数字电源控制器与芯片应用研究

1、数字电源基本特征

数字电源一直是系统架构师与电源设计者的热门话题。由于电源管理业在不断发展，而数字电源正是发展的重要一环。那么，什么是真正的数字电源，它又能带来什么直接的好处呢?目前公认的数字电源定义是：提供监控与配置功能，使用数字算法扩展至全环路控制的数字控制电源产品。因此，数字电源必须执行的电源管理功能可以保留在模拟区域，也可以转移至数字区域。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。数字电源组成包括好几个部分，典型的产品由数字电源驱动器，数字电源PWM控制器和高分辨率数字控制器三部分组成．该电源管理产品专门支持从AC线到负载点，包括不间断电源(UPS)、服务器、电信、数据中心及VRM应用的隔离与非隔离式解决方案。图1所示为数字电源是由基本模块构成的。

图1中某些模块执行模拟功能，如驱动器模块，而另一些模块如DSP等则执行数字功能。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。那么，数字电源它又能带来什么直接的好处呢?

1.1、数字电源组成主要优点。

数字化闭环是数字电源迄今最复杂的部分。脑中跃出的第一个问题是：为什么要用数字控制，使用模拟控制环路的SMPS(开关模式电源系统)不是挺好吗?模拟控制环路的优点是准确、工程师对自己设计的理解，以及有极多模拟控制IC的支持。然而，模拟控制环路是面向一个定义范围狭窄的特定负载。如果负载变化范围宽，则很难在负载的整个变化范围内调整模拟环路。

如果使用一个真正的数字控制器，则设计者可以将数值放在寄存器内，对控制器的各个方面作配置，而无需改变外部的硬件。设计者只需要工作在PC的GUI(图形用户界面-从图2(b)所示可见)上，就可以更快地优化和调试系统，而不必将各种电阻电容在板上焊上焊下。可以去掉某些元件，或使用较廉价的无源元件，从而补偿处理器的成本．产生电源精度的本身是模拟功能。然而，当你拥有了这种数字能力时，就不用制造有绝对精度的部件，而可以制造精度较差的部件，然后用数字控制来校准这些误差。这与信号调节发生的情况类似。但数字控制环路需要一个速度相对较快而功能强大的处理器，这在锱锈必较的电源子系统中是一个缺陷。

然而数字电源的作用并不只是数字式地闭锁控制环路。它还包括管理与通信功能，这在数据通信和电信系统中正变得日益重要。这些系统依赖于能应付多种电压线路的电源处理器，这些电压线路必须以设定的顺序完成上电和断电。

概括数字电源的主要优点：更大的灵活性，能加快设计产品的上市进程；提高供电性能；使系统沟通成为可能，如远程侦测等；器件数量减少，因而系统成本低廉。之所以采用而数字电源解决方案，是因该解决方案具有如下优点，即可编程序，使用简便，精确度高，集成化强，通用开发平台及支持电流及未来的拓扑结构。

1.2、关于数字电源的软件支持数字电源控制需要软件支持，如UCD95K和UCD91K的数字电源控制器由CodeComposeStudio公司的IDE软件支持，它是一个集成开发环境，可提供主要的开发工具以减少开发时间和工作量。其PMBus(电源管理总线)工具也成为数字电源客户支持的一部分。因为新的PMBus通信执协议已经开发成功用于系统与电源子系统之间的主板和支架(board-and-shelf)通信。另外，参照设计是由图形用户界面(GUI)和源代码实例支持，以加数字电源的设计和评估。

1.3、值此以UCD9111，UCD9112为例对数字脉宽调制控制器基本架构作介绍

当今数字脉宽调制控制器UCD9K提供了全数字的电源管理能力，可关闭数字域内的多个反馈回路以及用于集成监控、通信、配置及监测的相关．以UCD9111，UCD9112为例讨论基本架构UCD9111，UCD9112隶属于UCD9K系列．UCD9111单相UCD9111与双相UCD9112控制器采用175ps分辨率的数字脉宽调制器(PWM)，并可通过图形用户界面GUI)进行全面配置，从而无需单独进行软件编程即可对负载点电源转换进行监控与管理。GUI配置功能使设计人员能够对电源电压、电流阈值与响应、软启动、容限、环路补偿以及众多的其它功能进行智能管理。图2(a)为UCD9111／12结构示意框图。

主要特点为：数字同步压降PWM控制器，PWM分辨率为175ps；数字控制，带可编程PID补偿；VouT可调．从Vin的1％至99％；可编程设定转换频率，最高可达2MHz／相位；可编程软件启动及软件停止；可支持预先偏置输出；0.5％内置微调800mV基准；Vin可调，从4.5～15.5V(UCD7230)；遥感差分放大器；通