数字电源浅析之一：数字电源的分类

2020-11-28

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数字电源有很多种形态，在几乎所有的数字转换器中，一个共同的元素是具有通信总线，通常基于PMBus协议。

第一类数字电源可以执行各种监视和控制功能的管理IC，但是没有嵌入在功率转换器中。第二类是在带有模拟控制回路的功率转换器中嵌入数字通信，这通常被称为“数字封包（digital wrapper）”。第三类是增加一个外部数字控制回路，以快速控制模拟回路。最后，还有全数字控制的功率转换器，完全取消了模拟控制回路。

数字电源优势

通过采用先进的控制算法，数字电源可以动态地改变控制参数，使系统适应输入和负载的变化。此外的好处是，电源系统中的关键部件可以合并成一个芯片。

模拟和数字电源控制的区别。（图片：Microchip）

数字电源可以在多个操作模式下方方面面地优化效率。对于PFC-Boost变换器，通过在较低的开关频率下操作变换器，可以在较轻的负载时降低开关损耗。由于负载较轻，磁控技术仍能处理较低的开关频率。如果采用了交错式PFC变换器，则可以在轻负载下关断一相。类似地，对于移相全桥变换器，通过关闭同步Mosfet的开关并使用体二极管，可以在轻负载下消除额外的开关损耗。

另一个例子是Buck变换器的应用。同步Buck变换器通常是大电流输出的首选。然而，使用同步MOSFET会在轻负载下产生循环电流，造成更高的损耗。因此，当Buck变换器以不连续电流模式工作时，可以使同步/续流（free wheeling）MOSFET失效。

许多新技术可以在数字域中实现，这些技术几乎不可能或太复杂而无法在模拟域中实现。一个例子是非线性控制系统的实现。它还可以实时改变控制回路，动态地改变系统的工作条件，例如，改变输入和输出负载条件。

数字电源管理集成电路

数字电源管理芯片是数字电源的最基本形式。设备可用于实现各种电力系统管理功能，如提供单个DC/DC转换器的增强监视和控制的数字监控器、具有数字监控功能的热插拔控制器、带有PMBus接口的系统电源管理IC等等。

Vicor的D44TL1A0是一款数字电源系统控制器，系统控制器可以通过隔离的UART接口和最多四个具有PMBUS的BCM（Bus Converter Modules）进行通信。通过D44TL1A0，主处理器可以配置、设置保护限值和监控每个BCM。

Maxim的MAX16545B/C是一款断路器保护IC，集成低电阻MOSFET和无损电流检测电路，具有PMBus/SMBus遥测功能，具有广泛的状态监测和报告功能。该芯片旨在为系统12V电源的分配、控制、监控和保护提供最佳解决方案。内部LDO为保护IC提供偏置电源电压。提供了三种过电流保护方法。可编程的中等电压OCP电平允许在有限的时间内抵抗浪涌电流。如果检测到电流严重超过OCP阈值，用户可使用OCP电平提供快速断开连接。一个额外的固定高电压关闭OCP提供瞬时断开功能，以进一步保护设备。

具有PMBus控制引脚的MAX16545B/C断路器保护IC的典型应用电路。（图片：Maxim）

针对热插拔应用，ADI提供了ADM1075，这是一种负电压热插拔控制器，具有恒定功率回退和高精度数字电流和电压测量，允许安全地将电路板从带电的−48V DC背板上插入或移除。该器件提供精确和稳健的电流限制和保护，以防止瞬态和非瞬态短路以及过压和欠压保护。

电流、电压和功率测量可以由PMBus命令启动，可设置为连续运行模式。用户可以在需要时读取最新的转换数据。还提供了一个功率累加器来报告在用户指定的时间段内消耗的总功率（总能量）。

TI的LM25056A结合了高性能模拟和数字技术以及PMBus接口，可精确测量电气系统的工作状态，包括连接到背板电源总线的计算和存储设备。该器件连续向系统管理主机提供实时的电源、电压、电流和温度数据。

数字封包

数字封包以各种格式提供，从非常简单的功率转换器芯片到复杂的系统控制器。IR38063 PMBus SupIRBuck是英飞凌一款具有I2C/PMBus接口的全集成DC/DC调节器。IR38063可以通过PMBus进行综合配置，配置存储在系统中。此外，PMBus命令允许运行时控制、故障状态检测和遥测。IR38063还可以作为标准模拟调节器运行，无需任何编程，并且可以提供模拟输出的电流和温度遥测。

Microchip提供其数字增强功率模拟（DEPA）控制器，该控制器包含模拟控制回路和数字监控，使用模拟基准、放大器和PWM发生器调节输出，同时由一个嵌入式8位MCU进行配置、监控、测量和动态调整。这使得系统能够报告遥测，动态地进行操作调整，并使用定制的、特定于应用程序的代码来响应故障。如果没有这种额外的集成，灵活、健壮的设计可能需要单独的芯片来调节输出，调整调节器的操作，测量结果，并在系统外部传递信息。

数字和模拟混合控制器

STNRGPF01是由ST开发的一种数字可配置ASIC，可在工业应用的交错PFC中驱动多达三个通道。STNRGPF01实现混合信号（模拟/数字）控制。电流内环由硬件实现，电压外环采用数字PI控制器。该器件对电压和电流回路进行级联控制，通过作用于电感总平均电流来调节输出电压。模拟部分确保循环电流调节，而数字控制管理非实时操作。

STNRGPF01用于三相交错PFC应用，分为内部模拟控制部分和外部数字控制部分。（图片：ST）

STNRGPF01实现了一种灵活的切相策略，该策略能够根据实际负载条件来实现正确的PFC通道。通过此功能，STNRGPF01始终能够在各种负载电流要求下保证最高的功率效率。

Microchip基于其PIC MCU提供其核心独立外围（CIP core independent peripheral）混合电源控制器。这些MCU通过结合模拟和数字外围设备的灵活性来实现功率控制的混合方法，这些外围设备可以在运行时配置，使MCU能够控制各种拓扑结构。由于CIP被设计为独立于内核运行，因此它们释放了CPU性能，来执行通信和协调任务。一个控制器可以管理多达四个独立的功率转换阶段。该解决方案设计用于管理智能固态照明、汽车和楼宇自动化的高级调光、电池充电、多级功率排序以及物联网智能电源应用。

纯数字控制器

TI和英飞凌提供纯基于Arm的数字控制器。UCD3138是TI的数字电源控制器，在单芯片解决方案中提供高集成度和高性能水平。UCD3138的灵活特性使其适用于各种功率转换应用。此外，设备内部的多个外围部件经过专门优化，以提高AC/DC和隔离DC/DC应用程序的性能，并减少IT和网络基础设施解决方案的外围元器件数量。

UCD3138控制器的核心是数字控制环路外围设备，也称为数字功率外围设备（DPP）。每个DPP实现一个高速数字控制回路，包括一个专用的误差模数转换器（EADC）、基于PID的2极/2零数字补偿器和具有250ps脉冲宽度分辨率的DPWM输出。该设备还包含一个12位267 ksps的通用ADC，最多有14个通道、定时器、中断控制、PMBus和UART通信端口。

XDPP1100是英飞凌高集成和可编程数字电源控制器。该设备为具有隔离拓扑的48V DC/DC电源应用提供了先进的控制解决方案。XDPP1100设备具有许多优化的电源处理模块和预先编程的外围设备，以增强隔离的DC/DC转换器的性能，减少外围组件，并将固件开发工作减至最少。

控制器还为系统通信、高级功率转换和监控提供精确遥测的PMBus接口。集成的电流传感能力和紧凑的芯片尺寸（24pin 4平方毫米）可以通过取消各种周边元件，而大大减小解决方案的尺寸。XDPP1100包括一个高性能模拟前端、基于状态机的数字控制环路和一个Arm Cortex M0。

本文编译自EEWORLDONLINE

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