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揭秘:如何挑选数字电源集成电路?

导读: 随着工程师们对数字电源这项技术及其优势的熟知,各式各样的数字电源的发展势头日益强劲。电源系统和电源设计人员已经意识到,部署数字电源并不是对现有技术进行革命性转变的全新设计。由于目前市场上数字电源器件种类繁多,设计人员可以立即利用其巨大优势,应用到任一设计项目。

  随着工程师们对数字电源这项技术及其优势的熟知,各式各样的数字电源的发展势头日益强劲。电源系统和电源设计人员已经意识到,部署数字电源并不是对现有技术进行革命性转变的全新设计。由于目前市场上数字电源器件种类繁多,设计人员可以立即利用其巨大优势,应用到任一设计项目。可以于此获得极有价值并且相当丰富的收益。

  数字电源尺寸和成本概述

  数字电源利用混合信号处理开发的发展演进。混合信号处理同时满足了数字电路与模拟电路的需要。数字电路的范围很广,其中包括微处理器、状态机以及通信外设和简单逻辑电路。存储器也包含在这个部分中。模拟电路可以包括运算放大器和比较器、模数转换器 (ADC)、数模转换器 (DAC) 脉宽调制器 (PWM) 发生器和基准,以及更多其它器件。对这一处理技术的充分利用能让这些器件优化模拟与数字电路的分配,同时又将这些器件集成在一个芯片上。通过减少物料清单 (BOM) 成本和器件数量可以降低系统成本,并且由于系统中所包含的互连组件减少,系统会更加可靠。由于一个控制器有可能服务于很多解决方案,制造商需要跟踪和储备的最小库存单位 (SKU) 更少。

  举个例子,集成一个多用途微控制器 (MCU) 既能够执行一定范围的电源相关功能,能够免除了对于其它独立控制芯片的需要。可以为集成型MCU设定许多电源管理特性,诸如过压、欠压、过流条件和其它功能。根据数字MCU处理能力的不同,数字电源器件可被设定为包含多种电源转换特性,诸如简单到复杂拓扑支持、自适应环路补偿、针对峰值电流模式控制的斜坡补偿、均流以及温度补偿。另外一个例子就是提供功率因数校正 (PFC),与此同时执行电子仪表计量功能。通过提供多种数字电源器件,设计人员能够为应用选择最适合的功能,而无需担心其他无用的功能造成的负担。

  电源拓扑灵活性

  数字技术所固有的灵活性,使得特有集成数字MCU或可配置状态机的数字电源器件可成为一个支持所有主要传统电源拓扑的平台,这个平台也支持任何有可能出现的全新且更加精密的拓扑。所支持拓扑将包括相移全桥、多相交错PFC、无桥PFC、共振LLC、双向DC/DC、双向DC/AC和PFC、三相逆变器、最大功率点跟踪 (MPPT) DC/DC和其它拓扑。由于这一灵活性和集成外设,通过使用高分辨率相位、频率和占空比控制算法,数字电源器件能够提供精确波形控制。

  效率

  高级控制算法使得数字电源器件能够提高电源和系统的功效,从而减少了电源和主机系统的能耗。这对数据中心、海量存储系统等很多应用的运行成本都有显著的影响。自适应数字控制能够实现快速调节,以改变线路和负载情况,从而优化电源和系统效率。例如,对于更高效的电力传输,可以实时改变功率级的控制方法,或者对电源转换进行调节,以减少其在轻负载或无负载条件下的功耗。

  可靠性和安全性

  数字电源器件能够轻松实现与系统中其它数字和模拟组件的交互,这意味它们能够通过执行系统级监视和故障响应来有效地提高主机系统的可靠性和安全性。实际上,数字控制器的可编程属性使得它们能够支持多种总线(诸如PMBus、I2C、SCI、SPI、CAN和其它类型的总线)上的多协议通信,这样的话,系统能够轻松地与电源子系统通信。通过监视和记录整个系统中的数据,数字电源技术有助于系统诊断,提供早期故障和错误报警,系统也就能够采取适当的应对操作。

  宽带隙 (WBG) 兼容性

  与其等到那些能够满足WBG器件新功能的全新模拟控制器被开发出来,还不如现在就使用某些数字电源解决方案。在提供极高分辨率定时控制的同时,兼有数字电源对所有电源拓扑的支持能力,诸如氮化镓 (GaN) 的全新器件可被用于具有较高开关频率、较低开关损耗、更大功率密度和零反向恢复的高级拓扑中。

  TI的数字电源创新

  德州仪器 (TI) 的数字电源技术产品组合是目前业内最全面的产品库。虽然其他供应商也许能为此行业的一个或数个细分市场提供专业的数字电源解决方案,TI宽泛的数字电源创新组合却可以满足任何可能的设计需求。

  总的说来,数字电源技术在许多应用中都适用,从相对简单的功能到最复杂的电源管理任务。数字电源市场通常被细分为4个不同的器件类型,每一类器件均有其自身的优势和解决方案。这些器件为: 数字电源控制器;具有数字接口的模拟电源稳压器;数字电源排序器;数字热插拔控制器。接下来将解释每个产品类别,并谈一谈TI数字电源产品库中的一些器件。

  数字电源控制器

  数字电源控制器调节不同类型电源的输出,从AC/DC到DC/AC电源、隔离式DC/DC、负载点 (POL) 稳压器、功率调节器和滤波器,以及其它器件。由于它们所具有的集成MCU和电源专用外设,数字电源控制器具有同时执行环路补偿和管理反馈环路所需的计算能力,以保持正确的输出稳压或调节,以及执行其它系统级监视和稳压任务的能力。这些器件配备有针对电源管理应用进行优化的外设。

  TI的数字电源控制器有一些行业内独一无二的功能。例如,它们的高频和高分辨率运行使得它们与GaN技术兼容,从而提供高开关速度和低功率损耗。此外,TI所有的数字电源控制器特有出色的瞬态响应和动态性能。这些功能由不同的技术实现。在某些情况下,数字电源控制器针对极快速中断而设计,这就减少了控制环路采样与响应计算之间的延迟。在其它情况下,使用集成有专用ADC和计算引擎的外设来提供针对控制环路的快速响应。通常情况下,这些快速响应能力使得控制器能够减少功率级组件间的差异所带来的影响。

  集成在TI数字电源控制器中的MCU可编程性使得它们完全可配置并且能够控制复杂拓扑,以及诸如双向、多相重排序和相位校正、自适应死区时间控制以及其它运行模式。此外,通过配置这些控制器能在包括PMBus在内的多种总线上支持系统级监视、仪表计量和通信。这可实现诸如在线诊断和报告、现场功耗数据采集等精密电源管理过程,以优化设计,并且可以通过数字接口把新参数写入控制器。正因如此,可采用多种拓扑来监视控制环路。实际上,通过使用控制器的数字补偿,可以完全避免执行具有外部组件的控制环路。控制器所执行的监视和数据记录也可形成早期故障报警的基础,这也反过来使系统能够采取措施来减少这些故障的影响。

  C2000 TM微控制器

  设计灵活性与开发的简便性使得TI C2000 MCU成为广泛应用中众多电源系统设计的核心部件。借助于高级C语言的完全可编程性以及可轻易更改的配置变量,C2000 MCU已经显现出其强大功能,它们可以组成很多平台架构的基础,可以很方便地将这些架构调整为满足特定的设计需要,其中也包括最高级的电源拓扑。高度可配置的PWM和ADC组合使得C2000 MCU能够支持最精密的电源控制功能。C语言中提供的模块化软件库加快了系统级应用的直观开发。TI的C2000实时C28x处理内核具有高达200MHz的处理能力,以支持最精密的电源系统。除了其主要的处理内核,C2000 MCU还特有基于RISC的控制律加速器 (CLA) 实时协处理器,它的速度处理能力也高达200MHz。这两个完全不同的处理资源可实现处理负载的有效划分,CLA能够承担控制环路处理和其它实时任务,减轻主内核处理这些任务的负担,从而主核可以专门进行通信协议处理或额外的控制环路控制的内务处理任务。这样整个电源系统就会更加有效,响应速度更快。利用多达12对高速、高分辨率PWM(分辨率额定值150ps)等众多资源,C2000 MCU能够驱动高开关频率以及大量相位或电源轨,同时又减小了设计尺寸。集成高速ADC的处理速度高达4MSPS,分辨率高达16位。C2000 MCU还支持最常见的实时通信协议,其中包括I2C、SCI、SPI、CAN和PMBus。

  通过将精密控制架构所需的全部资源集成到一个轻松可编程、可配置器件内,C2000 MCU在减小尺寸和降低成本的同时,也降低了系统其余部分的硬件复杂度。与多个PWM事件同步的高分辨率ADC和DAC可实现广泛的控制,包括斜坡补偿电路在内的片上功能性支持峰值电流模式和其它精密控制机制。诸如比较器和来自多个来源的触发区输入的数个集成资源可实现对功率级的多种保护功能,其中包括过压、欠压和过流保护。多个片上时钟提供的冗余功能可通过时钟源的备份来提高电源系统的可靠性。实际上,C2000 MCU特有一个3时钟保护系统配置,其中的一个时钟在另一个时钟发生故障时自动切换至备用时钟。

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