運用多相數(shù)字電源解決方案應(yīng)對系統(tǒng)問題

　　所面臨的挑戰(zhàn)

　　當(dāng)前的處理器、圖像及存儲系統(tǒng)均使用多相電源解決方案。這些多相解決方案可提供一個極高開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)及調(diào)節(jié)性能，同時以一個更加適度的頻率上單獨地進(jìn)行開關(guān)。對單通道降壓轉(zhuǎn)換器而言，它們還可以提供比實際更高的輸出電流。多相電源的優(yōu)勢來自于相位交錯。通過以統(tǒng)一的時間間隔進(jìn)行相位交錯(例如：在一款三相交錯轉(zhuǎn)換器中以120° 的時間間隔進(jìn)行交錯)，其本身單個相位固有的輸出紋波被其他相位降至平均水平，從而總體輸出紋波就被降低了。這樣使用更低的脈寬調(diào)制開關(guān)頻率，就可以實現(xiàn)給定輸出紋波設(shè)計的目標(biāo)，與此同時通過降低開關(guān)損耗提高了效率。

　　管理多相電源系統(tǒng)存在一些其自身特有的問題，包括輕負(fù)載效率和系統(tǒng)冗余的切相 (phase shedding)，以及系統(tǒng)壽命的相位電流平衡。在傳統(tǒng)模擬電源中實施這些功能會比較困難，然而使用一個數(shù)字控制器則可以很輕松地完成這些任務(wù)。在該案例研究中，引入了一款數(shù)字電源解決方案，其具有多相同步降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點，同時可以運用數(shù)字方法關(guān)閉電壓控制環(huán)路，并且對不同負(fù)載和散熱條件下的相位進(jìn)行管理，以獲得最佳電源性能。

　　解決方案

　　這種系統(tǒng)由多達(dá)6 個交錯式同步降壓轉(zhuǎn)換器組成，這些轉(zhuǎn)換器均由一個單微處理器控制，如圖 1 所示。

　　圖 1 數(shù)控多相交錯式同步降壓

　　TI 推出的 32 位 TMS320F2806 數(shù)字信號控制器 (DSC) 運行在 100 MHz 頻率下，并且以電源應(yīng)用為目標(biāo)。在本例中，其在軟件中實施電壓模式控制，該軟件使用一個在 PWM 開關(guān)頻率上進(jìn)行采樣的單通道 2 極點 2 零點數(shù)字補償器。隨后產(chǎn)生的占空比值將被傳給每一個降壓相(所有為實現(xiàn)相位平衡所作的占空比調(diào)節(jié)除外)。通過使用片上 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 獲得系統(tǒng)輸出電壓反饋。MOSFET 溫度在整個 ADC 中均為可用，以實現(xiàn)監(jiān)控的目的，并且片上內(nèi)部集成電路 (I2C) 端口提供了對 PMBus™ 通信的支持。針對同步降壓應(yīng)用專門設(shè)計了一款 UCD7230 柵極驅(qū)動器，從而提供了采用 TI TrueDrive™ 輸出架構(gòu)的雙通道 4-A MOSFET 驅(qū)動器、周期性電流限制以及一個內(nèi)置低失調(diào)、高增益、差分電流傳感放大器。

　　切相和增相

　　切相提供了一種提高電源效率和可靠性的方法。在輕負(fù)載條件下，動態(tài)地減少運行相位的數(shù)量通常會帶來效率的提高。當(dāng)負(fù)載需求增加時，一個切相可以被重新激活。類似地，通過重新平衡各剩余相位之間的交錯，切除一個失效的相位或者一個運行在邊界狀態(tài)以外的相位，有助于維持系統(tǒng)的性能。在那些需要極高可靠性的應(yīng)用中，一個備用相位可以被帶上線以取代失效的相位，也就是 N+1 冗余設(shè)計。不考慮切除一個相位的原因，剩余相位(或者在 N+1 冗余設(shè)計中增加相位)的交錯角應(yīng)該重新調(diào)整，以維持最佳性能。例如，從一個三相 120° 交錯式轉(zhuǎn)換器中切除一個相位就應(yīng)該將兩個相位分離隔開 180°。

　　TMS320F2806 控制器的 PWM 元件均支持軟件同步及相位控制。每一個 PWM 輸出均具有一個相位同步寄存器，它將其計數(shù)值與首個 PWM 輸出的計數(shù)值發(fā)生偏移。這就允許所有交錯式降壓相位的相位角不僅僅可以在系統(tǒng)初始化期間被靜態(tài)地配置，而且還可以在系統(tǒng)運行期間被動態(tài)地重新調(diào)整。

　　圖 2a 顯示了一款 120° 交錯式(條件：10V 輸入、2V 輸出、3A 負(fù)載及300 kHz PWM 開關(guān))PWM 結(jié)構(gòu)的三相交錯式降壓轉(zhuǎn)換器的示波器屏幕采集圖。示波器通道 1 至 3 顯示的是單個相位電壓，而通道 4 顯示的是交錯式輸出電壓(所有示波器通道均為 AC 耦合)。通過所有運行中的三個相位，可以得出該輸出紋波為 4.9 mV(輸出電壓的 0.25%)。在沒有調(diào)整兩個剩余相位(見圖 2b)角的情況下，切除相位 2 會引起輸出紋波增加 86%，即為9.1 mV。為了獲得 180° 交錯(見圖 2c)，對兩個剩余相位進(jìn)行軟件調(diào)整以后，該紋波減少至 7.9 mV。在仍然比初始值大的同時(因為一個兩相位系統(tǒng)無法獲得如一個三相系統(tǒng)一樣的低紋波)，其比未被調(diào)整的剩余相位角提高了 13%。

　　圖 2a 三相交錯式同步降壓輸出

　　圖 2b 在 120° 交錯時，切除相位 2，保留相位 1 和相位 3

　　圖 2c 對相位 1 和相位 3 進(jìn)行調(diào)整以實現(xiàn)180°交錯

　　相位電流平衡

　　為了最佳化電源組件可靠性和使用壽命，使多相系統(tǒng)中的每一個相位都等量地分擔(dān)電源負(fù)荷是值得的。由于電源開關(guān)和電感的組件間的不同，以及電路板布局和散熱的非對稱性，因此流經(jīng)相位的電流是不一樣的。基本平衡方法包括測量相位電流，以及對每一個相位要求的 PWM 占空比進(jìn)行單獨地調(diào)節(jié)，以對電流進(jìn)行平衡。電流非均衡動態(tài)十分緩慢，因而平衡環(huán)路的采樣率可以較低，差不多可以是幾十分之幾秒，甚至是幾秒。因此，微處理器上額外的計算負(fù)擔(dān)可以被忽略不計。為了減少傳感器噪聲的影響，對平衡環(huán)路速率電流讀取進(jìn)行過采樣，并隨著時間的變化平均每一個相位的電流測量。簡單低增益完整行為“僅”控制算法通常被用于關(guān)閉平衡環(huán)路。在使用平均相位電流作為參考的每一個環(huán)路反復(fù)過程中，可以在每一個相位上執(zhí)行平衡。另一種方法是，有時只有將在那個時刻測量出的最高和最低電流相位彼此平衡，才能達(dá)到相位電流平衡。無論使用哪一種方法，所有相位電流最終都將匯聚到相同值上。

　　PWM 精度是進(jìn)行相位電流平衡時通常會碰到的一個問題。將一個 10V 輸入看作是由一個 100 MHz PWM 時鐘的 300 kHz PWM 驅(qū)動的 2V 輸出同步降壓轉(zhuǎn)換器。該降壓輸出上的 PWM 精度將會是 30 mV，或者等同于 2V 輸出的 1.5%。一般而言，相比達(dá)到相位平衡和避免平衡控制環(huán)路極限循環(huán)期 (limit cycling) 所需要的較好占空比調(diào)節(jié)，這樣的粒度將會大一個甚至是兩個數(shù)量級。F2806 控制器為這一問題提供了一種解決方案，并且別具一格地增強(qiáng)了 PWM 模塊的高精度。這種高精度 PWM 提供了 ~150 ps 的邊緣定位。這就相當(dāng)于為上述降壓實例提供 0.45 mV 的輸出精度，或者 0.02% 的 2V 輸出。這種解決方案可提供高精度以及較好的相位電流平衡功能。

　　結(jié)論

　　本文描述了一款數(shù)控多相交錯式 DC/DC 降壓系統(tǒng)，其可實現(xiàn)電壓模式調(diào)節(jié)控制，并具有切相及增相和多相電流平衡的特點。使用傳統(tǒng)模擬控制器來實施這些特性將會十分具有挑戰(zhàn)性，而使用一款基于微處理器的數(shù)字控制器便可以輕松地完成這些任務(wù)。F2806 數(shù)字信號控制器與 UCD7230 柵極驅(qū)動及電流傳感放大器的完美結(jié)合提供了一款完整的信號控制解決方案，并具有單機(jī)運行的片上閃存、同步高精度 PWM 模塊、測量反饋信號的 ADC 以及 PMBus 通信功能。