個針對電源應(yīng)用進行良好優(yōu)化的器件。

UCD3138器件可通過諸如PMBus或其它的數(shù)字通信接口進行設(shè)定。這些資源已經(jīng)針對高性能電源設(shè)計進行了優(yōu)化，并且其中的很多資源是高度可配置的，可以滿足廣泛的需要，這使得UCD3138系列成為很多行業(yè)應(yīng)用的理想選擇，包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)和汽車應(yīng)用等。

由于是一款高度集成的數(shù)字電源控制器，UCD3138器件免除了對于電源設(shè)計中單個芯片的需要，從而降低了電源成本并減小了電源尺寸。UCD3138控制器系列特有集成電源管理和電力轉(zhuǎn)換能力，能夠支持排序、軟啟動/停止等功能以及其它管理任務(wù)。PMBus的所有命令以及定制命令被支持用于有效電源管理功能。峰值電流模式控制由集成斜坡補償電路完成。UCD3138控制器系列集成了幾個模擬功能，以提供實時監(jiān)視和響應(yīng)。這一功能劃分優(yōu)化了數(shù)字控制器件的速度和功率需求。這些特性提供包括過壓、欠壓和過流保護等保護功能。一個集成型溫度折返特性在功率級溫度超過安全水平時，可在無需完全關(guān)閉電源的情況下減少電流。MCU還能提供許多其他服務(wù)，典型例證就是支持運行中的固件升級。這是指在將電源固件升級和指定到一個更新版本的同時無需中斷電源運行 [1]。UCD3138064($5.5012)器件采用一種雙組存儲器架構(gòu)，在對其中一組存儲器編程的同時，支持另外一組存儲器的執(zhí)行。借助由專用外設(shè)管理的關(guān)鍵電源控制和保護功能，MCU能夠?qū)⑵鋷拰ｉT用于將新的固件導(dǎo)入至冗余段，驗證寫入的有效性，然后實現(xiàn)之前固件版本到較新版本的適時切換。

開發(fā)工具

TI的融合數(shù)字電源設(shè)計工具 (Fusion Digital Power Designer) 提供一個具有直觀圖形化用戶界面 (GUI) 的高效開發(fā)環(huán)境。Fusion GUI能夠配置一個UCD器件的普通工作特性并監(jiān)視其性能。它由一個通用串行總線 (USB) 適配器，通過PMBus連接至電源控制器。此外，提供的經(jīng)測試以及可重新配置的軟件塊大大加快了代碼開發(fā)。用于代碼開發(fā)的TI Code Composer Studio IDE具有使快速啟動更加便捷的現(xiàn)成可用項目模板。針對不同特定類型的電源或功能的多種成本有效EVM，將通過促進直接原型機設(shè)計和實驗來加快電源開發(fā)。圖2中顯示的是這些模塊中的一個示例。

圖2. 基于UCD3138數(shù)字控制器的1/8磚型隔離式DC/DC電信電源模塊

應(yīng)用

UCD3138數(shù)字電源控制器系列是一款混合產(chǎn)品，在具有專門用于電源設(shè)計的片上功能性的同時，還有可編程數(shù)字處理、可配置模擬與數(shù)字外設(shè)所特有的靈活性。電源專用和靈活資源的獨特混合屬性使得UCD3138器件能夠支持多種應(yīng)用，其中包括服務(wù)器電源、電信整流器、隔離式DC/DC電源模塊、工業(yè)用AC/DC轉(zhuǎn)換器以及為高性能PFC供電的汽車電源、AC/DC轉(zhuǎn)換器、隔離式DC/DC電源系統(tǒng)、電信系統(tǒng)電源、整流AC/DC電源和視頻通信系統(tǒng)。還有針對普通隔離式電源拓撲的參考解決方案，諸如AC/DC升壓PFC、諧振LLC、相移和硬件開關(guān)全橋、以及正激有源鉗位。

用例分析

由于其低引腳數(shù)量、小型封裝尺寸和成本有效性，UCD3138電源控制器已經(jīng)在諸如無線基站基帶裝置、遠程射頻器件和微型基站等電信開關(guān)和無線通信設(shè)備的電源中被廣泛采用。這些系統(tǒng)中的電源被稱為“磚型”，確保了功率密度，這成為UCD3138數(shù)字電源控制器的一大優(yōu)勢。