廣芯微發(fā)布基于自研芯片的DC-DC數(shù)字電源平臺方案

貞光科技是廣芯微電子代理商和解決方案供應(yīng)商，負(fù)責(zé)廣芯微電子的低功耗MCU芯片，8位/32位微控制器芯片、無線射頻收發(fā)器芯片，數(shù)字電源管理芯片和傳感與信號調(diào)理專用芯片等產(chǎn)品的銷售和技術(shù)服務(wù)。

概述

數(shù)字電源（Digital Power）是一種能夠通過微處理器控制的開關(guān)電源（SMPS），其輸出電壓、電流等參數(shù)都可以由數(shù)字信號進(jìn)行實(shí)時(shí)和連續(xù)的調(diào)節(jié)，通過輸出相應(yīng)的PWM波形控制開關(guān)管驅(qū)動變化，從而精確調(diào)控電源輸出電壓、電流等參數(shù)，提供更加穩(wěn)定可靠的電源輸出。采用數(shù)字電源技術(shù)，可以提升功率密度、實(shí)現(xiàn)更快的控制環(huán)路，該系統(tǒng)還可以通過通信接口實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制器等設(shè)備的通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和數(shù)據(jù)分析，提高了電源系統(tǒng)的智能化程度。相比傳統(tǒng)模擬電源，數(shù)字電源具有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 高精度：數(shù)字電源通過精確的計(jì)算和控制，可以實(shí)現(xiàn)一個更加精確的電源輸出。2. 快速響應(yīng)速度：數(shù)字電源反應(yīng)速度更快，在瞬變或轉(zhuǎn)換負(fù)載時(shí)更加平緩和穩(wěn)定，不會因?yàn)殡娫催^沖或欠壓而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常。3. 穩(wěn)定性：數(shù)字電源采用高精度運(yùn)算放大器，數(shù)值控制后鎖定輸出，容易防止外部環(huán)境造成的干擾和漂移問題。4. 便于集成：數(shù)字電源可以輕松地與其他裝置集成，控制簡單。

5. 多樣化功能：數(shù)字電源集成了包括過流保護(hù)、過載保護(hù)、過壓保護(hù)、恒流、恒功率等多種功能。

為給客戶提供一個寬范圍的電壓輸入輸出、穩(wěn)定高效、安全可靠的電源轉(zhuǎn)換的參考設(shè)計(jì)方案，廣芯微電子（廣州）股份有限公司圍繞自研芯片設(shè)計(jì)了一套DC-DC數(shù)字電源方案平臺，該方案可應(yīng)用于家庭儲能、小型便攜儲能、大功率多路移動電源、智能電池管理等多種場景。

DC-DC數(shù)字電源平臺總體框架圖

平臺硬件模塊包含：

• 基于UM3243G/F 系列ARM Cortex M4F MCU芯片的控制板；
• Gate Driver + GaN （氮化鎵）功率板；
• BMS保護(hù)板（針對電池應(yīng)用）；
• 基于UM3506的PD快速充電接口板。

平臺系統(tǒng)方案選用Free RTOS作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以處理各種事務(wù)：

• DC-DC控制模塊可以支持 單向Buck降壓控制 /雙向Buck-Boost升降壓控制；
• 檢測模塊可以檢測電壓、電流、溫度等；
• 充電管理模塊，支持涓流、恒流、恒壓等；
• BMS模塊，主要實(shí)現(xiàn)功能包括一級保護(hù)、電芯平衡、計(jì)量、SOC/SOP/SOH等；
• 系統(tǒng)管理，有系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)存儲、屏顯等；
• PD快充協(xié)議庫，則是基于TCPM的接口庫，用以實(shí)現(xiàn)PD接口的控制；
• 系統(tǒng)也預(yù)留擴(kuò)展接口，可以提供簡便的二次開發(fā)；最右邊默認(rèn)提供UI以及CLI，通過串口實(shí)現(xiàn)便捷的板級調(diào)試；
• 上層還提供可選通信模塊、策略管理模塊以及板級互聯(lián)管理。

子模塊介紹

以下為數(shù)字電源平臺方案中三個主要的子模塊：

DC-DC升降壓控制模塊

在DC-DC升降壓控制模塊中，除了主控MCU外，還由開關(guān)管和Gate Driver這兩大主要部件組成。通過多通道的定義，實(shí)現(xiàn)兩路DC-DC電源變換，其中一路可以實(shí)現(xiàn)雙向的Buck-Boost，輸入電壓支持5V到48V，輸出電壓12V到48V，并支持充電管理。而單向的Buck支持輸入電壓為12V到48V，輸出電壓則可以5V到28V。除了電壓變換外，該模塊也可支持動態(tài)電流限制。

DC-DC升降壓變換參考設(shè)計(jì)

BMS電池管理系統(tǒng)模塊

電池管理系統(tǒng)模塊采用高端串聯(lián)架構(gòu)方案，靈活電芯串?dāng)?shù)配置。主要功能包括，電壓、電流以及溫度測量、電池健康狀態(tài)、電池剩余電量、電池能提供功率的狀態(tài)、電芯充電平衡、電池一級保護(hù)、計(jì)量、上電自檢、自校準(zhǔn)，并通過I2C與后端的MCU作信息交互。

BMS 電池管理系統(tǒng)

可選PD接口模塊

可選的PD接口模塊 既支持采用獨(dú)立的PD芯片，也支持采用TCPC類型的PD協(xié)議芯片開發(fā)設(shè)計(jì)。主控芯片UM324x通過I2C控制PD接口和同步狀態(tài)信息，TCPM的控制功能也是可選支持的，而電源的系統(tǒng)策略則統(tǒng)一做在主控板上，以實(shí)現(xiàn)功率的統(tǒng)一分配與調(diào)度，電壓檔位調(diào)整由主控按端口獨(dú)立調(diào)整。

可選PD接口參考設(shè)計(jì)

數(shù)字電源平臺DEMO

DC-DC數(shù)字電源平臺 DEMO Board

上圖所示為廣芯微DC-DC數(shù)字電源平臺Demo板，包含功率板(大紅板)，DC-DC主控板(綠板)，PD接口板（小紅板）和BMS板 (紫色板)。

DC-DC數(shù)字電源平臺-硬件方案示意圖數(shù)字電源平臺DEMO的硬件方案以移動儲能應(yīng)用做為示例，通過Type-C接口實(shí)現(xiàn)基于PD快充協(xié)議的充放電管理。在Demo系統(tǒng)里，廣芯微選用兩顆UM3506芯片(也可以使用僅支持PD AFE芯片UM5100)實(shí)現(xiàn)兩路電源，一路支持240W PD3.1 DRP，另一路支持140W PD3.1 SRC。如圖所示為一路的全橋的DC-DC功率板設(shè)計(jì)，其主要模塊有四個GaN開關(guān)管、兩個Gate Driver、兩個低側(cè)的電流檢測?？刂瓢鍎t是基于廣芯微UM3243G/F系列芯片實(shí)現(xiàn)一對多的電源變換控制器，通過I2C/UART/SPI等外設(shè)與外部實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，通過SWD可以現(xiàn)實(shí)便捷的代碼調(diào)試。右邊為BMS電池管理系統(tǒng)，有BMS的一級保護(hù)，還有純硬件的二級保護(hù)，目前方案中為10串電池。

DC-DC數(shù)字電源平臺軟件方案示意圖

上圖為廣芯微DC-DC數(shù)字電源平臺的軟件方案示意圖，如圖所示，上部分為DC-DC控制模塊，下部分包含充放電管理、BMS等，右邊則是系統(tǒng)管理。數(shù)字電源平臺軟件方案依據(jù)多通道定義、模塊化和系統(tǒng)級硬件適配層三大原則來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一平臺及模塊靈活配置。其關(guān)鍵特性包括高分辨率的DPWM（數(shù)字脈寬調(diào)制）和相對實(shí)時(shí)的反饋環(huán)路，在反饋環(huán)路中采用的是增量式PID算法，只需要對輸出限幅，位置式則需要設(shè)置積分限幅和輸出限幅。增量式的優(yōu)點(diǎn)是積分飽和得到改善，超調(diào)減少，過渡過程時(shí)間ts減少，動態(tài)性能提高。