智能化数字电源系统的优化设计

摘  要：介绍了数字电源系统的主要特点及发展现状，简要分析了组成系统的各类芯片的性能特点及工作原理，重点阐述数字电源系统的电路设计。为实现数字电源系统的优化设计提供了具体方案。
关键词：数字电源；数字信号处理器；微控制器；故障管理；过电流保护；数字控制

0 引言
    目前，开关电源正朝着智能化、数字化的方向发展。最近刚问世的智能数字电源系统以其优良的特性和完备的监控功能，正引起人们的关注。数字电源提供了智能化的适应性与灵活性，具备直接监控、处理并适应系统条件的能力，能满足任何复杂的电源要求。此外，数字电源还可通过远程诊断来确保系统长期工作的可靠性，包括故障管理、过电流保护以及避免停机等。

1 数字电源系统的主要特点及发展现状
l.1 数字电源系统的主要特点
    数字电源系统具有以下特点。

    1)它是以数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)为核心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。传统的由微控制器(μP或μC)控制的开关电源，一般只是控制电源的启动和关断，并非真正意义的数字电源。

    2)采用“整合数字电源”(Fusion Digital Power)技术，实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。例如，功率级所用的模拟组件——MOSFET驱动器，可以很方便地与数字电源控制器相连并实现各种保护及偏置电源管理，而PWM控制器也属于数控模拟芯片。

    3)高集成度，实现了电源系统单片集成化(Power system on chip)，将大量的分立式元器件整合到一个芯片或一组芯片中。

    4)能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使所设计的数字电源达到高技术指标。例如，其脉宽调制(PWM)分辨力可达150ps(10-12s)的水平，这是传统开关电源所望尘莫及的。数字电源还能实现多相位控制、非线性控制、负载均流以及故障预测等功能，为研制绿色节能型开关电源提供了便利条件。

    5)便于构成分布式数字电源系统。

1.2 数字电源系统的发展现状
    随着现代科技事业的发展及开关电源市场的需求，在21世纪初国际上开始研制数字电源系统。2005年3月，美国德州仪器公司(TI)宣布推出具有创新型的数字电源产品，不仅能显著提高电源系统的性能，还可大幅度延长其使用寿命。该公司还展示了Fusjon Digital Powe解决方案，以证明数字电源系统能以极具竞争力的低成本，实现高性能指标及设计灵活性。

    该解决方案包括以下3类芯片：
    1)UCD7K系列数字电源驱动器(含UCD7100和UCD7201)；
    2)UCD8K系列PWM控制器(含UCD8620和UCD8220)；
    3)UCD9K系列数字信号处理器(UCD9110／9501)。

    上述芯片已形成系列化产品，于2005年秋季正式销售。该产品支持包括从AC线路到负载的电源系统，可广泛用于电信设施、计算机服务器、数据中心电源系统及不间断电源(UPS)等。

2 数字电源系统的基本构成
2.l 数字电源驱动器
    UCD7100／7201均属于数字控制电源驱动器芯片，二者的区别是UCD7100为单端输出，UCD7201为双端输出，额定输出电流均为±4A，可驱动MosFET开关功率管，均可适配UCD9110／9501型数字控制器。主控制器可监控其输出电流，快速检测过流故障并迅速关断电源，检测周期仅为25ns。

    现以UCD7100为例，其内部框图如图1所示。

    主要包括3．3 v电压调整器及基准电压源、触发器、施密特比较器、欠压关断电路、控制门、TrueDrive驱动器。“TrueDrive”(真驱动)为TI公司的专有技术，它是由并联双极性晶体管和MOSFET管组成上拉/下拉电路构成的混合输出级。其优点是驱动能力强，在低电压时也能正常输出，并能在极低输出阻抗下控制外部功率MOSFET的过压、欠压保护，功率MOSFET不需要接起保护作用的肖特基钳位二极管。UCD7100能在几百ns的时间内给MOSTFET的栅极提供一个高峰值电流，快速开启驱动器。UCD7100的高阻抗数字输入端(IN)能接收3．3v逻辑电平、最高开关频率达2MHz的信号。利用施密特比较器能将内部电路与外部噪音隔离。若控制器的PWM输出停在高电平上并发生过电流故障，电流检测电路就关断驱动器的输出，系统可进入重试模式。通过DSP或MCU内部的看门狗电路，能重新启动芯片。UCD7100内部的3．3 v／lOmA电压调整器可作为数字控制器的电源。

2．2 PWM控制器
    UCD8220／8620是受DSP，或MCU数字控制的双端推挽式PWM控制器。二者区别是UCD8220可利用48V低压启动，UCD8620内部增加了110V高压启动电路。UCD8220的内部框图如图2所示。

    主要包括3．3v电压调整器及基准电压源、脉宽调制器(PWM)、驱动逻辑、推挽式驱动器、欠压关断电路、限流电路、电流检测电路。UCD8220／8620可运行在峰值电流模式或电压模式，不仅能对极限电流进行编程，还输出一个能受主控制器监控的极限电流数字标志。UCD8220／8620的时序工作波形如图3所示。

2．3 数字信号处理器(DSP)
    UCD9501是TI公司专为数字电源系统配套的数字信号处理器，其同类产品还有TMS320F2808，TMS320F2806。它们内部主要包含100MHz的32位CPU、时钟振荡器、3个32位定时器、看门狗电路、内部／外部中断控制器、SCI总线、SPI总线、CAN总线及I C总线接口、l2路PWM信号输出、系统控制器、16通道12位。ADC、16K×16 Flash、6K×16 SARAM、1K×16ROM。它采用标准的3.3v输入／输出接口，与UCD8K系列完全兼容。利用Power PADTM HTSSOP，和QFN软件包可进行编程。

3 智能化数字电源系统的电路设计
    智能化数字电源系统可由PWM、电源驱动器、DSP、接口电路、显示器和键盘6部分组成。系统框图如图4所示。

    图中的数字信号处理器UCD9501通过接口芯片与键盘和显示器相连，用户 不仅能从显示器上观察到当前的电源参数，还可通过键盘随时修改电源参数。

    为简化配置，也可由数字信号处理器(UCD9501)和数字控制电源驱动器(UCD7100)构成智能化数字电源系统，电路如图5所示。

    交流电压经过整流滤波后获得的+36～72 v直流输入电压U1，接高频变压器的初级绕组；还经过R1、R2分压后，分别接UCD9501的模拟输入端AN1及AN2。初级绕组的另一端接功率MOSFET。R3为限流电阻。R4为电流检测电阻。偏置绕组的输出电压通过VD1、C1整流滤波后得到+12v的直流偏压，接UCD7100的电源端(UDD)。UCD7100输出的3．3 v电压为UCD9501提供电源。次级整流滤波电路由VD2、L和C2组成，VD3为续流二极管，UD为直流输出电压。从UCD9501输出的脉宽调制信号(PWMA)送至UCD7100的IN端。UCD7100的极限电流标志端(CLF)接UCD9501的中断端(INT)，极限电流设定端(ILIM)接UCD9501的GMTR端。利用光耦隔离放大器可将输出级与输入级进行隔离。

    当UDD=12V，UCD7100的负载电容CLOAD=10nF,开关频率f=300kHz时，偏置功耗为P=CLOADUDD2=10nF*(12v)2*300kHz=0.432W。偏置电流I=P/UDD=0.432W/12V=0.036A。

    若采用UCD7201，则可驱动两只外部功率MOSFET。此外还可用UCD9501和UCD8620组成数字电源系统。

4 结语
    数字电源系统具有高集成度、高性价比、电源管理功能完善、外围电路简单、能面向用户设计等显著优点，为实现智能化电源系统的优化设计创造了有利条件。