智能化數字電源系統的優化設計

介紹了數字電源系統的主要特點及發展現狀，簡要分析了組成系統的各類芯片的性能特點及工作原理，重點闡述數字電源系統的電路設計。為實現數字電源系統的優化設計提供了具體方案。
關鍵詞：數字電源；數字信號處理器；微控制器；故障管理；過電流保護；數字控制

0 引言
目前，開關電源正朝著智能化、數字化的方向發展。最近剛問世的智能數字電源系統以其優良的特性和完備的監控功能，正引起人們的關注。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，能滿足任何復雜的電源要求。此外，數字電源還可通過遠程診斷來確保系統長期工作的可靠性，包括故障管理、過電流保護以及避免停機等。

1 數字電源系統的主要特點及發展現狀
1.1 數字電源系統的主要特點
數字電源系統具有以下特點。

1)它是以數字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心，將數字電源驅動器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開關電源系統。傳統的由微控制器(μP或μC)控制的開關電源，一般只是控制電源的啟動和關斷，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，實現了開關電源中模擬組件與數字組件的優化組合。例如，功率級所用的模擬組件——MOSFET驅動器，可以很方便地與數字電源控制器相連并實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芯片或一組芯片中。

4)能充分發揮數字信號處理器及微控制器的優勢，使所設計的數字電源達到高技術指標。例如，其脈寬調制(PWM)分辨力可達150ps(10-12s)的水平，這是傳統開關電源所望塵莫及的。數字電源還能實現多相位控制、非線性控制、負載均流以及故障預測等功能，為研制綠色節能型開關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 數字電源系統的發展現狀
隨著現代科技事業的發展及開關電源市場的需求，在21世紀初國際上開始研制數字電源系統。2005年3月，美國德州儀器公司(TI)宣布推出具有創新型的數字電源產品，不僅能顯著提高電源系統的性能，還可大幅度延長其使用壽命。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，實現高性能指標及設計靈活性。

該解決方案包括以下3類芯片：
1)UCD7K系列數字電源驅動器(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品，于2005年秋季正式銷售。該產品支持包括從AC線路到負載的電源系統，可廣泛用于電信設施、計算機服務器、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.l 數字電源驅動器
UCD7100／7201均屬于數字控制電源驅動器芯片，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MosFET開關功率管，均可適配UCD9110／9501型數字控制器。主控制器可監控其輸出電流，快速檢測過流故障并迅速關斷電源，檢測周期僅為25ns。

現以UCD7100為例，其內部框圖如圖1所示。