電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD9222的數(shù)字電源設(shè)計(jì)

摘要：數(shù)字脈寬調(diào)制信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)電源的數(shù)字控制。數(shù)字電源具有軟件配置、自動(dòng)電壓／電流控制以及集群控制等優(yōu)點(diǎn)。UCD系列芯片可以提供全套的數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)方案，該系列芯片包括數(shù)字脈寬波形控制芯片、電源驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換芯片以及復(fù)住和時(shí)延控制芯片。本文基于以上套片研制出數(shù)字電源系統(tǒng)，給出了硬件設(shè)計(jì)圖和軟件配置方法，最后給出系統(tǒng)運(yùn)行圖。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于嵌入式高性能電子設(shè)備中。
關(guān)鍵詞：數(shù)字電源；UCD9222；PWM控制

引言
電源設(shè)計(jì)和控制是電子設(shè)計(jì)的必要部分之一，電源穩(wěn)定是系統(tǒng)中大部分器件正常工作的前提。傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)基于電源處理模塊芯片，這些芯片在設(shè)計(jì)之初就確定了一種固定的工作關(guān)系，包括輸入／輸出、電壓電流、紋波頻率、轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)，工作過程中一直維持這種關(guān)系。傳統(tǒng)電源存在開關(guān)頻率低、頻率波動(dòng)大、電磁干擾大、不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等問題。隨著電子器件的發(fā)展，近幾年推出的高性能芯片需要非常穩(wěn)定的電源才能正常工作，例如，多核DSP需要穩(wěn)定的電源才能很好地工作在其峰值時(shí)鐘頻率，DDR3也需要隨時(shí)調(diào)節(jié)的電源才能實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)讀寫，100G網(wǎng)等高速接口對(duì)電源也提出干擾小的要求。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)逐漸被引入到電源設(shè)計(jì)中，數(shù)字電源相對(duì)模擬系統(tǒng)而言，在開關(guān)頻率中具有設(shè)計(jì)周期短、靈活多變、易實(shí)現(xiàn)模塊化管理、能夠消除因離散元件引起的不穩(wěn)定和電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字電源應(yīng)該具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①PWM的信號(hào)輸出由數(shù)字控制芯片提供；②控制環(huán)路的反饋計(jì)算工作由數(shù)字單元完成；③具有人機(jī)交互界面，便于信息的交換，而且可以實(shí)現(xiàn)電源輸出的可控和輸入的監(jiān)測(cè)；④留有通信總線接口，可方便實(shí)現(xiàn)群監(jiān)群控、冗余控制等。
TI公司推出的UCD系列數(shù)字電源套片，是一整套數(shù)字電源解決方案。這些套片主要含數(shù)字PWM波形控制芯片、電源驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換芯片，以及復(fù)位和時(shí)延控制芯片。本文主要介紹數(shù)字PWM控制芯片UCD9222和電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD7242的使用，包括軟件和硬件設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)
數(shù)字電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

實(shí)際硬件系統(tǒng)主要由數(shù)字PWM波形控制芯片UCD9222、電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD7242，以及相應(yīng)的由電感和電容組成的匹配網(wǎng)絡(luò)組成。圖1的設(shè)計(jì)可以提供兩路電源輸出，兩路電源完全獨(dú)立設(shè)置，相互之間沒有影響。電壓設(shè)置范圍為0．5～10 V，每路電流最高可以設(shè)置到10 A。利用圖形化編程軟件可以直接對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，并可以通過PMBus總線將編程后的數(shù)據(jù)下載到硬件運(yùn)行，設(shè)置好后，下次啟動(dòng)無需重新設(shè)置。

2 硬件設(shè)計(jì)
數(shù)字電源硬件系統(tǒng)主要由UCD9222和UCD7242組成。UCD9222為數(shù)字PWM波形控制芯片，可以提供2路多相同步數(shù)字PWM控制信號(hào)，2路PWM信號(hào)控制環(huán)路結(jié)構(gòu)完全一致，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可以看出，UCD9222控制PWM信號(hào)的核心主要由電壓跟蹤環(huán)、電流跟蹤環(huán)和溫度跟蹤環(huán)組成。這3個(gè)環(huán)路的輸入信號(hào)分別為VinMon、LinMon和Templ，這3路信號(hào)經(jīng)過12位分辨率的A／D轉(zhuǎn)換器(圖中ADC1)在260 ksps頻率下采樣，采樣后數(shù)字信號(hào)經(jīng)過比較器，比較器輸出來控制補(bǔ)償濾波器IIR，高濾波器為3極點(diǎn)和3零點(diǎn)濾波器，具有較多的線性相位。補(bǔ)償濾波器在ARM控制下輸出高分辨率的PWM波形，通過有效改變PWM波形來實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)芯片UCD7242的控制，來調(diào)整UCD7242的輸出電壓和電流，實(shí)現(xiàn)電源的數(shù)字控制。

UCD9222內(nèi)部集成一個(gè)6位的低速A／D轉(zhuǎn)換器(圖中ADC2)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓EAP1／EAN1的反饋跟蹤。內(nèi)部溫度感應(yīng)器感知芯片溫度變化，提供超范圍溫度的輸出功率關(guān)斷功能，避免錯(cuò)誤情況下輸出高功率，燒毀器件。
UCD9222整個(gè)芯片的管理由內(nèi)部ARM核完成。該ARM核程序固定，用戶不能操作。用戶唯一可以操作的是配置UCD9222的各種參數(shù)，這些參數(shù)主要包括輸出電壓、輸出電流，以及各種控制參數(shù)。這些參數(shù)都可以通過UCD9222的軟件配置工具Fusion Design來完成，配置后的軟件通過PMBus總線接口燒寫到UCD9222的內(nèi)部Flash中。上電由ARM讀取這些參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)來配置芯片，按照規(guī)定輸出電流電壓。
UCD9222具有一個(gè)VID接口，VID接口是SmartReflex技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)接口，通過該接口實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗的檢測(cè)。
UCD9222為PWM波形控制芯片，其本身不提供電源轉(zhuǎn)換功能。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源的電壓轉(zhuǎn)換，UCD9222必須外接電源轉(zhuǎn)換芯片。TI公司提供專門為UCD9222配套的多款轉(zhuǎn)換芯片，UCD7242為其中一款，可以提供兩路輸出電壓。

UCD9222的硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。圖中，PMBus的4根總線必須連接出來，供UCD9222的軟件設(shè)置使用。UCD9222和UCD7242的連接非常簡(jiǎn)單，每路只需要3個(gè)引腳，分別為FF-1A、PWM-1A、Isense-1A。其中PWM-1A為PWM電壓控制信號(hào)，該波形需要根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、工作電流來設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)通過PMBus總線寫入到UCD9222中。FF-1A和Isense-1A分別是電壓監(jiān)控和電流監(jiān)控引腳，一旦電壓和電流超過設(shè)定值，UCD9222將關(guān)斷輸出，起到保護(hù)電路的作用。如果電壓或者電流低于設(shè)定值(在負(fù)載突然增大情況下)，UCD9222將提高PWM的占空比，以便提供更大的功率，確保負(fù)載電壓不降低，保證系統(tǒng)正常工作。如果系統(tǒng)的負(fù)載芯片(例如DSP、FPGA、ARM等)具有VID接口，可以將其VID接口直接連接到UCD9222。因?yàn)樨?fù)載芯片一般為處理器，也具有較強(qiáng)的電壓電流檢測(cè)能力，所以負(fù)載芯片可以自主將控制參數(shù)通過VID寫入到UCD9222，來主動(dòng)控制電壓電流的變化。

UCD7242的硬件電路設(shè)計(jì)如圖4所示。需要注意的是，由于數(shù)字電源一般都提供給對(duì)電壓要求非常高的處理芯片，例如DDR3、高速接口，以及多核處理器等。因此，其電壓輸出引腳要旁通多個(gè)不同容值和不同封裝的電容，如圖4中的CVDD和VDD1V0引腳。
根據(jù)圖4中硬件設(shè)計(jì)，需要計(jì)算負(fù)載電容和負(fù)載電感。計(jì)算公式如下：

式中，VPPQ為輸出的紋波電壓，電路設(shè)計(jì)中不大于10mV；I為輸出電流，兩路輸出分別為5A和8 A；fs為開關(guān)頻率，設(shè)計(jì)中為750kHz；Vin為12V輸入電壓，Vout為輸出電壓，兩路均為1V。根據(jù)式(1)和(2)，計(jì)算得到VCC1V0輸出的負(fù)載電容和負(fù)載電感分別為83.3μF和0.243μH；CV DD輸出的負(fù)載電容和負(fù)載電感分別為133．3μF和0．152μH。實(shí)際電路中，也可以通過修改開關(guān)頻率、負(fù)載電容和負(fù)載電感來調(diào)節(jié)輸出紋波電壓VPPQ。但式(1)和(2)是UCD7242正常工作曲線，如果紋波設(shè)置低于芯片工作范圍，將不受上式控制。

3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)的主要工作就是對(duì)UCD9222的參數(shù)進(jìn)行配置?？梢酝ㄟ^PMBus總線直接進(jìn)行配置，但這需要用戶非常熟悉UCD9222的寄存器設(shè)置。為了方便用戶，TI公司提供了免費(fèi)的圖形化的配置軟件，用戶下載安裝FusionDigital Power Designer System，并購(gòu)買USB接口轉(zhuǎn)PMBus接口數(shù)據(jù)線，就可以完成對(duì)UCD9222的寄存器設(shè)置、編程、讀寫等所有的工作。軟件設(shè)計(jì)完成后，會(huì)給出相關(guān)的電壓、電流、相位等曲線圖。圖5為輸出幅頻特性曲線，圖6為輸出相頻特性曲線。圖中設(shè)置參數(shù)為輸入電壓12 V、輸出電壓1 V、輸出電流8 A。

圖5中曲線1為比較補(bǔ)償器輸出的幅頻曲線，可以看出，補(bǔ)償器直接的輸出在各個(gè)頻率段反映的幅度不一致，變化很大。圖6中，曲線1，在低頻段(低于1 kHz)具有較好的線性相位關(guān)系，在高于1 kHz后，呈現(xiàn)較大的非線性關(guān)系，而且有很明顯的超調(diào)現(xiàn)象。電壓在各個(gè)頻段具有較大的幅度變化，將影響電路中其他器件的性能(如影響A／D轉(zhuǎn)換精度)。電壓在各個(gè)頻率段具有非線性相位，也將影響電路中其他器件性能(如影響FIR濾波器的幅頻特性)。
為了解決這些問題，UCD7242使用跟蹤環(huán)路，實(shí)時(shí)跟蹤曲線1的變化關(guān)系，如圖5、圖6中曲線2所示。從圖中可以看出，曲線2很好地跟蹤上信號(hào)的相位變化，幅度變化關(guān)系也可以很好跟蹤上，只是存在一個(gè)固定的比例(幅度跟蹤不一致是由跟蹤器和補(bǔ)償器阻抗不一致引起的)。
使用跟蹤后的曲線2對(duì)曲線1進(jìn)行校準(zhǔn)后，得到最終的輸出電壓曲線，如圖5、圖6中的曲線3所示。曲線3就可以看到比較穩(wěn)定的幅度和相位變化關(guān)系。該曲線在大部分頻率段具有較好的直流特性，對(duì)系統(tǒng)影響較小，而且自身也具有較好的直流關(guān)系，使得反饋控制更加準(zhǔn)確和快速。

結(jié)語(yǔ)
數(shù)字技術(shù)在電源設(shè)計(jì)方面的引入使得數(shù)字電源成為可能，芯片化后的數(shù)字電源設(shè)計(jì)方法非常簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品具有體積小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了一種基于TI公司UCD系列數(shù)字電源套片的數(shù)字電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)可以提供給多核DSP及高速的DDR3應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，達(dá)到了預(yù)期的電源設(shè)計(jì)目的。