智能化数字电源系统的优化设计
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、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(μP或μC)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
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(UCD9110／9501)。
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
UCD7100／7201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UCD9110／9501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3．3 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)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3．3v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DSP或MCU内部的看门狗电路，能重新启动芯片。UCD7100内部的3．3 v／lOmA电压调整器可作为数字控制器的电源。
2．2 PWM控制器
UCD8220／8620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3．3v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。UCD8220／8620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。UCD8220／8620的时序工作波形如图3所示。
2．3 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，TM
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+36～72 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3．3 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*300kHz=0.432W。偏置电流I=P/UDD=0.432W/12V=0.036A。
若采用UCD7201，则可驱动两只外部功率MOSFET。此外还可用UCD9501和UCD8620组成数字电源系统。
4 结语
数字电源系统具有高集成度、高性价比、电源管理功能完善、外围电路简单、能面向用户设计等显著优点，为实现智能化电源系统的优化设计创造了有利条件。
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