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目前，開(kāi)關(guān)電源正朝著(zhù)智能化、數字化的方向發(fā)展。最近剛問(wèn)世的智能數字電源系統以其優(yōu)良的特性和完備的監控功能，正引起人們的關(guān)注。數字電源提供了智能化的適應性與靈活性，具備直接監控、處理并適應系統條件的能力，能滿(mǎn)足任何復雜的電源要求。此外，數字電源還可通過(guò)遠程診斷來(lái)確保系統長(cháng)期工作的可靠性，包括故障管理、過(guò)電流保護以及避免停機等。 1 數字電源系統的主要特點(diǎn)及發(fā)展現狀 1.1 數字電源系統的主要特點(diǎn) 數字電源系統具有以下特點(diǎn)。 1)它是以數字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心，將數字電源驅動(dòng)器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開(kāi)關(guān)電源系統。傳統的由微控制器(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，并非真正意義的數字電源。 2)采用“整合數字電源”(Fusion Digital Power)技術(shù)，實(shí)現了開(kāi)關(guān)電源中模擬組件與數字組件的優(yōu)化組合。例如，功率級所用的模擬組件——MOSFET驅動(dòng)器，可以很方便地與數字電源控制器相連并實(shí)現各種保護及偏置電源管理，而PWM控制器也屬于數控模擬芯片。 3)高集成度，實(shí)現了電源系統單片集成化(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)揮數字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢，使所設計的數字電源達到高技術(shù)指標。例如，其脈寬調制(PWM)分辨力可達150ps(10-12s)的水平，這是傳統開(kāi)關(guān)電源所望塵莫及的。數字電源還能實(shí)現多相位控制、非線(xiàn)性控制、負載均流以及故障預測等功能，為研制綠色節能型開(kāi)關(guān)電源提供了便利條件。 5)便于構成分布式數字電源系統。 1.2 數字電源系統的發(fā)展現狀 隨著(zhù)現代科技事業(yè)的發(fā)展及開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)的需求，在21世紀初國際上開(kāi)始研制數字電源系統。2005年3月，美國德州儀器公司(TI)宣布推出具有創(chuàng )新型的數字電源產(chǎn)品，不僅能顯著(zhù)提高電源系統的性能，還可大幅度延長(cháng)其使用壽命。該公司還展示了Fusjon Digital Powe解決方案，以證明數字電源系統能以極具競爭力的低成本，實(shí)現高性能指標及設計靈活性。 該解決方案包括以下3類(lèi)芯片： 1)UCD7K系列數字電源驅動(dòng)器(含UCD7100和UCD7201)； 2)UCD8K系列PWM控制器(含UCD8620和UCD8220)； 3)UCD9K系列數字信號處理器(UCD9110／9501)。 上述芯片已形成系列化產(chǎn)品，于2005年秋季正式銷(xiāo)售。該產(chǎn)品支持包括從AC線(xiàn)路到負載的電源系統，可廣泛用于電信設施、計算機服務(wù)器、數據中心電源系統及不間斷電源(UPS)等。 2 數字電源系統的基本構成 2.1 數字電源驅動(dòng)器 UCD7100／7201均屬于數字控制電源驅動(dòng)器芯片，二者的區別是UCD7100為單端輸出，UCD7201為雙端輸出，額定輸出電流均為±4A，可驅動(dòng)MosFET開(kāi)關(guān)功率管，均可適配UCD9110／9501型數字控制器。主控制器可監控其輸出電流，快速檢測過(guò)流故障并迅速關(guān)斷電源，檢測周期僅為25ns。 現以UCD7100為例，其內部框圖如圖1所示。 
主要包括3．3 v電壓調整器及基準電壓源、觸發(fā)器、施密特比較器、欠壓關(guān)斷電路、控制門(mén)、TrueDrive驅動(dòng)器�！癟rueDrive”(真驅動(dòng))為T(mén)I公司的專(zhuān)有技術(shù)，它是由并聯(lián)雙極性晶體管和MOSFET管組成上拉/下拉電路構成的混合輸出級。其優(yōu)點(diǎn)是驅動(dòng)能力強，在低電壓時(shí)也能正常輸出，并能在極低輸出阻抗下控制外部功率MOSFET的過(guò)壓、欠壓保護，功率MOSFET不需要接起保護作用的肖特基鉗位二極管。UCD7100能在幾百ns的時(shí)間內給MOSTFET的柵極提供一個(gè)高峰值電流，快速開(kāi)啟驅動(dòng)器。UCD7100的高阻抗數字輸入端(IN)能接收3.3v邏輯電平、最高開(kāi)關(guān)頻率達2MHz的信號。利用施密特比較器能將內部電路與外部噪音隔離。若控制器的PWM輸出停在高電平上并發(fā)生過(guò)電流故障，電流檢測電路就關(guān)斷驅動(dòng)器的輸出，系統可進(jìn)入重試模式。通過(guò)DSP或MCU內部的看門(mén)狗電路，能重新啟動(dòng)芯片。UCD7100內部的3．3 v／lOmA電壓調整器可作為數字控制器的電源。 2．2 PWM控制器 UCD8220／8620是受DSP，或MCU數字控制的雙端推挽式PWM控制器。二者區別是UCD8220可利用48V低壓?jiǎn)?dòng)，UCD8620內部增加了110V高壓?jiǎn)?dòng)電路。UCD8220的內部框圖如圖2所示。
主要包括3．3v電壓調整器及基準電壓源、脈寬調制器(PWM)、驅動(dòng)邏輯、推挽式驅動(dòng)器、欠壓關(guān)斷電路、限流電路、電流檢測電路。UCD8220／8620可運行在峰值電流模式或電壓模式，不僅能對極限電流進(jìn)行編程，還輸出一個(gè)能受主控制器監控的極限電流數字標志。UCD8220／8620的時(shí)序工作波形如圖3所示。
2．3 數字信號處理器(DSP) UCD9501是TI公司專(zhuān)為數字電源系統配套的數字信號處理器，其同類(lèi)產(chǎn)品還有TMS320F2808，TMS320F2806。它們內部主要包含100MHz的32位CPU、時(shí)鐘振蕩器、3個(gè)32位定時(shí)器、看門(mén)狗電路、內部／外部中斷控制器、SCI總線(xiàn)、SPI總線(xiàn)、CAN總線(xiàn)及I C總線(xiàn)接口、l2路PWM信號輸出、系統控制器、16通道12位。ADC、16K×16 Flash、6K×16 SARAM、1K×16ROM。它采用標準的3.3v輸入／輸出接口，與UCD8K系列完全兼容。利用Power PADTM HTSSOP，和QFN軟件包可進(jìn)行編程。 3 智能化數字電源系統的電路設計 智能化數字電源系統可由PWM、電源驅動(dòng)器、DSP、接口電路、顯示器和鍵盤(pán)6部分組成。系統框圖如圖4所示。
圖中的數字信號處理器UCD9501通過(guò)接口芯片與鍵盤(pán)和顯示器相連，用戶(hù) 不僅能從顯示器上觀(guān)察到當前的電源參數，還可通過(guò)鍵盤(pán)隨時(shí)修改電源參數。 為簡(jiǎn)化配置，也可由數字信號處理器(UCD9501)和數字控制電源驅動(dòng)器(UCD7100)構成智能化數字電源系統，電路如圖5所示。
交流電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后獲得的+36～72 v直流輸入電壓U1，接高頻變壓器的初級繞組；還經(jīng)過(guò)R1、R2分壓后，分別接UCD9501的模擬輸入端AN1及AN2。初級繞組的另一端接功率MOSFET。R3為限流電阻。R4為電流檢測電阻。偏置繞組的輸出電壓通過(guò)VD1、C1整流濾波后得到+12v的直流偏壓，接UCD7100的電源端(UDD)。UCD7100輸出的3．3 v電壓為UCD9501提供電源。次級整流濾波電路由VD2、L和C2組成，VD3為續流二極管，UD為直流輸出電壓。從UCD9501輸出的脈寬調制信號(PWMA)送至UCD7100的IN端。UCD7100的極限電流標志端(CLF)接UCD9501的中斷端(INT)，極限電流設定端(ILIM)接UCD9501的GMTR端。利用光耦隔離放大器可將輸出級與輸入級進(jìn)行隔離。 當UDD=12V，UCD7100的負載電容CLOAD=10nF,開(kāi)關(guān)頻率f=300kHz時(shí)，偏置功耗為P=CLOADUDD2=10nF*(12v)2*300kHz=0.432W。偏置電流I=P/UDD=0.432W/12V=0.036A。 若采用UCD7201，則可驅動(dòng)兩只外部功率MOSFET。此外還可用UCD9501和UCD8620組成數字電源系統。 4 結語(yǔ) 數字電源系統具有高集成度、高性?xún)r(jià)比、電源管理功能完善、外圍電路簡(jiǎn)單、能面向用戶(hù)設計等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現智能化電源系統的優(yōu)化設計創(chuàng )造了有利條件。 |
