数字电源技术及应用

数字电源可以完成对PWM控制环路的数字控制和数字电源管理与通信任务。系统可以使用一种或两种形式的数字电源。数字电源的关键数字器件有数字电源驱动器、数字电源PWM控制器和数字信号处理器等。

(一)数字电源驱动器

目前，数字控制电源驱动器芯片中比较典型的应用有美国德州仪器公司(TI)公司的UCD7100/7201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，该芯片主要包括3.3V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、True Drive驱动器等部分组成。“True Drive”(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FIS的时间内给MOSFET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，能重新启动片。UCD7100内部的3.3V/10mA电压调整器可作为数字控制器的电源。

(二)数字电源控制器

美国德州仪器公司(TI)公司的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。

该芯片主要包括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T作波形如图3所示。

(三)数字信号处理器

目前，专为数字电源系统配套的数字信号处理器有美国德州仪器公司(TI)公司的UCD9501、TMS320F2808和TMS320F2806等。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 I2C总线接口、12路PWM信号输出、系统控制器、16通道12位ADC、16K×16Flash、6K×16SARAM、1K×16ROM.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软件包可进行编程。

四、数字电源发展面临的问题

数字电源已经表现出相当多的优点，但仍有一些缺点需要克服。例如，模拟控制对信号状态的反应是瞬时的，而数字电源需要一个采样、量化和处理的过程来对负载的变化做出反馈，因此它对负载变化的响应速度目前还比不上模拟电源。数字电源的占板面积要大于模拟电源，精度和效率也比模拟电源稍差。虽然数字控制方法的优点在负载点(POL)系统中非常明显，但模拟电源在分辨率、带宽、与功率组件的电压兼容性、功耗、开关频率和成本(在简单应用中)等方面仍然占有优势。不过，如果考虑到数字电源解决方案具有的优点，使用模拟电路搭建功能相似的电路，成本并不一定就比数字电源低。