数字电源

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数字电源主要是 开关电源 的外特性。一是指数字电源的“通信”功能,二是指数字电源的“数控”功能,三是指数字电源对温度等参数监测功能。

定义和特点

定义

目前,数字电源有多种定义。

定义一:通过数字接口控制的开关电源(它强调的是数字电源的“通信”功能)。

定义二:具有数字控制功能的开关电源(它强调的是数字电源的“数控”功能)。

定义三:具有数字监测功能的开关电源(它强调的是数字电源对温度等参数的“监测”功能)。

上述三种定义的共同特点是“模拟开关电源的改造升级”,所强调的是“电源控制”,其控制对象主要是开关电源的外特性。

定义四: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、 PWM控制器 等作为控制对象,能实现控制、管理和监测功能的电源产品。它是通过设定开关电源的内部参数来改变其外在特性,并在“电源控制”的基础上增加了“电源管理”。所谓电源管理是指将电源有效地分配给系统的不同组件,最大限度地降低损耗。数字电源的管理(如电源排序)必须全部采用数字技术。

与传统的模拟电源相比,数字电源的主要区别是控制与通信部分。在简单易用、参数变更要求不多的应用场合,模拟电源产品更具优势,因为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现,而在可控因素较多、实时反应速度更快、需要多个模拟系统电源管理的、复杂的高性能系统应用中,数字电源则具有优势。

此外,在复杂的多系统业务中,相对模拟电源,数字电源是通过软件编程来实现多方面的应用,其具备的可扩展性与重复使用性使用户可以方便更改工作参数,优化电源系统。通过实时过电流保护与管理,它还可以减少外围器件的数量。

数字电源有用DSP控制的,还有用MCU控制的。相对来讲,DSP控制的电源采用数字滤波方式,较MCU控制的电源更能满足复杂的电源需求,而且实时反应速度更快、电源稳压性能更好。

特点

1.控制智能化

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.数模组件组合优化

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.集成度高

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.控制精度高

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.模块化程度高

数字电源模块化程度高,各模块之间可以方便地实现有机融合,便于构成分布式数字电源系统,提高电源系统的可靠性。

基本原理

数字电源的关键是电源管理、控制信号的数字化处理,其基本要求是:在保障稳定性的前提下,具有快速性、平稳性和准确性。下面以负载点变换器(POL)为例说明数字电源控制功能的实现原理和方法。

负载点变换器(POL)通常用于将直流输入电压(一般为5V~12V)调节成适用于负载要求的直流输出电压(0.7V~3.3V)。例如,在典型的基于降压(Buck) 开关变换器 的电路中,Buck变换器包含一个 脉冲宽度调制 (PWM) 主控制芯片 ,一对主功率开关和一个由储能电感和电容构成的低通滤波器。在脉冲宽度调制控制芯片中,一个电阻分压器对电源的输出电压进行采样,误差放大器将该输出电压与直流参考电压进行比较从而产生电压误差信号,误差信号是一个强度与所需的输出电压校正成正比的模拟信号。通过具有某种控制规律的误差补偿器(Compensator)进行放大后,其输出进入脉宽调制器(PWM),经过与载波(通常为锯齿波或三角波)比较之后产生脉冲波,从而控制功率开关(通常为 MOSFET )的导通与关断。由于MOSFET具有较大的输入门电容,因此驱动器电路有必要有效率地导通和关断它们。另有固定电阻电容网络一般会作为补偿回路,以确保动态响应和稳定性之间的正常平衡。

电源的两个其它主要部分是输入和输出滤波器网络。这些部分由 感应器 、电容和电阻构成,可以提供数种功能。 输入滤波器 有助于保护电源不受电源电压瞬态的影响,在动态负载变化过程中提供一些能量存储,并附带滤波器网络以使电源满足其输入引起的发射规范。输出滤波器稳定输出电压以确保电源满足其 纹波 和噪声规范,此外还存储能量以帮助维护负载电路的动态电流要求。重要的是,对于模拟或数字控制结构而言,输入和输出滤波器以及电源器件将基本上保持相同。

在典型的数字电源控制系统结构中,输出电压感应排列类似于模拟系统。但是,模数转换器( ADC )代替了模拟系统的误差放大器,从而将感应到的模拟电压值转换成二进制数。除了输出电压之外,了解电源的输出电流和温度等其它模拟参数也非常有用。虽然独立的ADC可以感应每个参数,但是采用单个ADC并在它前面加设一个 多路复用 路往往是更加常用的方法。 多路复用器 ( MUX )则将在要测量的模拟输入之间切换,并依次将每个输入发送至ADC.

由于MUX和ADC的采样速率是固定的,因此ADC对每个参数都输出一系列数字,每个数字由己知的时间段分隔。这些值供给为系统提供处理能力的微控制器。卡上程序内存存储着微控制器的控制算法,这些算法负责执行一系列有关ADC的输出值的计算。这些计算的结果包括误差信号、想要的驱动器级脉宽、各种驱动器输出的最佳延迟值以及回路补偿等参数。有了这些参数,数字脉宽调制器(DPWM)就可以通过驱动后控制外接的功率MOSFET,而电源管理部分也可以通过一定的接口及协议与外界通信了。模拟系统的外部回路补偿元件此时变得不再是必需的。输出电压、输出电流和温度限制等参数的参考值在生产期间被保存在 非易失性内存 中,或者可以通过 PMBus 输入。在系统启动时,数据会由EEPROM下载到数据内存中,主芯片据此控制模块的工作状态。同时,可以通过一定的 外部操作 来重新读入EEPROM中的默认设置。

优势与不足

数字电源正是为了克服现代电源的复杂性而提出的,它实现了数字和模拟技术的融合,提供了很强的适应性与灵活性,具备直接监视、处理并适应系统条件的能力,能够满足几乎任何电源要求。数字电源还可通过远程诊断以确保持续的系统可靠性,实现故障管理、过电压(流)保护、自动冗余等功能。由于数字电源的集成度很高,系统的复杂性并不随功能的增加而增加过多,外围器件很少(数字电源的快速响应能力还可以降低对输出 滤波电容 的要求),减少了占板面积,简化了设计制造流程。同时,数字电源的自动诊断、调节的能力使调试和维护工作变得轻松。

数字电源管理芯片易于在多相以及同步信号下进行多相式并联应用,可扩展性与重复性优秀,轻松实现负载均流,减少EMI,并简化滤波电路设计。数字控制的灵活性能把电源组合成串联或并联模型,形成虚拟电源。而且,数字电源的智能化可保证在各种输入电压和负载点上都具有最优的功率转换效率。

相对模拟控制技术,数字技术的独特优势还包括在线可编程能力、更先进的控制算法、更好的效率优化、更高的操作精确度和可靠性、优秀的系统管理和互联功能。数字电源不存在模拟电源中常见的误差、老化(包括模拟器件的精度)、温度影响、漂移、补偿等问题,无须调谐、可靠性好,可以获得一致、稳定的控制参数。数字电源的运算特性使它更易于实现非线性控制(可改善电源的瞬态响应能力)和多环路控制等高级控制算法;更新固件即可实现新的拓扑结构和控制算法,更改电源参数也无须变更板卡上的元器件。

数字控制还能让硬件平台重复使用,通过设计不同固件即可满足各种最终系统的独特要求,从而加快产品上市,减少开发成本、元器件库存与风险。

数字电源已经表现出相当多的优点,但仍有一些缺点需要克服。例如,模拟控制对信号状态的反应是瞬时的,而数字电源需要一个采样、量化和处理的过程来对负载的变化做出反馈,因此它对负载变化的响应速度目前还比不上模拟电源。数字电源的占板面积要大于模拟电源,精度和效率也比模拟电源稍差。虽然数字控制方法的优点在负载点(POL)系统中非常明显,但模拟电源在分辨率、带宽、与功率元件的电压兼容性、功耗、 开关频率 和成本(在简单应用中)等方面仍然占有优势。不过,如果考虑到数字电源解决方案具有的优点,使用模拟电路搭建功能相似的电路,成本并不一定就比数字电源低。

数字电源中包含的技术无疑是复杂的,但它的使用并不一定就复杂。不过它要求设计人员具有一定的程序设计能力,而目前的电源设计人员普遍都是模拟设计为主,缺乏编程方面的训练。这对数字电源的推广也造成了一定的障碍。

人们对数字电源还有一个担心就是它还不像模拟电源那样经过多年应用的考验,因而可靠性不高。但就像数字电路在概念上就优于模拟电路一样,可靠性是设计的问题,而不是数字化的问题。

不过,成本显然是约束数字电源广泛应用的一个主要因素。由于数字实现方式的成本看似高于相似的模拟实现方式,而且人们对于数字电源产品的采用存在顾虑,所以,从用户的角度来说,也只有当数字电源的成本等于或低于模拟电源(因为成本是中国市场考虑的第一市场因素),同时又能提供模拟电源做不到的许多先进功能的时候,数字电源才会被考虑。综上所述,在简单易用、参数变更不多的应用场合,模拟电源产品更具优势,因为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现。而在可控因素较多、需要更快实时反应速度、需要管理多个电源、复杂的高性能系统应用中,数字电源则具有优势。

组成结构

数字电源的关键数字器件有数字电源驱动器、数字电源PWM控制器和数字信号处理器等。

(一)驱动器

目前,数字控制电源驱动器芯片中比较典型的应用有美国德州仪器公司(TI)公司的UCD7100/7201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,该芯片主要包括3.3V 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、True Drive驱动器等部分组成。“True Drive”(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FIS的时间内给MOSFET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,能重新启动片。UCD7100内部的3.3V/10mA电压调整器可作为数字控制器的电源。

(二)控制器

美国德州仪器公司(TI)公司的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。

该芯片主要包括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。

(三)处理器

目前,专为数字电源系统配套的数字信号处理器有美国德州仪器公司(TI)公司的UCD9501、TMS320F2808和TMS320F2806等。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I2C总线接口、12路PWM信号输出、系统控制器、16通道12位ADC、16K×16Flash、6K×16SARAM、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。

监视

在启动和停机之间,数字电源器件起什么作用呢?两种核心功能是监控和遥测。监控是一种快速动作安全功能,其可防止器件和/或负载受损。遥测是一种持续的质量管理功能。以下是上述两种功能对于数字电源有以下好处:

● 优化

预见性维护

● 故障检测

在这我们来看看一种典型的POL内部架构,并研究其对电源系统设计的影响。

POL内部架构

图1示出了具有3个主要功能块的简化POL。

监控器

● 监视器

● 数字处理单元

数字处理单元是“大脑”(未示出的是内核电源转换)。数字处理单元负责处理PMBus和CONTROL输入,并把POWER_GOOD和FAULT/置为有效。

大多数器件都具有多个这样的POL,不过为简单起见,我们可以插入输入和输出。

图1:POL结构

POL结构

中文名
数字电源
定义一
定义二
定义三