使用實時微控制器(MCU)攻克服務(wù)器PSU設(shè)計挑戰(zhàn)

隨著服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用日益廣泛，對穩(wěn)定高效電源的需求越來越強烈，以應(yīng)對不斷增加的功耗。由于需要更多的集成中央處理單元、圖形處理單元和加速器來提高服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的計算速度，用電量一直快速增長。用電效益的提高催生了電源裝置 (PSU) 的發(fā)展，以提供高能效、快速瞬態(tài)響應(yīng)、高功率密度和更大的電源容量。

高能效

具有高能效的服務(wù)器 PSU 可通過減少功耗和更大程度提高電源到負載間的功率傳輸效率，降低運營數(shù)據(jù)中心的成本及其對環(huán)境的影響。這種能力使數(shù)據(jù)中心能夠滿足日益嚴格的能效標準(例如 80 Plus)，在各種負載范圍內(nèi)實現(xiàn)高于平均水平的鈦金級能效，并向環(huán)境排放更少的二氧化碳。

快速瞬態(tài)響應(yīng)

在服務(wù)器電源應(yīng)用中，在不斷變化的負載和輸入瞬態(tài)情況下，具有快速瞬態(tài)響應(yīng)有助于實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)運行。此外，系統(tǒng)需要滿足服務(wù)器電源原始設(shè)備制造商更嚴格的瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)格：在 2.5A/μS 至 5A/μS 之間實現(xiàn) 80% 至 100% 的負載跳躍。圖 1 說明了這些參數(shù)。

圖 1：瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)

更高的功率密度和更大的電源容量

服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的功耗不斷增長，因此需要更大的電源容量。通過在更小的空間內(nèi)提供更大的電源容量，氮化鎵 (GaN) 等電源技術(shù)可實現(xiàn)更小巧的電源。為了在電源系統(tǒng)中實現(xiàn)高功率密度和縮減整個系統(tǒng)的物料清單，使用實時微控制器 (MCU) 控制高開關(guān)頻率至關(guān)重要。

攻克服務(wù)器 PSU 的設(shè)計挑戰(zhàn)

為了實現(xiàn)上述優(yōu)勢，服務(wù)器 PSU 制造商面臨幾項設(shè)計挑戰(zhàn)，例如

實現(xiàn)復(fù)雜的電源拓撲，例如圖騰柱無橋功率因數(shù)校正和控制算法，包括零電壓開關(guān)、零電流開關(guān)、同步整流時序和具有混合遲滯控制的電感-電感-電容諧振直流/直流轉(zhuǎn)換。

啟用實時控制性能，加快控制回路的執(zhí)行。

在采用 GaN 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙功率器件時減少功耗，同時保持更高的開關(guān)頻率。

為了滿足服務(wù)器 PSU 系統(tǒng)對電源效率和功率密度不斷增長的要求，實時 MCU 需具有幾個關(guān)鍵特性，例如低延遲信號鏈、高脈寬調(diào)制 (PWM) 靈活性和分辨率、高控制環(huán)路速度和高開關(guān)頻率。圖 2 顯示了一個示例 PSU 框圖。

圖 2：具有交流/直流和直流/直流級的服務(wù)器電源典型雙控制器架構(gòu)

TMS320F280039C C2000

實時 MCU 提供上述所有特性，還可幫助滿足或減少服務(wù)器 PSU 的設(shè)計預(yù)算。它們將繼續(xù)通過靈活和創(chuàng)新的功能改進集成的實時信號鏈(檢測、處理和控制)。圖 3 顯示了 F28003x 系列。

圖 3：F28003x MCU 擴展了 C2000 實時 MCU 產(chǎn)品組合

高精度檢測

F280039C MCU 通過其集成式模擬元件(包括多個可靈活管理轉(zhuǎn)換啟動、具有 11 個有效位數(shù)和一個后處理塊的 4MSPS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，實現(xiàn)了服務(wù)器 PSU 的高能效和快速瞬態(tài)響應(yīng)。MCU 還集成了具有優(yōu)化電源控制功能的快速模擬比較器，具有例如消隱、延遲觸發(fā)、峰值電流模式控制和斜率補償特點，可實現(xiàn)精確的功率轉(zhuǎn)換。

高性能處理

F280039C 基于 32 位數(shù)字信號處理器架構(gòu)并結(jié)合了控制律加速器，可提供超過 240MIPS 的實時性能，具有浮點單元和三角函數(shù)加速器等特性，可實現(xiàn)更高的功率密度和高瞬態(tài)響應(yīng)，能夠處理復(fù)雜的對時間要求嚴格的計算。

靈活的高分辨率控制

在大功率服務(wù)器 PSU 系統(tǒng)中，即使在高頻下，實現(xiàn)更大的電源容量并保持相位間同步也至關(guān)重要。F280039C 提供 150ps 分辨率的 PWM 通道，具有谷底開關(guān)、延遲觸發(fā)、死區(qū)時間調(diào)整和全局重新加載等功能，可以精確控制復(fù)雜的電源拓撲和控制算法。集成的可配置邏輯塊進一步增強了 PWM 的靈活性，并無縫銜接 GaN 技術(shù)來實現(xiàn)高功率密度。

C2000 實時 MCU 在服務(wù)器 PSU 系統(tǒng)中的其他優(yōu)勢

除了電源管理和快速實時控制的趨勢外，F(xiàn)280039C MCU 還可以滿足服務(wù)器 PSU 的幾項其他熱點要求：

在線固件更新可以在不中斷電源的情況下無縫切換到新固件，并通過具有多個閃存選擇的多組型號和更快的閃存組擦除時間，更大限度降低軟件開銷。

通信接口從 PMBus 轉(zhuǎn)到控制器局域網(wǎng) (CAN) 總線(以及可能的 CAN-FD)，可實現(xiàn)更快速度、更高數(shù)據(jù)速率和可靠的主機通信。

通過加密功能(例如高級加密標準、安全啟動和安全 JTAG 協(xié)議)實現(xiàn)安全性，可在這個更加互聯(lián)的世界中保護代碼和數(shù)據(jù)免受外部攻擊，解決業(yè)界擔憂。

結(jié)語

F280039C MCU 在 C2000 MCU 平臺上進行了擴展，提供集成功能，可幫助您實現(xiàn)高級實時控制，同時降低物料清單成本。F28003x MCU 系列通過解鎖 GAN 和 SiC 等寬帶隙技術(shù)的全部潛力，實現(xiàn)了更高能效、更高功率密度以及更快響應(yīng)時間，與這些技術(shù)相得益彰。簡便易用的軟件可加快服務(wù)器 PSU 設(shè)計人員的開發(fā)速度。

其他資源

查看以下可加速開發(fā)的參考設(shè)計：

采用 C2000 和 GaN 的 4kW 單相圖騰柱 PFC 參考設(shè)計

1kW、80 Plus Titanium、GaN CCM 圖騰柱無橋 PFC 和半橋 LLC 參考設(shè)計

具有 C2000 實時 MCU 的實時固件更新參考設(shè)計

使用 C2000 實時 MCU 的峰值電流模式控制移相全橋參考設(shè)計

閱讀白皮書《結(jié)合使用 TI GaN FET 和 C2000 實時 MCU 實現(xiàn)高效的高功率密度數(shù)字電源系統(tǒng)》

參閱全新的 F28003x 實時 MCU

了解有關(guān)TMS320F280039C的更多信息。

審核編輯：湯梓紅