数字电源技术及应用

生脉冲波，从而控制功率开关(通常为MOSFET)的导通与关断。由于MOSFET具有较大的输入门电容，因此驱动器电路有必要有效率地导通和关断它们。另有固定电阻电容网络一般会作为补偿回路，以确保动态响应和稳定性之间的正常平衡。

电源的两个其它主要部分是输入和输出滤波器网络。这些部分由感应器、电容和电阻构成，可以提供数种功能。输入滤波器有助于保护电源不受电源电压瞬态的影响，在动态负载变化过程中提供一些能量存储，并附带滤波器网络以使电源满足其输入引起的发射规范。输出滤波器稳定输出电压以确保电源满足其纹波和噪声规范，此外还存储能量以帮助维护负载电路的动态电流要求。重要的是，对于模拟或数字控制结构而言，输入和输出滤波器以及电源器件将基本上保持相同。

在典型的数字电源控制系统结构中，输出电压感应排列类似于模拟系统。但是，模数转换器(ADC)代替了模拟系统的误差放大器，从而将感应到的模拟电压值转换成二进制数。除了输出电压之外，了解电源的输出电流和温度等其它模拟参数也非常有用。虽然独立的ADC可以感应每个参数，但是采用单个ADC并在它前面加设一个多路复用路往往是更加常用的方法。多路复用器 (MUX)则将在要测量的模拟输入之间切换，并依次将每个输入发送至ADC.

由于MUX和ADC的采样速率是固定的，因此ADC对每个参数都输出一系列数字，每个数字由己知的时间段分隔。这些值供给为系统提供处理能力的微控制器。卡上程序内存存储着微控制器的控制算法，这些算法负责执行一系列有关ADC的输出值的计算。这些计算的结果包括误差信号、想要的驱动器级脉宽、各种驱动器输出的最佳延迟值以及回路补偿等参数。有了这些参数，数字脉宽调制器(DPWM)就可以通过驱动后控制外接的功率MOSFET，而电源管理部分也可以通过一定的接口及协议与外界通信了。模拟系统的外部回路补偿元件此时变得不再是必需的。输出电压、输出电流和温度限制等参数的参考值在生产期间被保存在非易失性内存中，或者可以通过PMBus输入。在系统启动时，数据会由EEPROM下载到数据内存中，主芯片据此控制模块的工作状态。同时，可以通过一定的外部操作来重新读入EEPROM中的默认设置。

三、数字电源的组成结构

图1为数字控制的电源系统的典型结构框图。系统包括模拟部分、数字部分以及模拟数字的接口电路。模拟部分主要是各种拓扑的变换电路及负载电路组成;数字部分为微处理器芯片及其外设;接口电路包括从模拟部分到数字部分的采样网络及A/D转换器和从数字部分到模拟部分的PWM外围电路、相应的门极驱动电路及D/A转换器或I/O外围电路。

数字电源可以完成对PWM控制环路的数字控制和数字电源管理与通信任务。系统可以使用一种或两种形式的数字电源。数字电源的关键数字器件有数字电源驱动器、数字电源PWM控制器和数字信号处理器等。

(一)数字电源驱动器

目前，数字控制电源驱动器芯片中比较典型的应用有美国德州仪器公司(TI)公司的UCD7100/7201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，该芯片主要包括3.3V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、True Drive驱动器等部分组成。“True Drive”(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FIS的时间内给MOSFET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，能重新启动片。UCD7100内部的3.3V/10mA电压调整器可作为数字控制器的电源。

(二)数字电源控制器

美国德州仪器公司(TI)公司的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。

该芯片主要包括3.3V电压调整器及基准电压源