原创用于 FPGA、处理器和其他负载的数字 POL 电源—它能为我做什么？

 2011-12-9 10:44  2178 5 5 分类: MCU/ 嵌入式

作者：Dan Tooth PhD，德州仪器 (TI) 现场应用工程师

引言

用于 Virtex-6 和 Spartan-6 FPGA 的最新 Xilinx (ML605 and SP605) 评估板均使用 TI 数字控制器电源方案¹。

FPGA 或者处理器设计工程师必须在负载状态下以高效率提供大量的电力。不仅必须要对各个电压轨进行正确的调节，且不能出现过热现象，同时还要求具有更多的功能。本文将对此进行详细的叙述。

提供负载点电源的方法不计其数，为什么工程师需要使用数字电源方法呢？这就是我们这篇文章所要讲述的。

数字 POL 电源方案

图 1 显示了一个多电压轨数字控制器 IC 即 UCD9246，其连接至各功率级。该控制器通过对电压/电流采样调节输出电压，从而实施数字控制环路，并向功率级输出高分辨率 PWM 信号。功率级有一些 FET 驱动器、FET、功率电感和电容。另外，它还提供控制器的电流/电压/温度反馈信号。

图 1-数字 POL 电源方案

功率级

实施功率级最简单方法的是使用一个紧凑型 (15 x 28mm) 数字电源模块，例如：PTD08D210。它具有两个输出，这些输出可以配置为 2 x 10A 电压轨，也可以进行 1 x 20A 电压轨并联。设计一个功率级的另一种方法是使用数字 FET 驱动器UCD7232（很快会发布，其与 UCD7231 类似），加上 TI 非常高效率的“NexFET”MOSFET，例如：双 CSD86350Q5D 或者 CSD86330Q3D。

利用离散式 IC 实施电压轨的一些原因包括：(1) 可以转换低输入电压（低至2.2Vin (2) 可以选择您自己的电感，例如：最小化其高度 (3) 可以设计一个具有特定合适输出电流的电压轨。

融合 (Fusion) GUI

融合数字电源设计器™ GUI是一款功能强大的、免费下载的 TI 软件，用于对控制器的各方面进行配置。例如，Vout 配置窗口如图 2 所示。排序的图形化表示让我们可以很容易地看到参数输入后产生的效果。

图 2—融合 GUI 的 Vout 配置窗口

评估板

图 3 所示 UCD9246 评估板表明设计人员可以非常快速地启动和运行产生多个大电流电压轨。它连接至一台 PC，使用融合 GUI 进行配置。

图 3—UCD9246 评估板

数字POL 解决方案的9 大特性

最终，由于成本效益，而非解决方案的新旧或者是否为“数字式”，设计人员选择了一款特殊的解决方案。在这一部分中，我们将介绍 UCD92xx 数字电源解决方案的诸多好处，并说明其与融合 GUI 的关系。

(1) 电压轨上/下排序。通常，会要求将某些电压轨放置于其他电压轨之前，特别是当向 FPGA 或者处理器供电时。即使没有要求，仍然会存在对它们进行排序的情况，目的是保证设计转入制造生产时的可重复性。使用排序方法的另一个合理原因是降低浪涌电流。

融合 GUI 可以轻松地设置每个电压轨对其他电压轨的依赖度—您可以让某个电压轨在另一个电压轨达到稳定状态（或者脱离稳定状态）以后启动（或者停止）。

利用 UCD92xx 控制器的可编程延迟与上升时间能力可以实现多电压轨“计时”启动。另外，还可以对 UCD92xx 器件进行配置，以实现电压轨“顺序”启动（或者停止）和/或按比例启动，其两个电压轨同时进入稳定状态。同时，还支持电压轨启动“追踪”，其与“预偏置”启动一样，详情参见下面的第（8）项。

(2) 非易失性存储器监控与事件日志。UCD92xx 控制器每个电压轨允许设置 4 层—欠压/过压告警和欠压/过压故障。我们可以对控制器进行一些设置，让其产生某些响应，例如，如果某个电压轨脱离其用户定义的稳定状态，则关闭其他电压轨，或者自动重新启动。

与输入电压和功率级温度一样每相位电流也受到功率级的监控，并返回信息报告—在使用数字功率级模块的情况下。“用户”可以对所有欠/过电流、欠压/过压和超高温告警及故障阈值进行设置。

(3) 组件数量的减少。使用数字电源解决方案，实现了由一个 IC 控制的多电压轨、多相位电源。由于时序以数字方式进行配置，因此不存在时基电容或者电阻。补偿环路位于数字域中，所以没有设置极点和零点的外部无源组件。同样的 IC 还拥有其他一些特性，例如：监控功能和排序功能等。

(4) 数字方式修改Vout 和Vout 安全裕量。数字电源解决方案的每个数字控制电压轨都有 Vout，其意味着主处理器可以通过 PMBus 接口将一个新的特定电压轨 Vout 值，写入到数字控制器。一些 UCD92xx 系列控制器，例如：UCD9222 和 UCD9224 等还拥有一种多比特 VID（电压识别）接口，允许用电器件动态调节提供给它的电压。

裕量是按照规定量对 Vout 实施向下和向上调节的一种能力，其目的是测试整体系统设计对于每个电压轨设定点容限的稳健性，控制器完全支持这种裕量。

(5) 轻负载状态下大电流和高切相 (phase-shedding) 的输出并联。一般而言，我们都希望将多套 MOSFET 半桥接和电感电路并联。在满负载状态下，传导损耗占主导，多相位转换器的效率高于单相位解决方案。使用多相位的另一个好处是可增加功率转换的表面积，从而带来更高的散热性能和更小型的解决方案。如果相位的开关行为为交错模式，则有效开关频率得到增加，同时可以降低输出和输入纹波电压，从而减少电容数目。

在轻负载状态下，开关损耗成为一个更大的因素时，可对 UCD92xx 控制器进行配置，让其自动关闭不需要的功率级。这种方法被称为切相，其提高了轻负载效率。

(6) 配置您自己的控制环路补偿或者使用自动调谐。自动调谐是融合 GUI 的一种强大功能，其为某个模块化或者用户定义功率级设计极点/零点补偿。我们可以使用非线性控制，例如，在稳定状态条件下降低增益来最小化输出的抖动噪声。但是，如果误差增长超过一定程度，则会切换到更高增益，即更加迅速地让转换器输出回到设定点。这就意味着负载瞬态响应 Vout 扰乱得到了最小化。

自动识别是 UCD9246 的另一个重要特性，其将一个正弦波注入到控制环路，然后测量环路另一个点的系统响应。它让 UCD9246 可以测量其自有闭环传输函数。

(7) 开关频率同步。在一些应用中，我们希望将一个或者多个控制器的开关频率同步至某个公共时钟输入，而这些控制器对此都提供支持。

(8) 预偏置启动。“预偏置”是指非启用电压轨的预先存在电压（例如：内核电压），其通过另一个电压源以寄生方式获得充电，并达到一定的电压。如果控制不小心，核心电压轨启用时，大电流会流经同步 MOSFET，从而导致它的毁坏。

为了防止这种事情的发生，控制器具有一种闭环启动功能，其将 Vout 预偏置用作该功能的输入。结果，该电压轨启用时，其会无缝且单一性地斜线上升。

（9）支持临时修改和客户新的要求变化且无需更改硬件。有时，需要临时对规范增加要求或者实施修改。由于更多的电源方案为固件控制，因此在无需更改电路板的情况下实施修改的可能性更大。

结论

在一些能够发挥其强大特性的应用中，数字 POL 电源如鱼得水。