智能化數字電源系統的優化設計

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

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

1 數字電源系統的主要特點及發展現狀
1.1 數字電源系統的主要特點
??? 數字電源系統具有以下特點。

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

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

??? 3)高集成度，實現了電源系統單片集成化(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)能充分發揮數字信號處理器及微控制器的優勢，使所設計的數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，這是傳統開關電源所望塵莫及的。數字電源還能實現多相位控制、非線性控制、負載均流以及故障預測等功能，為研制綠色節能型開關電源提供了便利條件。

??? 5)便于構成分布式數字電源系統。

1.2 數字電源系統的發展現狀
??? 隨著現代科技事業的發展及開關電源市場的需求，在21世紀初國際上開始研制數字電源系統。2005年3月，美國德州儀器公司(TI)宣布推出具有創新型的數字電源產品，不僅能顯著提高電源系統的性能，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，以證明數字電源系統能以極具競爭力的低成本，實現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，可廣泛用于電信設施、計算機服務器、數據中心電源系統及不間斷電源(UPS)等。

2 數字電源系統的基本構成
2.l 數字電源驅動器
??? UCD7100／7201均屬于數字控制電源驅動器芯片，二者的區別是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型數字控制器。主控制器可監控其輸出電流，快速檢測過流故障并迅速關斷電源，檢測周期僅為25ns。

??? 現以UCD7100為例，其內部框圖如圖1所示。

??? 主要包括3．3 v電壓調整器及基準電壓源、觸發器、施密特比較器、欠壓關斷電路、控制門、TrueDrive驅動器。“TrueDrive”(真驅動)為TI公司的專有技術，它是由并聯雙極性晶體管和MOSFET管組成上拉/下拉電路構成的混合輸出級。其優點是驅動能力強，在低電壓時也能正常輸出，并能在極低輸出阻抗下控制外部功率MOSFET的過壓、欠壓保護，功率MOSFET不需要接起保護作用的肖特基鉗位二極管。UCD7100能在幾百ns的時間內給MOSTFET的柵極提供一個高峰值電流，快速開啟驅動器。UCD7100的高阻抗數字輸入端(IN)能接收3．3v邏輯電平、最高開關頻率達2MHz的信號。利用施密特比較器能將內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生過電流故障，電流檢測電路就關斷驅動器的輸出，系統可進入重試模式。通過DSP或MCU內部的看門狗電路，能重新啟動芯片。UCD7100內部的3．3 v／lOmA電壓調整器可作為數字控制器的電源。

2．2 PWM控制器
??? UCD8220／8620是受DSP，或MCU數字控制的雙端推挽式PWM控制器。二者區別是UCD8220可利用48V低壓啟動，UCD8620內部增加了110V高壓啟動電路。UCD8220的內部框圖如圖2所示。

??? 主要包括3．3v電壓調整器及基準電壓源、脈寬調制器(PWM)、驅動邏輯、推挽式驅動器、欠壓關斷電路、限流電路、電流檢測電路。UCD8220／8620可運行在峰值電流模式或電壓模式，不僅能對極限電流進行編程，還輸出一個能受主控制器監控的極限電流數字標志。UCD8220／8620的時序工作波形如圖3所示。

2．3 數字信號處理器(DSP)
??? UCD9501是TI公司專為數字電源系統配套的數字信號處理器，其同類產品還有TMS320F2808，TMS320F2806。它們內部主要包含100MHz的32位CPU、時鐘振蕩器、3個32位定時器、看門狗電路、內部／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信號輸出、系統控制器、16通道12位。ADC、16K×16 Flash、6K×16 SARAM、1K×16ROM。它采用標準的3.3v輸入／輸出接口，與UCD8K系列完全兼容。利用Power PADTM HTSSOP，和QFN軟件包可進行編程。

3 智能化數字電源系統的電路設計
??? 智能化數字電源系統可由PWM、電源驅動器、DSP、接口電路、顯示器和鍵盤6部分組成。系統框圖如圖4所示。

??? 圖中的數字信號處理器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前的電源參數，還可通過鍵盤隨時修改電源參數。

??? 為簡化配置，也可由數字信號處理器(UCD9501)和數字控制電源驅動器(UCD7100)構成智能化數字電源系統，電路如圖5所示。

智能化數字電源系統的典型電路

??? 交流電壓經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繞組；還經過R1、R2分壓后，分別接UCD9501的模擬輸入端AN1及AN2。初級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。次級整流濾波電路由VD2、L和C2組成，VD3為續流二極管，UD為直流輸出電壓。從UCD9501輸出的脈寬調制信號(PWMA)送至UCD7100的IN端。UCD7100的極限電流標志端(CLF)接UCD9501的中斷端(INT)，極限電流設定端(ILIM)接UCD9501的GMTR端。利用光耦隔離放大器可將輸出級與輸入級進行隔離。

??? 當UDD=12V，UCD7100的負載電容CLOAD=10nF,開關頻率f=300kHz時，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，則可驅動兩只外部功率MOSFET。此外還可用UCD9501和UCD8620組成數字電源系統。

4 結語
??? 數字電源系統具有高集成度、高性價比、電源管理功能完善、外圍電路簡單、能面向用戶設計等顯著優點，為實現智能化電源系統的優化設計創造了有利條件。