摘要：数字脉宽调制信号能够完结电源的数字操控。数字电源具有软件装备、自动电压／电流操控以及集群操控等长处。UCD系列芯片能够供给全套的数字电源完结计划，该系列芯片包含数字脉宽波形操控芯片、电源驱动转化芯片以及复住和时延操控芯片。本文依据以上套片研制出数字电源体系，给出了硬件规划图和软件装备办法，终究给出体系运转图。该体系能够使用于嵌入式高功能电子设备中。
关键词：数字电源；UCD9222；PWM操控
导言
电源规划和操控是电子规划的必要部分之一，电源安稳是体系中大部分器材正常作业的条件。传统的电源规划依据电源处理模块芯片，这些芯片在规划之初就确认了一种固定的作业联系，包含输入／输出、电压电流、纹波频率、转化功率等参数，作业过程中一向保持这种联系。传统电源存在开关频率低、频率动摇大、电磁搅扰大、不能实时调理等问题。跟着电子器材的开展，近几年推出的高功能芯片需求十分安稳的电源才干正常作业，例如，多核DSP需求安稳的电源才干很好地作业在其峰值时钟频率，DDR3也需求随时调理的电源才干完结高速数据读写，100G网等高速接口对电源也提出搅扰小的要求。跟着数字信号处理技能的开展，数字操控技能逐步被引进到电源规划中，数字电源相对模仿体系而言，在开关频率中具有规划周期短、灵敏多变、易完结模块化办理、能够消除因离散元件引起的不安稳和电磁搅扰等长处。数字电源应该具有以下几个特色：①PWM的信号输出由数字操控芯片供给；②操控环路的反应核算作业由数字单元完结；③具有人机交互界面，便于信息的交流，并且能够完结电源输出的可控和输入的监测；④留有通讯总线接口，可便利完结群监群控、冗余操控等。
TI公司推出的UCD系列数字电源套片，是一整套数字电源处理计划。这些套片首要含数字PWM波形操控芯片、电源驱动转化芯片，以及复位和时延操控芯片。本文首要介绍数字PWM操控芯片UCD9222和电源驱动芯片UCD7242的运用，包含软件和硬件规划。
1 总体规划
数字电源体系总体规划如图1所示。
实践硬件体系首要由数字PWM波形操控芯片UCD9222、电源驱动芯片UCD7242，以及相应的由电感和电容组成的匹配网络组成。图1的规划能够供给两路电源输出，两路电源彻底独立设置，相互之间没有影响。电压设置规模为0．5～10 V，每路电流最高能够设置到10 A。运用图形化编程软件能够直接对硬件体系进行设置，并能够经过PMBus总线将编程后的数据下载到硬件运转，设置好后，下次发动无需从头设置。
2 硬件规划
数字电源硬件体系首要由UCD9222和UCD7242组成。UCD9222为数字PWM波形操控芯片，能够供给2路多相同步数字PWM操控信号，2路PWM信号操控环路结构彻底一致，内部结构如图2所示。从图中能够看出，UCD9222操控PWM信号的中心首要由电压盯梢环、电流盯梢环和温度盯梢环组成。这3个环路的输入信号分别为VinMon、LinMon和Templ，这3路信号经过12位分辨率的A／D转化器(图中ADC1)在260 ksps频率下采样，采样后数字信号经过比较器，比较器输出来操控补偿滤波器IIR，高滤波器为3极点和3零点滤波器，具有较多的线性相位。补偿滤波器在ARM操控下输出高分辨率的PWM波形，经过有用改动PWM波形来完结对电压驱动芯片UCD7242的操控，来调整UCD7242的输出电压和电流，完结电源的数字操控。
UCD9222内部集成一个6位的低速A／D转化器(图中ADC2)，完结对输出电压EAP1／EAN1的反应盯梢。内部温度感应器感知芯片温度改变，供给超规模温度的输出功率关断功用，防止过错情况下输出高功率，焚毁器材。
UCD9222整个芯片的办理由内部ARM核完结。该ARM核程序固定，用户不能操作。用户仅有能够操作的是装备UCD9222的各种参数，这些参数首要包含输出电压、输出电流，以及各种操控参数。这些参数都能够经过UCD9222的软件装备东西Fusion Design来完结，装备后的软件经过PMBus总线接口烧写到UCD9222的内部Flash中。上电由ARM读取这些参数，依据这些参数来装备芯片，依照规则输出电流电压。
UCD9222具有一个VID接口，VID接口是SmartReflex技能的标准接口，经过该接口完结对设备静态和动态功耗的检测。
UCD9222为PWM波形操控芯片，其本身不供给电源转化功用。为了完结数字电源的电压转化，UCD9222有必要外接电源转化芯片。TI公司供给专门为UCD9222配套的多款转化芯片，UCD7242为其间一款，能够供给两路输出电压。
UCD9222的硬件电路规划如图3所示。图中，PMBus的4根总线有必要衔接出来，供UCD9222的软件设置运用。UCD9222和UCD7242的衔接十分简略，每路只需求3个引脚，分别为FF-1A、PWM-1A、Isense-1A。其间PWM-1A为PWM电压操控信号，该波形需求依据输入电压、输出电压、作业电流来设置，设置的参数经过PMBus总线写入到UCD9222中。FF-1A和Isense-1A分别是电压监控和电流监控引脚，一旦电压和电流超越设定值，UCD9222将关断输出，起到维护电路的效果。假如电压或许电流低于设定值(在负载忽然增大情况下)，UCD9222将进步PWM的占空比，以便供给更大的功率，确保负载电压不下降，确保体系正常作业。假如体系的负载芯片(例如DSP、FPGA、ARM等)具有VID接口，能够将其VID接口直接衔接到UCD9222。因为负载芯片一般为处理器，也具有较强的电压电流检测才能，所以负载芯片能够自主将操控参数经过VID写入到UCD9222，来自动操控电压电流的改变。
UCD7242的硬件电路规划如图4所示。需求留意的是，因为数字电源一般都供给给对电压要求十分高的处理芯片，例如DDR3、高速接口，以及多核处理器等。因而，其电压输出引脚要旁通多个不同容值和不同封装的电容，如图4中的CVDD和VDD1V0引脚。
依据图4中硬件规划，需求核算负载电容和负载电感。核算公式如下：
式中，VPPQ为输出的纹波电压，电路规划中不大于10mV；I为输出电流，两路输出分别为5A和8 A；fs为开关频率，规划中为750kHz；Vin为12V输入电压，Vout为输出电压，两路均为1V。依据式(1)和(2)，核算得到VCC1V0输出的负载电容和负载电感分别为83.3μF和0.243μH；CV DD输出的负载电容和负载电感分别为133．3μF和0．152μH。实践电路中，也能够经过修正开关频率、负载电容和负载电感来调理输出纹波电压VPPQ。但式(1)和(2)是UCD7242正常作业曲线，假如纹波设置低于芯片作业规模，将不受上式操控。
3 软件规划
软件规划的首要作业便是对UCD9222的参数进行装备。能够经过PMBus总线直接进行装备，但这需求用户十分了解UCD9222的寄存器设置。为了便运用户，TI公司供给了免费的图形化的装备软件，用户下载安装FusionDigital Power Designer System，并购买USB接口转PMBus接口数据线，就能够完结对UCD9222的寄存器设置、编程、读写等一切的作业。软件规划完结后，会给出相关的电压、电流、相位等曲线图。图5为输出幅频特性曲线，图6为输出相频特性曲线。图中设置参数为输入电压12 V、输出电压1 V、输出电流8 A。
图5中曲线1为比较补偿器输出的幅频曲线，能够看出，补偿器直接的输出在各个频率段反映的起伏不一致，改变很大。图6中，曲线1，在低频段(低于1 kHz)具有较好的线性相位联系，在高于1 kHz后，出现较大的非线性联系，并且有很明显的超调现象。电压在各个频段具有较大的起伏改变，将影响电路中其他器材的功能(如影响A／D转化精度)。电压在各个频率段具有非线性相位，也将影响电路中其他器材功能(如影响FIR滤波器的幅频特性)。
为了处理这些问题，UCD7242运用盯梢环路，实时盯梢曲线1的改变联系，如图5、图6中曲线2所示。从图中能够看出，曲线2很好地盯梢上信号的相位改变，起伏改变联系也能够很好盯梢上，仅仅存在一个固定的份额(起伏盯梢不一致是由盯梢器和补偿器阻抗不一致引起的)。
运用盯梢后的曲线2对曲线1进行校准后，得到终究的输出电压曲线，如图5、图6中的曲线3所示。曲线3就能够看到比较安稳的起伏和相位改变联系。该曲线在大部分频率段具有较好的直流特性，对体系影响较小，并且本身也具有较好的直流联系，使得反应操控愈加精确和快速。
结语
数字技能在电源规划方面的引进使得数字电源成为可能，芯片化后的数字电源规划办法十分简略，规划出的产品具有体积小、价格便宜等长处。本文介绍了一种依据TI公司UCD系列数字电源套片的数字电源体系规划办法。该规划能够供给给多核DSP及高速的DDR3使用。在实践使用中，达到了预期的电源规划意图。
