數(shù)字電源提供多種配置方式和應(yīng)用靈活性

ZL2008是最新一代數(shù)字DC-DC電源控制器，使用了Intersil Zilker Labs的引腳設(shè)置技術(shù)配置功率轉(zhuǎn)換和電源管理參數(shù)。

傳統(tǒng)的模擬電源無論在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、器件、效率、功能上都日臻完善，應(yīng)用也極為廣泛，并且有大量的工程技術(shù)人才熟悉和正在設(shè)計(jì)使用模擬電源。但模擬電源最大的缺點(diǎn)是缺乏靈活性，在應(yīng)用的需求變化時(shí)，需要花很多時(shí)間進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試。

數(shù)字電源可通過數(shù)字方式對(duì)電源系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)計(jì)、反復(fù)使用，并且易于擴(kuò)展。Intersil Zilker Labs公司推出的ZL2008是最新一代數(shù)字DC-DC電源控制器，使用了Intersil Zilker Labs的引腳設(shè)置技術(shù)配置功率轉(zhuǎn)換和電源管理參數(shù)，同時(shí)通過PMBus接口進(jìn)行遙測(cè)和監(jiān)控，補(bǔ)償、電流分配和輸出電壓等工作參數(shù)可以通過引腳進(jìn)行配置。ZL2008可用搭積木的方式搭建直流電源，使用3.3V單相電源到12V輸入的多相電源。

圖1 ZL2008的功能框圖

設(shè)計(jì)特點(diǎn): 自適應(yīng)控制算法

目前的嵌入式電源系統(tǒng)通常是針對(duì)最大負(fù)載的情況進(jìn)行的效率優(yōu)化，通過限制系統(tǒng)內(nèi)部的總體散熱量，達(dá)到減少峰值熱應(yīng)力的目的。然而不幸的是，大多數(shù)系統(tǒng)通常工作在遠(yuǎn)低于峰值的狀況下，電源系統(tǒng)卻是針對(duì)峰值負(fù)載的情況進(jìn)行優(yōu)化的，因此通常達(dá)不到最佳的轉(zhuǎn)換效率。雖然這不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，但是會(huì)消耗更多的電能，進(jìn)而導(dǎo)致更高的總體系統(tǒng)運(yùn)行成本。

Intersil Zilker Labs數(shù)字電源技術(shù)部高級(jí)經(jīng)理Chris Young介紹，ZL2008 DC-DC采用自適應(yīng)的控制算法，使功率轉(zhuǎn)換器自動(dòng)改變運(yùn)行狀態(tài)，始終工作在最佳的效率點(diǎn)上，提高效率和整體性能，而只需用很少或不用用戶的干預(yù)。

圖2 ZL2008的典型應(yīng)用電路

ZL2008的PWM環(huán)路使用一個(gè)模擬和數(shù)字混合模塊，能夠?qū)β兽D(zhuǎn)換的整個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)精確的控制，而且不需要任何軟件。ZL2008集成了各種電源管理功能，可以用簡(jiǎn)單的引腳連接進(jìn)行配置。用戶配置可以保存在內(nèi)部的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器里(NVM)。另外，全部功能可以通過SMBus硬件接口，使用標(biāo)準(zhǔn)的PMBus命令進(jìn)行配置和監(jiān)控。ZL2008的功能參見圖1。

功能組合提高功率轉(zhuǎn)換效率

ZL2008是電壓模式的同步降壓轉(zhuǎn)換器，具有可選的恒頻PWM控制，搭配外部MOSFET、電容器和電感器組成完整的功率轉(zhuǎn)換器。

在最簡(jiǎn)單的配置下，ZL2008需要兩個(gè)N溝道功率MOSFET，一個(gè)用做上控制MOSFET，一個(gè)用做下同步MOSFET(QL)。QH的導(dǎo)通時(shí)間與總開關(guān)周期成正比，稱為占空比D，用下式表示。

在時(shí)間D內(nèi)，QH導(dǎo)通，VIN-VOUT施加到電感器上。當(dāng)QH關(guān)斷，電感里的電流必須持續(xù)從地向上流經(jīng)QL，在此期間，電流以一定斜率下降。由于輸出電容器COUT在此開關(guān)頻率下的阻抗低，電感電流的AC成分被從輸出電壓中濾除，因此負(fù)載看到的幾乎是直流電壓。

一般來說，降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)標(biāo)定一個(gè)最大占空比，限制在給定輸入電壓下的最大輸出電壓。這個(gè)占空比限值保證了低側(cè)MOSFET在每個(gè)開關(guān)周期中最短的開啟時(shí)間。這樣可以對(duì)啟動(dòng)電容器進(jìn)行充電，為高側(cè)MOSFET提供足夠的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。

在這個(gè)電路里，目標(biāo)輸出電壓是通過把差分的VSEN引腳直接連到輸出穩(wěn)壓點(diǎn)上來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的。然后把VSEN信號(hào)和參考電壓做比較，用戶把參考電壓設(shè)定為所需要的輸出電壓級(jí)別。比較后產(chǎn)生的誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，用低分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號(hào)再送到可調(diào)的數(shù)字補(bǔ)償濾波器，補(bǔ)償過的信號(hào)用來產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腜WM占空比，驅(qū)動(dòng)外部MOSFET，產(chǎn)生所需的輸出。

ZL2008有幾個(gè)功能，可以提高功率轉(zhuǎn)換效率。非線性響應(yīng)(NLR)環(huán)路提高了響應(yīng)時(shí)間，降低了輸出偏差。ZL2008監(jiān)視功率轉(zhuǎn)換器的操作條件，持續(xù)調(diào)整高邊和低邊MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，優(yōu)化電源的整體效率。自適應(yīng)的性能優(yōu)化算法，例如死區(qū)時(shí)間控制、二極管仿真，頻率控制可提供更好的效率改善。

典型應(yīng)用電路如圖2所示。在這個(gè)原理圖可以看出，在功率傳遞鏈上，只需要幾個(gè)元件就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)全功能、完全可配置的電源，帶有數(shù)字功率轉(zhuǎn)換、電源管理、故障管理和遙測(cè)。

總結(jié)

ZL2008包括先進(jìn)的節(jié)能算法，能夠持續(xù)地調(diào)整電源，將損耗降至最低值。嵌入式控制器使用這些算法，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各種工作參數(shù)(死區(qū)時(shí)間，開關(guān)頻率，低側(cè)FET導(dǎo)通時(shí)間，等等)，以優(yōu)化效率。這樣，ZL2008可以適應(yīng)生產(chǎn)變化、溫度變化、負(fù)載變化、輸入電壓變化、溫度變化和元件老化帶來的影響，提供最高的性能。該器件還集成了功率轉(zhuǎn)換控制、電源管理、故障管理和遙測(cè)等功能，可節(jié)省數(shù)十個(gè)元器件，大大降低了材料成本。隨之而來的另一個(gè)好處是加快了開發(fā)進(jìn)度，減少了生產(chǎn)制造的時(shí)間。