智能化数字电源系统的优化设计

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  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

  1.1 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。