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智能化数字电源系统的优化设计 2006-11-17 ???? ?　　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 ? l.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。 2．2 PWM控制器 　　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。UCD8220的内部框图如图2所示。 　　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