智能化數(shù)字電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

介紹了數(shù)字電源系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，簡(jiǎn)要分析了組成系統(tǒng)的各類芯片的性能特點(diǎn)及工作原理，重點(diǎn)闡述數(shù)字電源系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了具體方案。
關(guān)鍵詞：數(shù)字電源；數(shù)字信號(hào)處理器；微控制器；故障管理；過(guò)電流保護(hù)；數(shù)字控制

0 引言
目前，開(kāi)關(guān)電源正朝著智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。最近剛問(wèn)世的智能數(shù)字電源系統(tǒng)以其優(yōu)良的特性和完備的監(jiān)控功能，正引起人們的關(guān)注。數(shù)字電源提供了智能化的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)控、處理并適應(yīng)系統(tǒng)條件的能力，能滿足任何復(fù)雜的電源要求。此外，數(shù)字電源還可通過(guò)遠(yuǎn)程診斷來(lái)確保系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的可靠性，包括故障管理、過(guò)電流保護(hù)以及避免停機(jī)等。

1 數(shù)字電源系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 數(shù)字電源系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
數(shù)字電源系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

1)它是以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器及PWM控制器作為控制對(duì)象而構(gòu)成的智能化開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的由微控制器(μP或μC)控制的開(kāi)關(guān)電源，一般只是控制電源的啟動(dòng)和關(guān)斷，并非真正意義的數(shù)字電源。

2)采用“整合數(shù)字電源”(Fusion Digital Power)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。例如，功率級(jí)所用的模擬組件——MOSFET驅(qū)動(dòng)器，可以很方便地與數(shù)字電源控制器相連并實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)及偏置電源管理，而PWM控制器也屬于數(shù)控模擬芯片。

3)高集成度，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)單片集成化(Power system on chip)，將大量的分立式元器件整合到一個(gè)芯片或一組芯片中。

4)能充分發(fā)揮數(shù)字信號(hào)處理器及微控制器的優(yōu)勢(shì)，使所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源達(dá)到高技術(shù)指標(biāo)。例如，其脈寬調(diào)制(PWM)分辨力可達(dá)150ps(10-12s)的水平，這是傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源所望塵莫及的。數(shù)字電源還能實(shí)現(xiàn)多相位控制、非線性控制、負(fù)載均流以及故障預(yù)測(cè)等功能，為研制綠色節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源提供了便利條件。

5)便于構(gòu)成分布式數(shù)字電源系統(tǒng)。

1.2 數(shù)字電源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著現(xiàn)代科技事業(yè)的發(fā)展及開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)的需求，在21世紀(jì)初國(guó)際上開(kāi)始研制數(shù)字電源系統(tǒng)。2005年3月，美國(guó)德州儀器公司(TI)宣布推出具有創(chuàng)新型的數(shù)字電源產(chǎn)品，不僅能顯著提高電源系統(tǒng)的性能，還可大幅度延長(zhǎng)其使用壽命。該公司還展示了Fusjon Digital Powe解決方案，以證明數(shù)字電源系統(tǒng)能以極具競(jìng)爭(zhēng)力的低成本，實(shí)現(xiàn)高性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)靈活性。

該解決方案包括以下3類芯片：
1)UCD7K系列數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器(含UCD7100和UCD7201)；
2)UCD8K系列PWM控制器(含UCD8620和UCD8220)；
3)UCD9K系列數(shù)字信號(hào)處理器(UCD9110／9501)。

上述芯片已形成系列化產(chǎn)品，于2005年秋季正式銷售。該產(chǎn)品支持包括從AC線路到負(fù)載的電源系統(tǒng)，可廣泛用于電信設(shè)施、計(jì)算機(jī)服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)及不間斷電源(UPS)等。

2 數(shù)字電源系統(tǒng)的基本構(gòu)成
2.l 數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器
UCD7100／7201均屬于數(shù)字控制電源驅(qū)動(dòng)器芯片，二者的區(qū)別是UCD7100為單端輸出，UCD7201為雙端輸出，額定輸出電流均為±4A，可驅(qū)動(dòng)MosFET開(kāi)關(guān)功率管，均可適配UCD9110／9501型數(shù)字控制器。主控制器可監(jiān)控其輸出電流，快速檢測(cè)過(guò)流故障并迅速關(guān)斷電源，檢測(cè)周期僅為25ns。

現(xiàn)以UCD7100為例，其內(nèi)部框圖如圖1所示。