如何選擇數(shù)字電源集成電路(IC)

Other Parts Discussed in Post:UCD3138, POWERSUITE, CONTROLSUITE, SFRA, TMS320F28035, TMS320F28335, TMS320F2812, TMS320F2809, UCD3138064, UCD3138128, TPS53915, TPS544B20, TPS544C20

作者：

Dave Freeman，首席技術(shù)官 (CTO)，高壓電源解決方案

Peggy Liska，數(shù)字電源與太陽(yáng)能產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)，C2000TM微控制器

Mark Ng（吳萬(wàn)邦），工業(yè)類(lèi)隔離電源市場(chǎng)經(jīng)理，UCD3138數(shù)字電源控制器

George Lakkas，線路電源解決方案，電源管理

Jim Bird，保護(hù)電路，線性電源

引言：隨著工程師們對(duì)數(shù)字電源這項(xiàng)技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)的熟知，各式各樣的數(shù)字電源的發(fā)展勢(shì)頭日益強(qiáng)勁。

電源系統(tǒng)和電源設(shè)計(jì)人員已經(jīng)意識(shí)到，部署數(shù)字電源并不是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行革命性轉(zhuǎn)變的全新設(shè)計(jì)。由于目前市場(chǎng)上數(shù)字電源器件種類(lèi)繁多，設(shè)計(jì)人員可以立即利用其巨大優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用到任一設(shè)計(jì)項(xiàng)目。可以于此獲得極有價(jià)值并且相當(dāng)豐富的收益。

數(shù)字電源尺寸和成本概述

數(shù)字電源利用混合信號(hào)處理開(kāi)發(fā)的發(fā)展演進(jìn)?；旌闲盘?hào)處理同時(shí)滿足了數(shù)字電路與模擬電路的需要。數(shù)字電路的范圍很廣，其中包括微處理器、狀態(tài)機(jī)以及通信外設(shè)和簡(jiǎn)單邏輯電路。存儲(chǔ)器也包含在這個(gè)部分中。模擬電路可以包括運(yùn)算放大器和比較器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 脈寬調(diào)制器 (PWM) 發(fā)生器和基準(zhǔn)，以及更多其它器件。

對(duì)這一處理技術(shù)的充分利用能讓這些器件優(yōu)化模擬與數(shù)字電路的分配，同時(shí)又將這些器件集成在一個(gè)芯片上。通過(guò)減少物料清單 (BOM) 成本和器件數(shù)量可以降低系統(tǒng)成本，并且由于系統(tǒng)中所包含的互連組件減少，系統(tǒng)會(huì)更加可靠。由于一個(gè)控制器有可能服務(wù)于很多解決方案，制造商需要跟蹤和儲(chǔ)備的最小庫(kù)存單位 (SKU) 更少。

舉個(gè)例子，集成一個(gè)多用途微控制器 (MCU) 既能夠執(zhí)行一定范圍的電源相關(guān)功能，能夠免除了對(duì)于其它獨(dú)立控制芯片的需要?？梢詾榧尚蚆CU設(shè)定許多電源管理特性，諸如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流條件和其它功能。根據(jù)數(shù)字MCU處理能力的不同，數(shù)字電源器件可被設(shè)定為包含多種電源轉(zhuǎn)換特性，諸如簡(jiǎn)單到復(fù)雜拓?fù)渲С?、自適應(yīng)環(huán)路補(bǔ)償、針對(duì)峰值電流模式控制的斜坡補(bǔ)償、均流以及溫度補(bǔ)償。另外一個(gè)例子就是提供功率因數(shù)校正 (PFC)，與此同時(shí)執(zhí)行電子儀表計(jì)量功能。

通過(guò)提供多種數(shù)字電源器件，設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)閼?yīng)用選擇最適合的功能，而無(wú)需擔(dān)心其他無(wú)用的功能造成的負(fù)擔(dān)。

電源拓?fù)潇`活性

數(shù)字技術(shù)所固有的靈活性，使得特有集成數(shù)字MCU或可配置狀態(tài)機(jī)的數(shù)字電源器件可成為一個(gè)支持所有主要傳統(tǒng)電源拓?fù)涞钠脚_(tái)，這個(gè)平臺(tái)也支持任何有可能出現(xiàn)的全新且更加精密的拓?fù)洹ＫС滞負(fù)鋵ㄏ嘁迫珮?、多相交錯(cuò)PFC、無(wú)橋PFC、共振LLC、雙向DC/DC、雙向DC/AC和PFC、三相逆變器、最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) DC/DC和其它拓?fù)洹Ｓ捎谶@一靈活性和集成外設(shè)，通過(guò)使用高分辨率相位、頻率和占空比控制算法，數(shù)字電源器件能夠提供精確波形控制。

效率

高級(jí)控制算法使得數(shù)字電源器件能夠提高電源和系統(tǒng)的功效，從而減少了電源和主機(jī)系統(tǒng)的能耗。這對(duì)數(shù)據(jù)中心、海量存儲(chǔ)系統(tǒng)等很多應(yīng)用的運(yùn)行成本都有顯著的影響。自適應(yīng)數(shù)字控制能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)節(jié)，以改變線路和負(fù)載情況，從而優(yōu)化電源和系統(tǒng)效率。例如，對(duì)于更高效的電力傳輸，可以實(shí)時(shí)改變功率級(jí)的控制方法，或者對(duì)電源轉(zhuǎn)換進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減少其在輕負(fù)載或無(wú)負(fù)載條件下的功耗。

可靠性和安全性

數(shù)字電源器件能夠輕松實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)中其它數(shù)字和模擬組件的交互，這意味它們能夠通過(guò)執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)監(jiān)視和故障響應(yīng)來(lái)有效地提高主機(jī)系統(tǒng)的可靠性和安全性。實(shí)際上，數(shù)字控制器的可編程屬性使得它們能夠支持多種總線（諸如PMBus、I2C、SCI、SPI、CAN和其它類(lèi)型的總線）上的多協(xié)議通信，這樣的話，系統(tǒng)能夠輕松地與電源子系統(tǒng)通信。通過(guò)監(jiān)視和記錄整個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，數(shù)字電源技術(shù)有助于系統(tǒng)診斷，提供早期故障和錯(cuò)誤報(bào)警，系統(tǒng)也就能夠采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)操作。

寬帶隙(WBG)兼容性

與其等到那些能夠滿足WBG器件新功能的全新模擬控制器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，還不如現(xiàn)在就使用某些數(shù)字電源解決方案。在提供極高分辨率定時(shí)控制的同時(shí)，兼有數(shù)字電源對(duì)所有電源拓?fù)涞闹С帜芰?，諸如氮化鎵 (GaN) 的全新器件可被用于具有較高開(kāi)關(guān)頻率、較低開(kāi)關(guān)損耗、更大功率密度和零反向恢復(fù)的高級(jí)拓?fù)渲小?/p>

TI的數(shù)字電源創(chuàng)新

德州儀器 (TI) 的數(shù)字電源技術(shù)產(chǎn)品組合是目前業(yè)內(nèi)最全面的產(chǎn)品庫(kù)。雖然其他供應(yīng)商也許能為此行業(yè)的一個(gè)或數(shù)個(gè)細(xì)分市場(chǎng)提供專業(yè)的數(shù)字電源解決方案，TI寬泛的數(shù)字電源創(chuàng)新組合卻可以滿足任何可能的設(shè)計(jì)需求。

總的說(shuō)來(lái)，數(shù)字電源技術(shù)在許多應(yīng)用中都適用，從相對(duì)簡(jiǎn)單的功能到最復(fù)雜的電源管理任務(wù)。數(shù)字電源市場(chǎng)通常被細(xì)分為4個(gè)不同的器件類(lèi)型，每一類(lèi)器件均有其自身的優(yōu)勢(shì)和解決方案。這些器件為：

數(shù)字電源控制器。

具有數(shù)字接口的模擬電源穩(wěn)壓器。

數(shù)字電源排序器。

數(shù)字熱插拔控制器。

接下來(lái)將解釋每個(gè)產(chǎn)品類(lèi)別，并談一談TI數(shù)字電源產(chǎn)品庫(kù)中的一些器件。

數(shù)字電源控制器

數(shù)字電源控制器調(diào)節(jié)不同類(lèi)型電源的輸出，從AC/DC到DC/AC電源、隔離式DC/DC、負(fù)載點(diǎn) (POL) 穩(wěn)壓器、功率調(diào)節(jié)器和濾波器，以及其它器件。由于它們所具有的集成MCU和電源專用外設(shè)，數(shù)字電源控制器具有同時(shí)執(zhí)行環(huán)路補(bǔ)償和管理反饋環(huán)路所需的計(jì)算能力，以保持正確的輸出穩(wěn)壓或調(diào)節(jié)，以及執(zhí)行其它系統(tǒng)級(jí)監(jiān)視和穩(wěn)壓任務(wù)的能力。這些器件配備有針對(duì)電源管理應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的外設(shè)。

TI的數(shù)字電源控制器有一些行業(yè)內(nèi)獨(dú)一無(wú)二的功能。例如，它們的高頻和高分辨率運(yùn)行使得它們與GaN技術(shù)兼容，從而提供高開(kāi)關(guān)速度和低功率損耗。此外，TI所有的數(shù)字電源控制器特有出色的瞬態(tài)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)性能。這些功能由不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在某些情況下，數(shù)字電源控制器針對(duì)極快速中斷而設(shè)計(jì)，這就減少了控制環(huán)路采樣與響應(yīng)計(jì)算之間的延遲。在其它情況下，使用集成有專用ADC和計(jì)算引擎的外設(shè)來(lái)提供針對(duì)控制環(huán)路的快速響應(yīng)。通常情況下，這些快速響應(yīng)能力使得控制器能夠減少功率級(jí)組件間的差異所帶來(lái)的影響。

集成在TI數(shù)字電源控制器中的MCU可編程性使得它們完全可配置并且能夠控制復(fù)雜拓?fù)洌约爸T如雙向、多相重排序和相位校正、自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制以及其它運(yùn)行模式。此外，通過(guò)配置這些控制器能在包括PMBus在內(nèi)的多種總線上支持系統(tǒng)級(jí)監(jiān)視、儀表計(jì)量和通信。這可實(shí)現(xiàn)諸如在線診斷和報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)功耗數(shù)據(jù)采集等精密電源管理過(guò)程，以優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且可以通過(guò)數(shù)字接口把新參數(shù)寫(xiě)入控制器。正因如此，可采用多種拓?fù)鋪?lái)監(jiān)視控制環(huán)路。實(shí)際上，通過(guò)使用控制器的數(shù)字補(bǔ)償，可以完全避免執(zhí)行具有外部組件的控制環(huán)路?？刂破魉鶊?zhí)行的監(jiān)視和數(shù)據(jù)記錄也可形成早期故障報(bào)警的基礎(chǔ)，這也反過(guò)來(lái)使系統(tǒng)能夠采取措施來(lái)減少這些故障的影響。

C2000TM微控制器

設(shè)計(jì)靈活性與開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)便性使得TI C2000 MCU成為廣泛應(yīng)用中眾多電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部件。借助于高級(jí)C語(yǔ)言的完全可編程性以及可輕易更改的配置變量，C2000 MCU已經(jīng)顯現(xiàn)出其強(qiáng)大功能，它們可以組成很多平臺(tái)架構(gòu)的基礎(chǔ)，可以很方便地將這些架構(gòu)調(diào)整為滿足特定的設(shè)計(jì)需要，其中也包括最高級(jí)的電源拓?fù)?。高度可配置的PWM和ADC組合使得C2000 MCU能夠支持最精密的電源控制功能。C語(yǔ)言中提供的模塊化軟件庫(kù)加快了系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用的直觀開(kāi)發(fā)。

TI的C2000實(shí)時(shí)C28x處理內(nèi)核具有高達(dá)200MHz的處理能力，以支持最精密的電源系統(tǒng)。除了其主要的處理內(nèi)核，C2000 MCU還特有基于RISC的控制律加速器 (CLA) 實(shí)時(shí)協(xié)處理器，它的速度處理能力也高達(dá)200MHz。這兩個(gè)完全不同的處理資源可實(shí)現(xiàn)處理負(fù)載的有效劃分，CLA能夠承擔(dān)控制環(huán)路處理和其它實(shí)時(shí)任務(wù)，減輕主內(nèi)核處理這些任務(wù)的負(fù)擔(dān)，從而主核可以專門(mén)進(jìn)行通信協(xié)議處理或額外的控制環(huán)路控制的內(nèi)務(wù)處理任務(wù)。這樣整個(gè)電源系統(tǒng)就會(huì)更加有效，響應(yīng)速度更快。

利用多達(dá)12對(duì)高速、高分辨率PWM（分辨率額定值150ps）等眾多資源，C2000 MCU能夠驅(qū)動(dòng)高開(kāi)關(guān)頻率以及大量相位或電源軌，同時(shí)又減小了設(shè)計(jì)尺寸。集成高速ADC的處理速度高達(dá)4MSPS，分辨率高達(dá)16位。C2000 MCU還支持最常見(jiàn)的實(shí)時(shí)通信協(xié)議，其中包括I2C、SCI、SPI、CAN和PMBus。

通過(guò)將精密控制架構(gòu)所需的全部資源集成到一個(gè)輕松可編程、可配置器件內(nèi)，C2000 MCU在減小尺寸和降低成本的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)其余部分的硬件復(fù)雜度。與多個(gè)PWM事件同步的高分辨率ADC和DAC可實(shí)現(xiàn)廣泛的控制，包括斜坡補(bǔ)償電路在內(nèi)的片上功能性支持峰值電流模式和其它精密控制機(jī)制。諸如比較器和來(lái)自多個(gè)來(lái)源的觸發(fā)區(qū)輸入的數(shù)個(gè)集成資源可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率級(jí)的多種保護(hù)功能，其中包括過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護(hù)。多個(gè)片上時(shí)鐘提供的冗余功能可通過(guò)時(shí)鐘源的備份來(lái)提高電源系統(tǒng)的可靠性。實(shí)際上，C2000 MCU特有一個(gè)3時(shí)鐘保護(hù)系統(tǒng)配置，其中的一個(gè)時(shí)鐘在另一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)切換至備用時(shí)鐘。
開(kāi)發(fā)工具

開(kāi)發(fā)人員將C2000 MCU應(yīng)用到數(shù)字電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中，從而能夠充分利用大量的軟件與硬件，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程，那些不甚了解數(shù)字電源組件的工程師們也能夠很快上手。。通過(guò)充分利用TI的powerSUITETM圖形軟件工具（controlSUITETM軟件包的一部分），設(shè)計(jì)人員能夠快速升級(jí)和完成一個(gè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

借助經(jīng)完全測(cè)試軟件模塊（針對(duì)諸如PFC、AC/DC整流、隔離式DC/DC、DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器和DC/AC變換器應(yīng)用）的TI數(shù)字電源庫(kù)，設(shè)計(jì)人員能夠快速采用其中一個(gè)powerSUITE應(yīng)用專用軟件模塊來(lái)滿足他們系統(tǒng)的特定需要。不用再?gòu)念^為全新系統(tǒng)編寫(xiě)代碼。

powerSUITE軟件頻率響應(yīng)分析器 (SFRA) 使設(shè)計(jì)的頻率響應(yīng)分析自動(dòng)化，而powerSUITE補(bǔ)償設(shè)計(jì)工具可實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型比較器的開(kāi)發(fā)，以優(yōu)化閉環(huán)性能。此外，TI的Code Composer StudioTM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE) 支持任何所需的其它軟件開(kāi)發(fā)。

一款應(yīng)用專用評(píng)估模塊 (EVM) 主機(jī)和開(kāi)發(fā)板也加速了原型機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這些創(chuàng)新性EVM的一個(gè)有趣示例就是數(shù)字電源BoosterPack，C2000 PiccoloTM F28069 LaunchPad開(kāi)發(fā)套件的插入式子板。圖1中顯示的BoosterPack包括一個(gè)數(shù)字降壓轉(zhuǎn)換器和工具，這些工具引入了數(shù)字電源控制概念，并且簡(jiǎn)化了數(shù)字電源控制子系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)。

應(yīng)用

由C2000 MCU控制的電源系統(tǒng)為很多最復(fù)雜的電源應(yīng)用提供靈活性、處理能力和片上資源。這些應(yīng)用包括針對(duì)太陽(yáng)能應(yīng)用的微型逆變器、串式逆變器和集中式逆變器，用于智能電網(wǎng)的電力線通信調(diào)制解調(diào)器，針對(duì)電動(dòng)和混合動(dòng)力車(chē)輛充電系統(tǒng)的汽車(chē)應(yīng)用，發(fā)光二極管 (LED) 照明，功率調(diào)節(jié)器，有源電力濾波器，UPS，數(shù)字發(fā)電機(jī)以及很多其它器件。

用例分析

服務(wù)器系統(tǒng)提供了大量的示例，表明了C2000 MCU的強(qiáng)大功能是如何提高應(yīng)用的效率和有效性。通過(guò)集成在服務(wù)器的機(jī)架內(nèi)，基于C2000 MCU的電力系統(tǒng)能夠在控制機(jī)架內(nèi)所有服務(wù)器電力分配的同時(shí)，密切監(jiān)視和報(bào)告這個(gè)機(jī)架內(nèi)每個(gè)刀片式服務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)使用C2000 MCU，可以改進(jìn)整個(gè)服務(wù)器電源接通時(shí)間和效率。

UCD3138數(shù)字電源控制器

UCD3138數(shù)字電源控制器系列主要用于簡(jiǎn)化和提高電源設(shè)計(jì)，并最大限度地增加設(shè)計(jì)靈活性。UCD3138控制器包含多個(gè)硬件外設(shè)，這些外設(shè)可以與集成型ARM處理器協(xié)同工作。傳統(tǒng)的基于MCU的解決方案要求快速、復(fù)雜的計(jì)算來(lái)穩(wěn)定控制環(huán)路，但UCD3138處理器從不直接參與控制環(huán)路補(bǔ)償。反之，一旦配置完成，多個(gè)硬件外設(shè)自主運(yùn)行來(lái)控制電源轉(zhuǎn)換器。這個(gè)方法使得UCD3138處理器能夠?qū)Ｗ⒂谔幚砥渌鼘?duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的內(nèi)務(wù)和/或通信任務(wù)。當(dāng)需求增加時(shí)，ARM處理器完全能夠與控制環(huán)路進(jìn)行交互并采取相應(yīng)的操作。借助于UCD3138控制器，在與MCU保持協(xié)調(diào)一致的前提下，通過(guò)使硬件外設(shè)自主運(yùn)行，可簡(jiǎn)化總體設(shè)計(jì)。

UCD3138控制器的內(nèi)核是數(shù)字控制環(huán)路外設(shè)，也被稱為數(shù)字電源外設(shè) (DPP)。每個(gè)DPP執(zhí)行一個(gè)高速數(shù)字控制環(huán)路，此環(huán)路由一個(gè)專用高速2MHz誤差模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (EADC)、一個(gè)基于比例-積分-微分 (PID) 的2極/2零數(shù)字比較器和具有250ps脈寬分辨率的數(shù)字PWM輸出組成。

在這個(gè)經(jīng)簡(jiǎn)化的配置中，每個(gè)環(huán)路均具有一個(gè)專用ADC和可配置數(shù)字濾波器來(lái)計(jì)算控制值。然后，這一控制值被轉(zhuǎn)化為高分辨率數(shù)字輸出，以支持PWM、脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 或相移調(diào)制系統(tǒng)配置。提供的3組外設(shè)在配置完成后自主運(yùn)行，并同時(shí)控制3個(gè)獨(dú)立的反饋環(huán)路?？膳渲脭?shù)字濾波器具有多組系數(shù)，可針對(duì)不同的功率響應(yīng)需要進(jìn)行選擇。

這個(gè)器件系列的架構(gòu)的簡(jiǎn)單性還體現(xiàn)在固件開(kāi)發(fā)方面。DPP的配置簡(jiǎn)單直接，將位值分配給特定預(yù)先定義的寄存器即可完成。UCD3138控制器不需要復(fù)雜的代碼開(kāi)發(fā)來(lái)連續(xù)計(jì)算復(fù)雜的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換函數(shù)。某些數(shù)字電源設(shè)計(jì)需要工程師進(jìn)行大量繁瑣的練習(xí)，為不同的任務(wù)拆分和分配計(jì)算資源，以驗(yàn)證所選擇的MCU足以滿足應(yīng)用的需要。UCD3138控制器系列用其精簡(jiǎn)的處理器開(kāi)銷(xiāo)需求打消了這些顧慮，從而得到一個(gè)針對(duì)電源應(yīng)用進(jìn)行良好優(yōu)化的器件。

UCD3138器件可通過(guò)諸如PMBus或其它的數(shù)字通信接口進(jìn)行設(shè)定。這些資源已經(jīng)針對(duì)高性能電源設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，并且其中的很多資源是高度可配置的，可以滿足廣泛的需要，這使得UCD3138系列成為很多行業(yè)應(yīng)用的理想選擇，包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用等。

由于是一款高度集成的數(shù)字電源控制器，UCD3138器件免除了對(duì)于電源設(shè)計(jì)中單個(gè)芯片的需要，從而降低了電源成本并減小了電源尺寸。UCD3138控制器系列特有集成電源管理和電力轉(zhuǎn)換能力，能夠支持排序、軟啟動(dòng)/停止等功能以及其它管理任務(wù)。

PMBus的所有命令以及定制命令被支持用于有效電源管理功能。峰值電流模式控制由集成斜坡補(bǔ)償電路完成。UCD3138控制器系列集成了幾個(gè)模擬功能，以提供實(shí)時(shí)監(jiān)視和響應(yīng)。這一功能劃分優(yōu)化了數(shù)字控制器件的速度和功率需求。

這些特性提供包括過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護(hù)等保護(hù)功能。一個(gè)集成型溫度折返特性在功率級(jí)溫度超過(guò)安全水平時(shí)，可在無(wú)需完全關(guān)閉電源的情況下減少電流。UCD3138器件可通過(guò)諸如PMBus或其它的數(shù)字通信接口進(jìn)行設(shè)定。這些資源已經(jīng)針對(duì)高性能電源設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，并且其中的很多資源是高度可配置的，可以滿足廣泛的需要，這使得UCD3138系列成為很多行業(yè)應(yīng)用的理想選擇，包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用等。

MCU還能提供許多其他服務(wù)，典型例證就是支持運(yùn)行中的固件升級(jí)。這是指在將電源固件升級(jí)和指定到一個(gè)更新版本的同時(shí)無(wú)需中斷電源運(yùn)行 [1]。UCD3138064器件采用一種雙組存儲(chǔ)器架構(gòu)，在對(duì)其中一組存儲(chǔ)器編程的同時(shí)，支持另外一組存儲(chǔ)器的執(zhí)行。借助由專用外設(shè)管理的關(guān)鍵電源控制和保護(hù)功能，MCU能夠?qū)⑵鋷拰ｉT(mén)用于將新的固件導(dǎo)入至冗余段，驗(yàn)證寫(xiě)入的有效性，然后實(shí)現(xiàn)之前固件版本到較新版本的適時(shí)切換。

開(kāi)發(fā)工具

TI的融合數(shù)字電源設(shè)計(jì)工具 (Fusion Digital Power Designer) 提供一個(gè)具有直觀圖形化用戶界面 (GUI) 的高效開(kāi)發(fā)環(huán)境。Fusion GUI能夠配置一個(gè)UCD器件的普通工作特性并監(jiān)視其性能。它由一個(gè)通用串行總線 (USB) 適配器，通過(guò)PMBus連接至電源控制器。此外，提供的經(jīng)測(cè)試以及可重新配置的軟件塊大大加快了代碼開(kāi)發(fā)。用于代碼開(kāi)發(fā)的TI Code Composer Studio IDE具有使快速啟動(dòng)更加便捷的現(xiàn)成可用項(xiàng)目模板。針對(duì)不同特定類(lèi)型的電源或功能的多種成本有效EVM，將通過(guò)促進(jìn)直接原型機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)來(lái)加快電源開(kāi)發(fā)。圖2中顯示的是這些模塊中的一個(gè)示例。

應(yīng)用

UCD3138數(shù)字電源控制器系列是一款混合產(chǎn)品，在具有專門(mén)用于電源設(shè)計(jì)的片上功能性的同時(shí)，還有可編程數(shù)字處理、可配置模擬與數(shù)字外設(shè)所特有的靈活性。電源專用和靈活資源的獨(dú)特混合屬性使得UCD3138器件能夠支持多種應(yīng)用，其中包括服務(wù)器電源、電信整流器、隔離式DC/DC電源模塊、工業(yè)用AC/DC轉(zhuǎn)換器以及為高性能PFC供電的汽車(chē)電源、AC/DC轉(zhuǎn)換器、隔離式DC/DC電源系統(tǒng)、電信系統(tǒng)電源、整流AC/DC電源和視頻通信系統(tǒng)。

還有針對(duì)普通隔離式電源拓?fù)涞膮⒖冀鉀Q方案，諸如AC/DC升壓PFC、諧振LLC、相移和硬件開(kāi)關(guān)全橋、以及正激有源鉗位。

用例分析

由于其低引腳數(shù)量、小型封裝尺寸和成本有效性，UCD3138電源控制器已經(jīng)在諸如無(wú)線基站基帶裝置、遠(yuǎn)程射頻器件和微型基站等電信開(kāi)關(guān)和無(wú)線通信設(shè)備的電源中被廣泛采用。這些系統(tǒng)中的電源被稱為“磚型”，確保了功率密度，這成為UCD3138數(shù)字電源控制器的一大優(yōu)勢(shì)。

數(shù)字負(fù)載點(diǎn)(POL)系統(tǒng)控制器

這些器件中具有代表性的是UCD92xx系列數(shù)字POL控制器。它們?yōu)镻OL設(shè)計(jì)人員提供極高程度的可配置性。借助于可輕松獲得的極高靈活性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠快速配置POL的輸出和相位，以滿足他們的特定設(shè)計(jì)需要。高級(jí)POL能夠控制多達(dá)4個(gè)輸出電源軌，和最多8個(gè)相位。電源子系統(tǒng)控制環(huán)路的數(shù)字控制可確保對(duì)輸入電壓和負(fù)載電流變化的快速響應(yīng)。在需要時(shí)，UCD92xx系列可被配置為提供非線性響應(yīng)。電源子系統(tǒng)中的低延遲可以對(duì)系統(tǒng)的總體性能產(chǎn)生正面影響，并且有可能通過(guò)免除對(duì)特定儲(chǔ)能電容器等額外單獨(dú)功率組件的需要來(lái)降低成本、減少組件數(shù)量。

UCD92xx器件的數(shù)字電源管理功能可以在具有很多電源軌的復(fù)雜高電流多相位應(yīng)用中集成更多的精密排序過(guò)程。設(shè)計(jì)人員可以為系統(tǒng)中的不同電源軌周密地指定并輕松部署最有效地加電和斷電序列。

開(kāi)發(fā)工具

通過(guò)一款具有直觀Fusion Digital Power Designer的綜合電源工具系列、領(lǐng)先用戶界面和業(yè)內(nèi)電源工具的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，TI的POL控制器能夠提供快速原型機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。借助Fusion，設(shè)計(jì)人員能夠監(jiān)視電源性能，并在運(yùn)行中重新配置參數(shù)，以快速找到最有效的實(shí)現(xiàn)方式。

應(yīng)用

UCD92xx控制器特別適合于那些需要進(jìn)行大量電源軌穩(wěn)壓和多相位調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。高速企業(yè)網(wǎng)絡(luò)互連系統(tǒng)、電信和無(wú)線基站開(kāi)關(guān)，以及高數(shù)據(jù)吞吐量測(cè)試以及諸如自動(dòng)測(cè)試設(shè)備 (ATE) 的測(cè)量系統(tǒng)等會(huì)有此類(lèi)系統(tǒng)。通常情況下，這些類(lèi)型的系統(tǒng)特有現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)、特定用途集成電路 (ASIC) 或其它需要大量電源軌的復(fù)雜邏輯器件。

用例分析

某些復(fù)雜的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)互連系統(tǒng)和高數(shù)據(jù)吞吐量電信開(kāi)關(guān)最多可支持300個(gè)電源軌，每個(gè)電源軌均需要通過(guò)電源控制環(huán)路的非線性、低延遲響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密穩(wěn)壓。UCD92xx控制器監(jiān)視電源運(yùn)行并對(duì)異常情況作出快速反應(yīng)，以保持高系統(tǒng)性能。

具有數(shù)字接口的模擬電源穩(wěn)壓器

某些電源設(shè)計(jì)無(wú)需高度的可編程性或配置性，所以模擬電源管理器件可以滿足電力轉(zhuǎn)換的要求。然而，通常會(huì)有利用諸如系統(tǒng)電源管理等數(shù)字電源的某些功能的需求。集成PMBus接口可以滿足這一需求。這將有助于減少組件數(shù)量和降低物料清單 (BOM) 成本。對(duì)于此類(lèi)工程師，具有數(shù)字接口的模擬電源穩(wěn)壓器提供了熟悉的解決方案并確保了快速的設(shè)計(jì)周期。具有數(shù)字接口的模擬電源穩(wěn)壓器可以作為數(shù)字電源設(shè)計(jì)的第一步。設(shè)計(jì)人員可以保留之前采用的模擬電源架構(gòu)，而同時(shí)又充分利用數(shù)字電源管理所具有的某些優(yōu)勢(shì)。

TI的SWIFTTM TPS轉(zhuǎn)換器是業(yè)內(nèi)一款獨(dú)一無(wú)二的產(chǎn)品。支持高達(dá)30A的高轉(zhuǎn)換器功能，它們是唯一具有數(shù)字PMBus接口和集成模擬金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的轉(zhuǎn)換器。通過(guò)將數(shù)字和模擬電路組合在一起，SWIFT器件能夠提供針對(duì)外部功率級(jí)的大量保護(hù)特性。

這些產(chǎn)品的不同分類(lèi)在提供額外可配置電源管理功能的同時(shí)，滿足了特定的電力轉(zhuǎn)換要求。例如，此類(lèi)集成可實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護(hù)。此外，還集成了諸如溫度軟故障的電源管理功能，此功能在溫度超過(guò)特定限值時(shí)，相應(yīng)地縮小電流值，而不是完全關(guān)閉功率級(jí)。片上資源使得設(shè)計(jì)人員能夠針對(duì)抗擾度和瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)對(duì)他們的拓?fù)溥M(jìn)行微調(diào)。

SWIFT轉(zhuǎn)換器上所包含的PMBus接口使得系統(tǒng)能夠密切監(jiān)視關(guān)鍵輸出參數(shù)，其中包括電壓和電流，并對(duì)這些參數(shù)的變換作出快速響應(yīng)。此外，可通過(guò)PMBus接口來(lái)連接可選外部溫度感測(cè)功能。

開(kāi)發(fā)工具

TI的Fusion Digital Power Designer工具為SWIFT轉(zhuǎn)換器提供直觀的編程界面，而WEBENCH? 工具使得開(kāi)發(fā)人員在一個(gè)工具內(nèi)仿真和修改他們的設(shè)計(jì)工具。EVM和開(kāi)發(fā)板的主機(jī)與Fusion和WEBENCH工具協(xié)同工作，以加快原型機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，從而極大地減少總體開(kāi)發(fā)時(shí)間。

應(yīng)用

SWIFT器件的高性能模擬電力轉(zhuǎn)換和數(shù)字電源管理功能非常適合于通信和網(wǎng)絡(luò)互連、個(gè)人和企業(yè)計(jì)算、工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制、以及固態(tài)存儲(chǔ)系統(tǒng)等廣泛應(yīng)用。

用例分析

由于它們的高集成度和高性能、低Rds(on)、NexFET技術(shù)、PowerStackTM單接地墊封裝、小封裝尺寸、高開(kāi)關(guān)頻率、以及擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)的嚴(yán)密負(fù)載穩(wěn)壓，PMBus SWIFT DC/DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)被廣泛部署在有線和無(wú)線通信設(shè)備中，諸如基站基帶設(shè)備、遠(yuǎn)程射頻裝置微基站、10Gb/40Gb以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)，以及功率密度和熱性能為優(yōu)先設(shè)計(jì)考慮因素的企業(yè)存儲(chǔ)系統(tǒng)。還包括一些全新應(yīng)用，如高端可編程邏輯控制器和軟件定義無(wú)線電等工業(yè)和太空/國(guó)防應(yīng)用。

數(shù)字電源排序器

數(shù)字電源排序器具有可編程性和高集成度，因此是適用復(fù)雜多軌系統(tǒng)的簡(jiǎn)單、成本有效解決方案。在這些多軌系統(tǒng)中，大量電源軌的排序和監(jiān)視較難實(shí)現(xiàn)。而借助針對(duì)PMBus、I2C或SMBus的集成ADC和數(shù)字通信接口，數(shù)字電源排序器可以簡(jiǎn)化硬件架構(gòu)，從而為經(jīng)優(yōu)化的電源排序器提供一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，PMBus。因此，減小了系統(tǒng)尺寸也降低了成本。

能夠監(jiān)視和排序最多24條電源軌的TI UCD9xxx數(shù)字排序器是業(yè)內(nèi)功能最強(qiáng)大的此類(lèi)器件。它們包含大量的功率級(jí)保護(hù)特性，其中包括過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護(hù)。當(dāng)內(nèi)部溫度傳感器感測(cè)到功率級(jí)的溫度過(guò)高時(shí)，UCD9xxx排序器能夠相應(yīng)地降低電流值，而不是完全關(guān)閉轉(zhuǎn)換器。此外，備用的通道可被設(shè)定為控制系統(tǒng)外設(shè)，比如說(shuō)通過(guò)PWM進(jìn)行控制的風(fēng)扇。

開(kāi)發(fā)工具

Fusion Digital Power Designer為開(kāi)發(fā)人員提供一個(gè)直觀配置界面，通過(guò)這個(gè)界面，可以快速部署UCD9xxx器件的很多資源。此外，圖3中顯示的EVM和開(kāi)發(fā)板類(lèi)器件有助于設(shè)計(jì)人員在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的最初階段加快原型機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

應(yīng)用

數(shù)字排序器在需要多個(gè)電壓軌的應(yīng)用中找到用武之地。常見(jiàn)應(yīng)用包括電信和網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備、工業(yè)通信和工廠自動(dòng)化系統(tǒng)、諸如ATE的測(cè)試與測(cè)量系統(tǒng)、服務(wù)器和其它存儲(chǔ)系統(tǒng)。

數(shù)字熱插拔控制器

數(shù)字資源已經(jīng)將智能電源管理功能提升到更高的水平。其中一個(gè)示例就是熱插拔控制器在高性能系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用。熱插拔控制器已經(jīng)成為在電源中移除和插入電路時(shí)，管理電源的主要模擬電路。與上文中描述的模擬POL器件相似的是，器件中已經(jīng)添加了數(shù)字接口，以準(zhǔn)確監(jiān)視，并且實(shí)時(shí)報(bào)告電壓、電流、功率、電能和溫度等特定的系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行條件。這使得數(shù)字熱插拔控制器在保護(hù)系統(tǒng)不受硬件故障影響方面發(fā)揮應(yīng)有的作用，這些硬件故障包括那些有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)損壞的短路或其它情況。通過(guò)監(jiān)視并報(bào)告系統(tǒng)電源性能指標(biāo)，熱插拔控制器支持電力的高效使用，以及智能電源管理系統(tǒng)配置。

TI數(shù)字熱插拔控制器針對(duì)電流測(cè)量進(jìn)行了微調(diào)，通常情況下可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于2%的精確額定值。它們包括一個(gè)支持PMBus、I2C或其它接口的數(shù)字通信接口?；跓岵灏慰刂破魈峁┑?a target="_blank">電源監(jiān)視信息，主機(jī)系統(tǒng)中的集中式電源管理控制器能夠均衡電力負(fù)載，減小或增加處理元件的電力供應(yīng)，以節(jié)省電能，更好地管理系統(tǒng)效率，并且預(yù)測(cè)有可能出現(xiàn)的故障，以實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。

特定TI數(shù)字熱插拔控制器與Intel Node Manager兼容，產(chǎn)品編號(hào)后綴中的“i”表示具有此項(xiàng)功能的器件。因此，這些熱插拔控制器能夠?qū)⑺鼈兊碾娔鼙O(jiān)視信息提供給Intel Node Manager，這些信息可被用來(lái)優(yōu)化總體系統(tǒng)運(yùn)行，以及多個(gè)刀片服務(wù)器上的能耗和機(jī)架級(jí)性能。

開(kāi)發(fā)工具

在高功率、高性能系統(tǒng)要求與高功效之間的均衡是那些在設(shè)計(jì)中執(zhí)行數(shù)字熱插拔控制器的設(shè)計(jì)人員需要面對(duì)的一組復(fù)雜的設(shè)計(jì)難題。幸運(yùn)的是，諸如熱插拔設(shè)計(jì)計(jì)算器 (Hot Swap Design Calculator) 的TI工具能夠自動(dòng)計(jì)算并比較很多變量，不論是在創(chuàng)建全新設(shè)計(jì)，還是對(duì)性能糟糕的設(shè)計(jì)進(jìn)行排錯(cuò)時(shí)，都必須將這些變量考慮在內(nèi)。

TI的電源接口 (PI) 指令器工具提供一個(gè)直觀的GUI界面。通過(guò)這一界面，設(shè)計(jì)人員能夠觀察TI數(shù)字熱插拔控制器所采集的能量監(jiān)視信息。此外，PI指令器能夠發(fā)現(xiàn)故障，并可以作為熱插拔控制器軟件的測(cè)試平臺(tái)。

應(yīng)用

TI數(shù)字熱插拔控制器的主要應(yīng)用通常為能效和功耗為主要考慮因素、以及那些需要熱插拔管理的應(yīng)用。數(shù)據(jù)中心和企業(yè)服務(wù)器系統(tǒng)；視頻通信系統(tǒng)；和電信系統(tǒng)，其中包括無(wú)線基站、基帶設(shè)備、塔式遠(yuǎn)程射頻裝置，以及其它數(shù)字熱插拔控制器被廣泛采用的領(lǐng)域。

用例分析

在高端數(shù)據(jù)中心或企業(yè)服務(wù)器系統(tǒng)中，數(shù)字熱插拔控制器是整個(gè)設(shè)施內(nèi)能源管理與運(yùn)行控制間的主要連接器件。如果打算保持設(shè)施的能源收支平衡，海量服務(wù)器群集中每個(gè)刀片服務(wù)器的功耗信息必不可少的。此外，為了盡可能地延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間，未來(lái)對(duì)故障識(shí)別或潛在故障位置預(yù)測(cè)的要求會(huì)增多。使用這些信息意味著最終結(jié)果的不同：讓客戶感到滿意，而免于意外故障導(dǎo)致的整個(gè)機(jī)架內(nèi)的服務(wù)器癱瘓。

如果要獲得與這些內(nèi)容和其它TI數(shù)字電源解決方案相關(guān)的更多信息，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.ti.com.cn/digitalpower。

參考書(shū)目

Sam Davis，“電源控制器實(shí)現(xiàn)‘運(yùn)行中的’固件升級(jí)?！彪娫措娮与s志，39卷，第5期，2013年5月

編輯：jq