基于UCD9222的数字电源设计

摘要：数字脉宽调制信号可以实现电源的数字控制。数字电源具有软件配置、自动电压/电流控制以及集群控制等优点。UCD系列芯片可以提供全套的数字电源实现方案，该系列芯片包括数字脉宽波形控制芯片、电源驱动转换芯片以及复住和时延控制芯片。本文基于以上套片研制出数字电源系统，给出了硬件设计图和软件配置方法，最后给出系统运行图。该系统可以应用于嵌入式高性能电子设备中。

关键词：数字电源;UCD9222;PWM控制

引言

电源设计和控制是电子设计的必要部分之一，电源稳定是系统中大部分器件正常工作的前提。传统的电源设计基于电源处理模块芯片，这些芯片在设计之初就确定了一种固定的工作关系，包括输入/输出、电压电流、纹波频率、转换效率等参数，工作过程中一直维持这种关系。传统电源存在开关频率低、频率波动大、电磁干扰大、不能实时调节等问题。随着电子器件的发展，近几年推出的高性能芯片需要非常稳定的电源才能正常工作，例如，多核DSP需要稳定的电源才能很好地工作在其峰值时钟频率，DDR3也需要随时调节的电源才能实现高速数据读写，100G网等高速接口对电源也提出干扰小的要求。随着数字信号处理技术的发展，数字控制技术逐渐被引入到电源设计中，数字电源相对模拟系统而言，在开关频率中具有设计周期短、灵活多变、易实现模块化管理、能够消除因离散元件引起的不稳定和电磁干扰等优点。数字电源应该具有以下几个特点：①PWM的信号输出由数字控制芯片提供;②控制环路的反馈计算工作由数字单元完成;③具有人机交互界面，便于信息的交换，而且可以实现电源输出的可控和输入的监测;④留有通信总线接口，可方便实现群监群控、冗余控制等。

TI公司推出的UCD系列数字电源套片，是一整套数字电源解决方案。这些套片主要含数字PWM波形控制芯片、电源驱动转换芯片，以及复位和时延控制芯片。本文主要介绍数字PWM控制芯片UCD9222和电源驱动芯片UCD7242的使用，包括软件和硬件设计。

1 总体设计

数字电源系统总体设计如图1所示。

实际硬件系统主要由数字PWM波形控制芯片UCD9222、电源驱动芯片UCD7242，以及相应的由电感和电容组成的匹配网络组成。图1的设计可以提供两路电源输出，两路电源完全独立设置，相互之间没有影响。电压设置范围为0.5～10 V，每路电流最高可以设置到10 A。利用图形化编程软件可以直接对硬件系统进行设置，并可以通过PMBus总线将编程后的数据下载到硬件运行，设置好后，下次启动无需重新设置。

2 硬件设计

数字电源硬件系统主要由UCD9222和UCD7242组成。UCD9222为数字PWM波形控制芯片，可以提供2路多相同步数字PWM控制信号，2路PWM信号控制环路结构完全一致，内部结构如图2所示。从图中可以看出，UCD9222控制PWM信号的核心主要由电压跟踪环、电流跟踪环和温度跟踪环组成。这3个环路的输入信号分别为VinMon、LinMon和Templ，这3路信号经过12位分辨率的A/D转换器(图中ADC1)在260 ksps频率下采样，采样后数字信号经过比较器，比较器输出来控制补偿滤波器IIR，高滤波器为3极点和3零点滤波器，具有较多的线性相位。补偿滤波器在ARM控制下输出高分辨率的PWM波形，通过有效改变PWM波形来实现对电压驱动芯片UCD7242的控制，来调整UCD7242的输出电压和电流，实现电源的数字控制。

UCD9222内部集成一个6位的低速A/D转换器(图中ADC2)，实现对输出电压EAP1/EAN1的反馈跟踪。内部温度感应器感知芯片温度变化，提供超范围温度的输出功率关断功能，避免错误情况下输出高功率，烧毁器件。

UCD9222整个芯片的管理由内部ARM核完成。该ARM核程序固定，用户不能操作。用户唯一可以操作的是配置UCD9222的各种参数，这些参数主要包括输出电压、输出电流，以及各种控制参数。这些参数都可以通过UCD9222的软件配置工具Fusion Design来完成，配置后的软件通过PMBus总线接口烧写到UCD9222的内部Flash中。上电由ARM读取这些参数，根据这些参数来配置芯片，按照规定输出电流电压。

UCD9222具有一个VID接口，VID接口是SmartReflex技术的标准接口，通过该接口实现对设备静态和动态功耗的检测。

UCD9222为PWM波形控制芯片，其本身不提供电源转换功能。为了实现数字电源的电压转换，UCD9222必须外接电源转换芯片。TI公司提供专门为UCD9222配套的多款转换芯片，UCD7242为其中一款，可以提供两路输出电压。

UCD9222的硬件电路设计如图3所示。图中，PMBus的4根总线必须连接出来，供UCD9222的软件设置使用。UCD9222和UCD7242的连接非常简单，每路只需要3个引脚，分