【導(dǎo)讀】數(shù)字電源的發(fā)展勢頭迅猛，數(shù)字電源技術(shù)和優(yōu)勢也被人們熟知，隨著數(shù)字電源被越來越多的應(yīng)用到實際生活中，數(shù)字電源集成電路也走進了千家萬戶。數(shù)字電源器件種類繁多，性能不一，該怎么挑選性能最佳的數(shù)字電源集成電路呢？專家來支招。
數(shù)字電源尺寸和成本概述
數(shù)字電源利用混合信號處理開發(fā)的發(fā)展演進。混合信號處理同時滿足了數(shù)字電路與模擬電路的需要。數(shù)字電路的范圍很廣，其中包括微處理器、狀態(tài)機以及通信外設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）脈寬調(diào)制器（PWM）發(fā)生器和基準，以及更多其它器件。對這一處理技術(shù)的充分利用能讓這些器件優(yōu)化模擬與數(shù)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(shù)量可以降低系統(tǒng)成本，并且由于系統(tǒng)中所包含的互連組件減少，系統(tǒng)會更加可靠。由于一個控制器有可能服務(wù)于很多解決方案，制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(zhí)行一定范圍的電源相關(guān)功能，能夠免除了對于其它獨立控制芯片的需要。可以為集成型MCU設(shè)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(jù)數(shù)字MCU處理能力的不同，數(shù)字電源器件可被設(shè)定為包含多種電源轉(zhuǎn)換特性，諸如簡單到復(fù)雜拓撲支持、自適應(yīng)環(huán)路補償、針對峰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(shù)校正（PFC），與此同時執(zhí)行電子儀表計量功能。通過提供多種數(shù)字電源器件，設(shè)計人員能夠為應(yīng)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(shù)字技術(shù)所固有的靈活性，使得特有集成數(shù)字MCU或可配置狀態(tài)機的數(shù)字電源器件可成為一個支持所有主要傳統(tǒng)電源拓撲的平臺，這個平臺也支持任何有可能出現(xiàn)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。由于這一靈活性和集成外設(shè)，通過使用高分辨率相位、頻率和占空比控制算法，數(shù)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(shù)字電源器件能夠提高電源和系統(tǒng)的功效，從而減少了電源和主機系統(tǒng)的能耗。這對數(shù)據(jù)中心、海量存儲系統(tǒng)等很多應(yīng)用的運行成本都有顯著的影響。自適應(yīng)數(shù)字控制能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)節(jié)，以改變線路和負載情況，從而優(yōu)化電源和系統(tǒng)效率。例如，對于更高效的電力傳輸，可以實時改變功率級的控制方法，或者對電源轉(zhuǎn)換進行調(diào)節(jié)，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(shù)字電源器件能夠輕松實現(xiàn)與系統(tǒng)中其它數(shù)字和模擬組件的交互，這意味它們能夠通過執(zhí)行系統(tǒng)級監(jiān)視和故障響應(yīng)來有效地提高主機系統(tǒng)的可靠性和安全性。實際上，數(shù)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(xié)議通信，這樣的話，系統(tǒng)能夠輕松地與電源子系統(tǒng)通信。通過監(jiān)視和記錄整個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，數(shù)字電源技術(shù)有助于系統(tǒng)診斷，提供早期故障和錯誤報警，系統(tǒng)也就能夠采取適當?shù)膽?yīng)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(fā)出來，還不如現(xiàn)在就使用某些數(shù)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(shù)字電源對所有電源拓撲的支持能力，諸如氮化鎵（GaN）的全新器件可被用于具有較高開關(guān)頻率、較低開關(guān)損耗、更大功率密度和零反向恢復(fù)的高級拓撲中。
TI的數(shù)字電源創(chuàng)新
德州儀器（TI）的數(shù)字電源技術(shù)產(chǎn)品組合是目前業(yè)內(nèi)最全面的產(chǎn)品庫。雖然其他供應(yīng)商也許能為此行業(yè)的一個或數(shù)個細分市場提供專業(yè)的數(shù)字電源解決方案，TI寬泛的數(shù)字電源創(chuàng)新組合卻可以滿足任何可能的設(shè)計需求。
總的說來，數(shù)字電源技術(shù)在許多應(yīng)用中都適用，從相對簡單的功能到最復(fù)雜的電源管理任務(wù)。數(shù)字電源市場通常被細分為4個不同的器件類型，每一類器件均有其自身的優(yōu)勢和解決方案。這些器件為：數(shù)字電源控制器；具有數(shù)字接口的模擬電源穩(wěn)壓器；數(shù)字電源排序器；數(shù)字熱插拔控制器。接下來將解釋每個產(chǎn)品類別，并談一談TI數(shù)字電源產(chǎn)品庫中的一些器件。
數(shù)字電源控制器
數(shù)字電源控制器調(diào)節(jié)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(wěn)壓器、功率調(diào)節(jié)器和濾波器，以及其它器件。由于它們所具有的集成MCU和電源專用外設(shè)，數(shù)字電源控制器具有同時執(zhí)行環(huán)路補償和管理反饋環(huán)路所需的計算能力，以保持正確的輸出穩(wěn)壓或調(diào)節(jié)，以及執(zhí)行其它系統(tǒng)級監(jiān)視和穩(wěn)壓任務(wù)的能力。這些器件配備有針對電源管理應(yīng)用進行優(yōu)化的外設(shè)。
TI的數(shù)字電源控制器有一些行業(yè)內(nèi)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(shù)兼容，從而提供高開關(guān)速度和低功率損耗。此外，TI所有的數(shù)字電源控制器特有出色的瞬態(tài)響應(yīng)和動態(tài)性能。這些功能由不同的技術(shù)實現(xiàn)。在某些情況下，數(shù)字電源控制器針對極快速中斷而設(shè)計，這就減少了控制環(huán)路采樣與響應(yīng)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(shè)來提供針對控制環(huán)路的快速響應(yīng)。通常情況下，這些快速響應(yīng)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(shù)字電源控制器中的MCU可編程性使得它們完全可配置并且能夠控制復(fù)雜拓撲，以及諸如雙向、多相重排序和相位校正、自適應(yīng)死區(qū)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(nèi)的多種總線上支持系統(tǒng)級監(jiān)視、儀表計量和通信。這可實現(xiàn)諸如在線診斷和報告、現(xiàn)場功耗數(shù)據(jù)采集等精密電源管理過程，以優(yōu)化設(shè)計，并且可以通過數(shù)字接口把新參數(shù)寫入控制器。正因如此，可采用多種拓撲來監(jiān)視控制環(huán)路。實際上，通過使用控制器的數(shù)字補償，可以完全避免執(zhí)行具有外部組件的控制環(huán)路。控制器所執(zhí)行的監(jiān)視和數(shù)據(jù)記錄也可形成早期故障報警的基礎(chǔ)，這也反過來使系統(tǒng)能夠采取措施來減少這些故障的影響。
C2000TM微控制器
設(shè)計靈活性與開發(fā)的簡便性使得TIC2000MCU成為廣泛應(yīng)用中眾多電源系統(tǒng)設(shè)計的核心部件。借助于高級C語言的完全可編程性以及可輕易更改的配置變量，C2000MCU已經(jīng)顯現(xiàn)出其強大功能，它們可以組成很多平臺架構(gòu)的基礎(chǔ)，可以很方便地將這些架構(gòu)調(diào)整為滿足特定的設(shè)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C2000MCU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(tǒng)級應(yīng)用的直觀開發(fā)。TI的C2000實時C28x處理內(nèi)核具有高達200MHz的處理能力，以支持最精密的電源系統(tǒng)。除了其主要的處理內(nèi)核，C2000MCU還特有基于RISC的控制律加速器（CLA）實時協(xié)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(xiàn)處理負載的有效劃分，CLA能夠承擔控制環(huán)路處理和其它實時任務(wù)，減輕主內(nèi)核處理這些任務(wù)的負擔，從而主核可以專門進行通信協(xié)議處理或額外的控制環(huán)路控制的內(nèi)務(wù)處理任務(wù)。這樣整個電源系統(tǒng)就會更加有效，響應(yīng)速度更快。利用多達12對高速、高分辨率PWM（分辨率額定值150ps）等眾多資源，C2000MCU能夠驅(qū)動高開關(guān)頻率以及大量相位或電源軌，同時又減小了設(shè)計尺寸。集成高速ADC的處理速度高達4MSPS，分辨率高達16位。C2000MCU還支持最常見的實時通信協(xié)議，其中包括I2C、SCI、SPI、CAN和PMBus。
通過將精密控制架構(gòu)所需的全部資源集成到一個輕松可編程、可配置器件內(nèi)，C2000MCU在減小尺寸和降低成本的同時，也降低了系統(tǒng)其余部分的硬件復(fù)雜度。與多個PWM事件同步的高分辨率ADC和DAC可實現(xiàn)廣泛的控制，包括斜坡補償電路在內(nèi)的片上功能性支持峰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(fā)區(qū)輸入的數(shù)個集成資源可實現(xiàn)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余功能可通過時鐘源的備份來提高電源系統(tǒng)的可靠性。實際上，C2000MCU特有一個3時鐘保護系統(tǒng)配置，其中的一個時鐘在另一個時鐘發(fā)生故障時自動切換至備用時鐘。
開發(fā)工具
開發(fā)人員將C2000MCU應(yīng)用到數(shù)字電源系統(tǒng)的設(shè)計之中，從而能夠充分利用大量的軟件與硬件，簡化了開發(fā)流程，那些不甚了解數(shù)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(shè)計人員能夠快速升級和完成一個開發(fā)項目。借助經(jīng)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(zhuǎn)換器和DC/AC變換器應(yīng)用）的TI數(shù)字電源庫，設(shè)計人員能夠快速采用其中一個powerSUITE應(yīng)用專用軟件模塊來滿足他們系統(tǒng)的特定需要。不用再從頭為全新系統(tǒng)編寫代碼。powerSUITE軟件頻率響應(yīng)分析器（SFRA）使設(shè)計的頻率響應(yīng)分析自動化，而powerSUITE補償設(shè)計工具可實現(xiàn)不同類型比較器的開發(fā)，以優(yōu)化閉環(huán)性能。此外，TI的CodeComposerStudioTM集成開發(fā)環(huán)境（IDE）支持任何所需的其它軟件開發(fā)。
一款應(yīng)用專用評估模塊（EVM）主機和開發(fā)板也加速了原型機設(shè)計和實驗過程。這些創(chuàng)新性EVM的一個有趣示例就是數(shù)字電源BoosterPack，C2000PiccoloTMF28069LaunchPad開發(fā)套件的插入式子板。圖1中顯示的BoosterPack包括一個數(shù)字降壓轉(zhuǎn)換器和工具，這些工具引入了數(shù)字電源控制概念，并且簡化了數(shù)字電源控制子系統(tǒng)的實際設(shè)計。
應(yīng)用
由C2000MCU控制的電源系統(tǒng)為很多最復(fù)雜的電源應(yīng)用提供靈活性、處理能力和片上資源。這些應(yīng)用包括針對太陽能應(yīng)用的微型逆變器、串式逆變器和集中式逆變器，用于智能電網(wǎng)的電力線通信調(diào)制解調(diào)器，針對電動和混合動力車輛充電系統(tǒng)的汽車應(yīng)用，發(fā)光二極管（LED）照明，功率調(diào)節(jié)器，有源電力濾波器，UPS，數(shù)字發(fā)電機以及很多其它器件。
用例分析
服務(wù)器系統(tǒng)提供了大量的示例，表明了C2000MCU的強大功能是如何提高應(yīng)用的效率和有效性。通過集成在服務(wù)器的機架內(nèi)，基于C2000MCU的電力系統(tǒng)能夠在控制機架內(nèi)所有服務(wù)器電力分配的同時，密切監(jiān)視和報告這個機架內(nèi)每個刀片式服務(wù)的運行狀態(tài)。通過使用C2000MCU，可以改進整個服務(wù)器電源接通時間和效率。
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