淺談數字電源集成電路IC的選用祕訣

隨着工程師們對數字電源這項技術及其優勢的熟知，各式各樣的數字電源的發展勢頭日益強勁。電源系統和電源設計人員已經意識到，部署數字電源並不是對現有技術進行革命性轉變的全新設計。由於目前市場上數字電源器件種類繁多，設計人員可以立即利用其巨大優勢，應用到任一設計項目。可以於此獲得極有價值並且相當豐富的收益。

數字電源尺寸和成本概述

數字電源利用混合信號處理開發的發展演進。混合信號處理同時滿足了數字電路與模擬電路的需要。數字電路的範圍很廣，其中包括微處理器、狀態機以及通信外設和簡單邏輯電路。存儲器也包含在這個部分中。模擬電路可以包括運算放大器和比較器、模數轉換器 （ADC）、數模轉換器 （DAC） 脈寬調製器 （PWM） 發生器和基準，以及更多其它器件。對這一處理技術的充分利用能讓這些器件優化模擬與數字電路的分配，同時又將這些器件集成在一個芯片上。通過減少物料清單 （BOM） 成本和器件數量可以降低系統成本，並且由於系統中所包含的互連組件減少，系統會更加可靠。由於一個控制器有可能服務於很多解決方案，製造商需要跟蹤和儲備的最小庫存單位 （SKU） 更少。

舉個例子，集成一個多用途微控制器 （MCU） 既能夠執行一定範圍的電源相關功能，能夠免除了對於其它獨立控制芯片的需要。可以爲集成型MCU設定許多電源管理特性，諸如過壓、欠壓、過流條件和其它功能。根據數字MCU處理能力的不同，數字電源器件可被設定爲包含多種電源轉換特性，諸如簡單到複雜拓撲支持、自適應環路補償、針對峯值電流模式控制的斜坡補償、均流以及溫度補償。另外一個例子就是提供功率因數校正 （PFC），與此同時執行電子儀表計量功能。通過提供多種數字電源器件，設計人員能夠爲應用選擇最適合的功能，而無需擔心其他無用的功能造成的負擔。

電源拓撲靈活性

數字技術所固有的靈活性，使得特有集成數字MCU或可配置狀態機的數字電源器件可成爲一個支持所有主要傳統電源拓撲的平臺，這個平臺也支持任何有可能出現的全新且更加精密的拓撲。所支持拓撲將包括相移全橋、多相交錯PFC、無橋PFC、共振LLC、雙向DC/DC、雙向DC/AC和PFC、三相逆變器、最大功率點跟蹤 （MPPT） DC/DC和其它拓撲。由於這一靈活性和集成外設，通過使用高分辨率相位、頻率和佔空比控制算法，數字電源器件能夠提供精確波形控制。

效率

高級控制算法使得數字電源器件能夠提高電源和系統的功效，從而減少了電源和主機系統的能耗。這對數據中心、海量存儲系統等很多應用的運行成本都有顯著的影響。自適應數字控制能夠實現快速調節，以改變線路和負載情況，從而優化電源和系統效率。例如，對於更高效的電力傳輸，可以實時改變功率級的控制方法，或者對電源轉換進行調節，以減少其在輕負載或無負載條件下的功耗。

可靠性和安全性

數字電源器件能夠輕鬆實現與系統中其它數字和模擬組件的交互，這意味它們能夠通過執行系統級監視和故障響應來有效地提高主機系統的可靠性和安全性。實際上，數字控制器的可編程屬性使得它們能夠支持多種總線（諸如PMBus、I2C、SCI、SPI、CAN和其它類型的總線）上的多協議通信，這樣的話，系統能夠輕鬆地與電源子系統通信。通過監視和記錄整個系統中的數據，數字電源技術有助於系統診斷，提供早期故障和錯誤報警，系統也就能夠採取適當的應對操作。

寬帶隙 （WBG） 兼容性

與其等到那些能夠滿足WBG器件新功能的全新模擬控制器被開發出來，還不如現在就使用某些數字電源解決方案。在提供極高分辨率定時控制的同時，兼有數字電源對所有電源拓撲的支持能力，諸如氮化鎵 （GaN） 的全新器件可被用於具有較高開關頻率、較低開關損耗、更大功率密度和零反向恢復的高級拓撲中。

TI的數字電源創新

德州儀器 （TI） 的數字電源技術產品組合是目前業內最全面的產品庫。雖然其他供應商也許能爲此行業的一個或數個細分市場提供專業的數字電源解決方案，TI寬泛的'數字電源創新組合卻可以滿足任何可能的設計需求。

總的說來，數字電源技術在許多應用中都適用，從相對簡單的功能到最複雜的電源管理任務。數字電源市場通常被細分爲4個不同的器件類型，每一類器件均有其自身的優勢和解決方案。這些器件爲： 數字電源控制器；具有數字接口的模擬電源穩壓器；數字電源排序器；數字熱插拔控制器。接下來將解釋每個產品類別，並談一談TI數字電源產品庫中的一些器件。

數字電源控制器

數字電源控制器調節不同類型電源的輸出，從AC/DC到DC/AC電源、隔離式DC/DC、負載點 （POL） 穩壓器、功率調節器和濾波器，以及其它器件。由於它們所具有的集成MCU和電源專用外設，數字電源控制器具有同時執行環路補償和管理反饋環路所需的計算能力，以保持正確的輸出穩壓或調節，以及執行其它系統級監視和穩壓任務的能力。這些器件配備有針對電源管理應用進行優化的外設。

TI的數字電源控制器有一些行業內獨一無二的功能。例如，它們的高頻和高分辨率運行使得它們與GaN技術兼容，從而提供高開關速度和低功率損耗。此外，TI所有的數字電源控制器特有出色的瞬態響應和動態性能。這些功能由不同的技術實現。在某些情況下，數字電源控制器針對極快速中斷而設計，這就減少了控制環路採樣與響應計算之間的延遲。在其它情況下，使用集成有專用ADC和計算引擎的外設來提供針對控制環路的快速響應。通常情況下，這些快速響應能力使得控制器能夠減少功率級組件間的差異所帶來的影響。

集成在TI數字電源控制器中的MCU可編程性使得它們完全可配置並且能夠控制複雜拓撲，以及諸如雙向、多相重排序和相位校正、自適應死區時間控制以及其它運行模式。此外，通過配置這些控制器能在包括PMBus在內的多種總線上支持系統級監視、儀表計量和通信。這可實現諸如在線診斷和報告、現場功耗數據採集等精密電源管理過程，以優化設計，並且可以通過數字接口把新參數寫入控制器。正因如此，可採用多種拓撲來監視控制環路。實際上，通過使用控制器的數字補償，可以完全避免執行具有外部組件的控制環路。控制器所執行的監視和數據記錄也可形成早期故障報警的基礎，這也反過來使系統能夠採取措施來減少這些故障的影響。

C2000 TM微控制器

設計靈活性與開發的簡便性使得TI C2000 MCU成爲廣泛應用中衆多電源系統設計的核心部件。藉助於高級C語言的完全可編程性以及可輕易更改的配置變量，C2000 MCU已經顯現出其強大功能，它們可以組成很多平臺架構的基礎，可以很方便地將這些架構調整爲滿足特定的設計需要，其中也包括最高級的電源拓撲。高度可配置的PWM和ADC組合使得C2000 MCU能夠支持最精密的電源控制功能。C語言中提供的模塊化軟件庫加快了系統級應用的直觀開發。TI的C2000實時C28x處理內核具有高達200MHz的處理能力，以支持最精密的電源系統。除了其主要的處理內核，C2000 MCU還特有基於RISC的控制律加速器 （CLA） 實時協處理器，它的速度處理能力也高達200MHz。這兩個完全不同的處理資源可實現處理負載的有效劃分，CLA能夠承擔控制環路處理和其它實時任務，減輕主內核處理這些任務的負擔，從而主核可以專門進行通信協議處理或額外的控制環路控制的內務處理任務。這樣整個電源系統就會更加有效，響應速度更快。利用多達12對高速、高分辨率PWM（分辨率額定值150ps）等衆多資源，C2000 MCU能夠驅動高開關頻率以及大量相位或電源軌，同時又減小了設計尺寸。集成高速ADC的處理速度高達4MSPS，分辨率高達16位。C2000 MCU還支持最常見的實時通信協議，其中包括I2C、SCI、SPI、CAN和PMBus。

通過將精密控制架構所需的全部資源集成到一個輕鬆可編程、可配置器件內，C2000 MCU在減小尺寸和降低成本的同時，也降低了系統其餘部分的硬件複雜度。與多個PWM事件同步的高分辨率ADC和DAC可實現廣泛的控制，包括斜坡補償電路在內的片上功能性支持峯值電流模式和其它精密控制機制。諸如比較器和來自多個來源的觸發區輸入的數個集成資源可實現對功率級的多種保護功能，其中包括過壓、欠壓和過流保護。多個片上時鐘提供的冗餘功能可通過時鐘源的備份來提高電源系統的可靠性。實際上，C2000 MCU特有一個3時鐘保護系統配置，其中的一個時鐘在另一個時鐘發生故障時自動切換至備用時鐘。

開發工具

開發人員將C2000 MCU應用到數字電源系統的設計之中，從而能夠充分利用大量的軟件與硬件，簡化了開發流程，那些不甚瞭解數字電源組件的工程師們也能夠很快上手。。通過充分利用TI的powerSUITETM圖形軟件工具（controlSUITETM軟件包的一部分），設計人員能夠快速升級和完成一個開發項目。藉助經完全測試軟件模塊（針對諸如PFC、AC/DC整流、隔離式DC/DC、DC/DC降壓轉換器和DC/AC變換器應用）的TI數字電源庫，設計人員能夠快速採用其中一個powerSUITE應用專用軟件模塊來滿足他們系統的特定需要。不用再從頭爲全新系統編寫代碼。powerSUITE軟件頻率響應分析器 （SFRA） 使設計的頻率響應分析自動化，而powerSUITE補償設計工具可實現不同類型比較器的開發，以優化閉環性能。此外，TI的Code Composer StudioTM集成開發環境 （IDE） 支持任何所需的其它軟件開發。

一款應用專用評估模塊 （EVM） 主機和開發板也加速了原型機設計和實驗過程。這些創新性EVM的一個有趣示例就是數字電源BoosterPack，C2000 PiccoloTM F28069 LaunchPad開發套件的插入式子板。圖1中顯示的BoosterPack包括一個數字降壓轉換器和工具，這些工具引入了數字電源控制概念，並且簡化了數字電源控制子系統的實際設計。

應用

由C2000 MCU控制的電源系統爲很多最複雜的電源應用提供靈活性、處理能力和片上資源。這些應用包括針對太陽能應用的微型逆變器、串式逆變器和集中式逆變器，用於智能電網的電力線通信調制解調器，針對電動和混合動力車輛充電系統的汽車應用，發光二極管 （LED） 照明，功率調節器，有源電力濾波器，UPS，數字發電機以及很多其它器件。

用例分析

服務器系統提供了大量的示例，表明了C2000 MCU的強大功能是如何提高應用的效率和有效性。通過集成在服務器的機架內，基於C2000 MCU的電力系統能夠在控制機架內所有服務器電力分配的同時，密切監視和報告這個機架內每個刀片式服務的運行狀態。通過使用C2000 MCU，可以改進整個服務器電源接通時間和效率。