摘 要： 通過將F2806 數字信號控制器(ticle/index.aspx?id=21455">DSC)與 UCD7230 柵極驅動及電流傳感放大器完美結合，設計了一款用于數控多相交錯式 DC/DC 降壓系統的完整信號控制解決方案，該方案具有多相同步降壓轉換器的優點，同時可以運用數字方法關閉電壓控制環路，對不同負載和散熱條件下的相位進行管理以獲得最佳電源性能。
關鍵詞： 數字電源；微處理器；相位交錯；相位電流
當前的處理器、圖像及存儲系統均采用多相電源解決方案。這些多相解決方案可提供一個極高開關頻率轉換器的響應及調節性能，同時以一個更加適度的頻率單獨地進行開關。就單通道降壓轉換器而言，它們還可以提供比實際更高的輸出電流。多相電源的優勢主要在于相位交錯，通過以統一的時間間隔進行相位交錯(例如：在一款三相交錯轉換器中以120°的時間間隔進行交錯)，其本身單個相位固有的輸出紋波被其他相位降至平均水平，從而降低了總體輸出紋波。這樣使用較低的脈寬調制開關頻率就可以實現給定輸出紋波設計的目標，同時通過降低開關損耗提高了效率。
多相電源系統的管理存在一些特有的問題，包括輕負載效率和系統冗余的切相以及系統壽命的相位電流平衡。在傳統模擬電源中實施這些功能會比較困難。然而使用一個數字控制器則可以很輕松地完成這些任務。在本文所述案例研究中，引入了一款數字電源解決方案，該方案具有多相同步降壓轉換器的優點，同時可以運用數字方法關閉電壓控制環路，可對不同負載和散熱條件下的相位進行管理以獲得最佳的電源性能。
解決方案
該多相電源管理系統由多達 6 個交錯式同步降壓轉換器組成，這些轉換器均由一個單微處理器控制，如圖1所示。
TI推出的32位TMS320F2806">TMS320F2806數字信號控制器(DSC)運行在100 MHz頻率下，并且以電源應用為目標。在本例中，其在軟件中實施電壓模式控制，該軟件使用一個在PWM開關頻率上進行采樣的單通道2極點2零點數字補償器。隨后產生的占空比值將被傳給每一個降壓相(所有為實現相位平衡所作的占空比調節除外)。通過使用片上12位模數轉換器(ADC)獲得系統輸出電壓反饋。MOSFET溫度在整個ADC中均為可用，以實現監控的目的，并且片上內部集成電路(I2C)端口提供了對PMBus通信的支持。針對同步降壓應用專門設計了一款UCD7230柵極驅動器，從而提供了采用TI TrueDrive輸出架構的雙通道4-A MOSFET驅動器、周期性電流限制以及一個內置的低失調、高增益、差動電流傳感放大器。
切相和增相
切相提供了一種提高電源效率和可靠性的方法。在輕負載條件下，動態地減少運行相位的數量通常會帶來效率的提高。當負載需求增加時，一個切相可以被重新激活。同樣，通過重新平衡各剩余相位之間的交錯，切除一個失效的相位或者一個運行在邊界狀態以外的相位有助于維持系統的性能。在需要極高可靠性的應用中，一個備用相位可以被帶上線以取代失效的相位，即N+1冗余設計。不考慮切除一個相位的原因，剩余相位(或者在N+1冗余設計中增加相位)的交錯角應該重新調整，以維持最佳性能。例如，從一個三相120°交錯式轉換器中切除一個相位時應該將剩余2個相位分離隔開180°。
TMS320F2806控制器的PWM元件均支持軟件同步及相位控制。每一個PWM輸出均具有一個相位同步寄存器，將其計數值與首個PWM輸出的計數值發生偏移。這就使得所有交錯式降壓相位的相位角不僅可以在系統初始化期間靜態配置，而且可以在系統運行期間動態地重新調整。
圖2(a)顯示了一款120°交錯式(條件：10 V輸入、2 V輸出、3 A負載及300 kHz PWM開關)PWM結構的三相交錯式降壓轉換器的示波器屏幕采集圖。示波器通道1～3顯示的是單個相位電壓，而通道4顯示的是交錯式輸出電壓(所有示波器通道均為AC耦合)。通過所有運行中的3個相位，可以得出該輸出紋波為4.9 mV（輸出電壓的0.25%）。在不調整2個剩余相位角的情況下，如圖2(b)所示，切除相位2會引起輸出紋波增加86%，即為9.1 mV。為了獲得180°交錯(如圖2(c)所示)，可對2個剩余相位進行軟件調整，該紋波減少至7.9 mV，相比調整前的剩余相位角提高了13%。但是由于一個兩相位系統無法獲得如三相系統一樣的低紋波，因此，調整后紋波仍然比初始值大。
相位電流平衡
為了最佳化電源組件可靠性和使用壽命，可使多相系統中的每一個相位都等量地分擔電源負荷。由于電源開關和電感組件的不同，以及電路板布局和散熱的非對稱性，流經相位的電流是不同的。基本平衡方法通過測量相位電流并對每一個相位要求的PWM占空比單獨地進行調節，以達到平衡相位電流的目的。由于電流非均衡動態十分緩慢，平衡環路的采樣率可以較低，均為幾十分之幾秒，甚至是幾秒。因此，微處理器上額外的計算負擔可以忽略不計。為了減少傳感器噪聲的影響，對平衡環路速率電流進行采樣，并隨著時間的變化平衡各相位電流。在使用平均相位電流作為參考的每一個環路反復過程中，可以在每一個相位上執行電流平衡操作。另一種方法是將該時刻測量出的最高和最低電流相位彼此平衡，達到相位電流平衡。無論使用哪一種方法，所有相位電流最終都將匯聚到相同值上。
PWM精度是進行相位電流平衡時通常會碰到的一個問題。將一個10 V輸入看作是由一個100 MHz PWM時鐘的300 kHz PWM驅動的2 V輸出同步降壓轉換器。該降壓輸出上的PWM精度將會是30 mV，或者等同于2 V輸出的1.5%。一般而言，相比達到相位平衡和避免平衡控制環路極限循環期(limit cycling)所需要的較好占空比調節，這樣的粒度將會高出一個甚至兩個數量級。F2806控制器為這一問題提供了一種解決方案，并且別具一格地增強了PWM模塊的高精度。這種高精度PWM提供了150 ps的邊緣定位。這相當于為上述降壓實例提供0.45 mV的輸出精度，或者0.02%的2 V輸出。此外，該解決方案還可提供較好的相位電流平衡功能。
本文描述了一款數控多相交錯式DC/DC降壓系統，該系統可實現電壓模式調節控制，并具有切相、增相及多相電流平衡的特點。使用傳統模擬控制器來實現這些特性頗具挑戰性，而使用一款基于微處理器的數字控制器則可以輕松地完成這些任務。F2806數字信號控制器與UCD7230柵極驅動及電流傳感放大器的完美結合提供了一款完整的信號控制解決方案，并具有單機運行的片上閃存、同步高精度PWM模塊、測量反饋信號的ADC以及PMBus通信功能。