智能化數(shù)字電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

介紹了數(shù)字電源系統(tǒng)的主要特點(diǎn)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(diǎn)及工作原理，重點(diǎn)闡述數(shù)字電源系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了具體方案。
關(guān)鍵詞：數(shù)字電源；數(shù)字信號(hào)處理器；微控制器；故障管理；過電流保護(hù)；數(shù)字控制

0 引言
目前，開關(guān)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(guān)注。數(shù)字電源提供了智能化的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)控、處理并適應(yīng)系統(tǒng)條件的能力，能滿足任何復(fù)雜的電源要求。此外，數(shù)字電源還可通過遠(yuǎn)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(hù)以及避免停機(jī)等。

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

1)它是以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器及PWM控制器作為控制對(duì)象而構(gòu)成的智能化開關(guān)電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的由微控制器(μP或μC)控制的開關(guān)電源，一般只是控制電源的啟動(dòng)和關(guān)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(shù)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。例如，功率級(jí)所用的模擬組件——MOSFET驅(qū)動(dòng)器，可以很方便地與數(shù)字電源控制器相連并實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)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(shí)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(gè)芯片或一組芯片中。

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

5)便于構(gòu)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(guān)電源市場的需求，在21世紀(jì)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(chǎn)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(shí)現(xiàn)高性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)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(hào)處理器(UCD9110／9501)。

上述芯片已形成系列化產(chǎn)品，于2005年秋季正式銷售。該產(chǎn)品支持包括從AC線路到負(fù)載的電源系統(tǒng)，可廣泛用于電信設(shè)施、計(jì)算機(jī)服務(wù)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(gòu)成
2.l 數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器
UCD7100／7201均屬于數(shù)字控制電源驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)MosFET開關(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，快速檢測過流故障并迅速關(guān)斷電源，檢測周期僅為25ns。

現(xiàn)以UCD7100為例，其內(nèi)部框圖如圖1所示。

主要包括3．3 v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、TrueDrive驅(qū)動(dòng)器。“TrueDrive”(真驅(qū)動(dòng))為TI公司的專有技術(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ns的時(shí)間內(nèi)給MOSTFET的柵極提供一個(gè)高峰值電流，快速開啟驅(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)生過電流故障，電流檢測電路就關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器的輸出，系統(tǒng)可進(jìn)入重試模式。通過DSP或MCU內(nèi)部的看門狗電路，能重新啟動(dòng)芯片。UCD7100內(nèi)部的3．3 v／lOmA電壓調(diào)整器可作為數(shù)字控制器的電源。

2．2 PWM控制器
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低壓啟動(dòng)，UCD8620內(nèi)部增加了110V高壓啟動(dòng)電路。UCD8220的內(nèi)部框圖如圖2所示。

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)序工作波形如圖3所示。

2．3 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)
UCD9501是TI公司專為數(shù)字電源系統(tǒng)配套的數(shù)字信號(hào)處理器，其同類產(chǎn)品還有TMS320F2808，TMS320F2806。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、看門狗電路、內(nèi)部／外部中斷控制器、SCI總線、SPI總線、CAN總線及I C總線接口、l2路PWM信號(hào)輸出、系統(tǒng)控制器、16通道12位。ADC、16K×16 Flash、6K×16 SARAM、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。

3 智能化數(shù)字電源系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)
智能化數(shù)字電源系統(tǒng)可由PWM、電源驅(qū)動(dòng)器、DSP、接口電路、顯示器和鍵盤6部分組成。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖中的數(shù)字信號(hào)處理器UCD9501通過接口芯片與鍵盤和顯示器相連，用戶 不僅能從顯示器上觀察到當(dāng)前的電源參數(shù)，還可通過鍵盤隨時(shí)修改電源參數(shù)。

為簡化配置，也可由數(shù)字信號(hào)處理器(UCD9501)和數(shù)字控制電源驅(qū)動(dòng)器(UCD7100)構(gòu)成智能化數(shù)字電源系統(tǒng)，電路如圖5所示。

智能化數(shù)字電源系統(tǒng)的典型電路

交流電壓經(jīng)過整流濾波后獲得的+36～72 v直流輸入電壓U1，接高頻變壓器的初級(jí)繞組；還經(jīng)過R1、R2分壓后，分別接UCD9501的模擬輸入端AN1及AN2。初級(jí)繞組的另一端接功率MOSFET。R3為限流電阻。R4為電流檢測電阻。偏置繞組的輸出電壓通過VD1、C1整流濾波后得到+12v的直流偏壓，接UCD7100的電源端(UDD)。UCD7100輸出的3．3 v電壓為UCD9501提供電源。次級(jí)整流濾波電路由VD2、L和C2組成，VD3為續(xù)流二極管，UD為直流輸出電壓。從UCD9501輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)(PWMA)送至UCD7100的IN端。UCD7100的極限電流標(biāo)志端(CLF)接UCD9501的中斷端(INT)，極限電流設(shè)定端(ILIM)接UCD9501的GMTR端。利用光耦隔離放大器可將輸出級(jí)與輸入級(jí)進(jìn)行隔離。

當(dāng)UDD=12V，UCD7100的負(fù)載電容CLOAD=10nF,開關(guān)頻率f=300kHz時(shí)，偏置功耗為P=CLOADUDD2=10nF*(12v)2*300kHz=0.432W。偏置電流I=P/UDD=0.432W/12V=0.036A。

若采用UCD7201，則可驅(qū)動(dòng)兩只外部功率MOSFET。此外還可用UCD9501和UCD8620組成數(shù)字電源系統(tǒng)。

4 結(jié)語
數(shù)字電源系統(tǒng)具有高集成度、高性價(jià)比、電源管理功能完善、外圍電路簡單、能面向用戶設(shè)計(jì)等顯著優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)智能化電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了有利條件。