智能化数字电源系统的优化设计new

1、智能化数字电源系统的优化设计 发送 打印本月点击排行 珠海炬力采用MIPS32 24KEc Pro内核开发多媒体解决方案 基于SP12的汽车轮胎状态监测系统设计 有机硅增强汽车电子产品的可靠性其他相关文章 数字功率管理的优势成为设计人员争论热点 基于开路电压的电池监视器电路的编程及测试 一种智能电源监控系统的设计 基于16位单片机的逆变电源系统的设计 PoL变换器的数字控制 优化PCB设计的可编程电源管理方案 Primarion直觉化GUI简化数字电源供应之设计 电源系统通信支持数字电源发展 电源管理的模拟和数字方法 数字电源管理芯片ZL2105的性能及性能测试设计日期：2006-11-09作

2、者：河北科技大学 沙占友 张良 王科 摘 要：介绍了数字电源系统的主要特点及发展现状，简要分析了组成系统的各类芯片的性能特点及工作原理，重点阐述数字电源系统的电路设计。为实现数字电源系统的优化设计提供了具体方案。关键词：数字电源；数字信号处理器；微控制器；故障管理；过电流保护；数字控制0 引言 目前，开关电源正朝着智能化、数字化的方向发展。最近刚问世的智能数字电源系统以其优良的特性和完备的监控功能，正引起人们的关注。数字电源提供了智能化 的适应性与灵活性，具备直接监控、处理并适应系统条件的能力，能满足任何复杂的电源要求。此外，数字电源还可通过远程诊断来确保系统长期工作的可靠性，包 括故障管理、

3、过电流保护以及避免停机等。1 数字电源系统的主要特点及发展现状l.1 数字电源系统的主要特点 数字电源系统具有以下特点。 1)它是以数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)为核心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。传统的由微控制器(P或C)控制的开关电源，一般只是控制电源的启动和关断，并非真正意义的数字电源。 2)采用“整合数字电源”(Fusion Digital Power)技术，实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。例如，功率级所用的模拟组件MOSFET驱动器，可以很方便地与数字电源控制器相 连并实现各种保护及偏置电源管理，而PWM控制器也属

4、于数控模拟芯片。 3)高集成度，实现了电源系统单片集成化(Power system on chip)，将大量的分立式元器件整合到一个芯片或一组芯片中。 4)能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使所设计的数字电源达到高技术指标。例如，其脉宽调制(PWM)分辨力可达150ps(10-12s)的 水平，这是传统开关电源所望尘莫及的。数字电源还能实现多相位控制、非线性控制、负载均流以及故障预测等功能，为研制绿色节能型开关电源提供了便利条件。 5)便于构成分布式数字电源系统。1.2 数字电源系统的发展现状 随着现代科技事业的发展及开关电源市场的需求，在21世纪初国际上开始研制数字电源系统。2005

5、年3月，美国德州仪器公司(TI)宣布推出具有创新型的 数字电源产品，不仅能显著提高电源系统的性能，还可大幅度延长其使用寿命。该公司还展示了Fusjon Digital Powe解决方案，以证明数字电源系统能以极具竞争力的低成本，实现高性能指标及设计灵活性。 该解决方案包括以下3类芯片： 1)UCD7K系列数字电源驱动器(含UCD7100和UCD7201)； 2)UCD8K系列PWM控制器(含UCD8620和UCD8220)； 3)UCD9K系列数字信号处理器(UCD91109501)。 上述芯片已形成系列化产品，于2005年秋季正式销售。该产品支持包括从AC线路到负载的电源系统，可广泛用于电信

6、设施、计算机服务器、数据中心电源系统及不间断电源(UPS)等。2 数字电源系统的基本构成2.l 数字电源驱动器 UCD71007201均属于数字控制电源驱动器芯片，二者的区别是UCD7100为单端输出，UCD7201为双端输出，额定输出电流均为4A，可 驱动MosFET开关功率管，均可适配UCD91109501型数字控制器。主控制器可监控其输出电流，快速检测过流故障并迅速关断电源，检测周期仅为 25ns。 现以UCD7100为例，其内部框图如图1所示。 主要包括33 v电压调整器及基准电压源、触发器、施密特比较器、欠压关断电路、控制门、TrueDrive驱动器。“TrueDrive”(真驱动)

7、为TI公司的专有 技术，它是由并联双极性晶体管和MOSFET管组成上拉/下拉电路构成的混合输出级。其优点是驱动能力强，在低电压时也能正常输出，并能在极低输出阻抗下 控制外部功率MOSFET的过压、欠压保护，功率MOSFET不需要接起保护作用的肖特基钳位二极管。UCD7100能在几百ns的时间内给 MOSTFET的栅极提供一个高峰值电流，快速开启驱动器。UCD7100的高阻抗数字输入端(IN)能接收33v逻辑电平、最高开关频率达2MHz的 信号。利用施密特比较器能将内部电路与外部噪音隔离。若控制器的PWM输出停在高电平上并发生过电流故障，电流检测电路就关断驱动器的输出，系统可进入重 试模式。通过

8、DSP或MCU内部的看门狗电路，能重新启动芯片。UCD7100内部的33 vlOmA电压调整器可作为数字控制器的电源。22 PWM控制器 UCD82208620是受DSP，或MCU数字控制的双端推挽式PWM控制器。二者区别是UCD8220可利用48V低压启动，UCD8620内部增加了110V高压启动电路。UCD8220的内部框图如图2所示。 主要包括33v电压调整器及基准电压源、脉宽调制器(PWM)、驱动逻辑、推挽式驱动器、欠压关断电路、限流电路、电流检测电路。 UCD82208620可运行在峰值电流模式或电压模式，不仅能对极限电流进行编程，还输出一个能受主控制器监控的极限电流数字标志。 UC

9、D82208620的时序工作波形如图3所示。23 数字信号处理器(DSP) UCD9501是TI公司专为数字电源系统配套的数字信号处理器，其同类产品还有TMS320F2808，TMS320F2806。它们内部主要包含 100MHz的32位CPU、时钟振荡器、3个32位定时器、看门狗电路、内部外部中断控制器、SCI总线、SPI总线、CAN总线及I C总线接口、l2路PWM信号输出、系统控制器、16通道12位。ADC、16K16 Flash、6K16 SARAM、1K16ROM。它采用标准的3.3v输入输出接口，与UCD8K系列完全兼容。利用Power PADTM HTSSOP，和QFN软件包可进

10、行编程。3 智能化数字电源系统的电路设计 智能化数字电源系统可由PWM、电源驱动器、DSP、接口电路、显示器和键盘6部分组成。系统框图如图4所示。 图中的数字信号处理器UCD9501通过接口芯片与键盘和显示器相连，用户 不仅能从显示器上观察到当前的电源参数，还可通过键盘随时修改电源参数。 为简化配置，也可由数字信号处理器(UCD9501)和数字控制电源驱动器(UCD7100)构成智能化数字电源系统，电路如图5所示。 交流电压经过整流滤波后获得的+3672 v直流输入电压U1，接高频变压器的初级绕组；还经过R1、R2分压后，分别接UCD9501的模拟输入端AN1及AN2。初级绕组的另一端接功率

11、MOSFET。R3为限流电阻。R4为电流检测电阻。偏置绕组的输出电压通过VD1、C1整流滤波后得到+12v的直流偏压，接UCD7100的电源端 (UDD)。UCD7100输出的33 v电压为UCD9501提供电源。次级整流滤波电路由VD2、L和C2组成，VD3为续流二极管，UD为直流输出电压。从UCD9501输出的脉宽调制信 号(PWMA)送至UCD7100的IN端。UCD7100的极限电流标志端(CLF)接UCD9501的中断端(INT)，极限电流设定端(ILIM) 接UCD9501的GMTR端。利用光耦隔离放大器可将输出级与输入级进行隔离。 当UDD=12V，UCD7100的负载电容CLOAD=10nF,开关频率f=300kHz时，偏置功耗为P=CLOADUDD2=10nF*(12v)2*3