电源驱动芯片UCD9222的数字电源设计

摘要：数字脉宽调制信号可以实现电源的数字控制。数字电源具有软件配置、自动电压／电流控制以及集群控制等优点。UCD系列芯片可以提供全套的数字电源实现方案，该系列芯片包括数字脉宽波形控制芯片、电源驱动转换芯片以及复住和时延控制芯片。本文基于以上套片研制出数字电源系统，给出了硬件设计图和软件配置方法，最后给出系统运行图。该系统可以应用于嵌入式高性能电子设备中。
关键词：数字电源；UCD9222；PWM控制

引言
电源设计和控制是电子设计的必要部分之一，电源稳定是系统中大部分器件正常工作的前提。传统的电源设计基于电源处理模块芯片，这些芯片在设计之初就确定了一种固定的工作关系，包括输入／输出、电压电流、纹波频率、转换效率等参数，工作过程中一直维持这种关系。传统电源存在开关频率低、频率波动大、电磁干扰大、不能实时调节等问题。随着电子器件的发展，近几年推出的高性能芯片需要非常稳定的电源才能正常工作，例如，多核DSP需要稳定的电源才能很好地工作在其峰值时钟频率，DDR3也需要随时调节的电源才能实现高速数据读写，100G网等高速接口对电源也提出干扰小的要求。随着数字信号处理技术的发展，数字控制技术逐渐被引入到电源设计中，数字电源相对模拟系统而言，在开关频率中具有设计周期短、灵活多变、易实现模块化管理、能够消除因离散元件引起的不稳定和电磁干扰等优点。数字电源应该具有以下几个特点：①PWM的信号输出由数字控制芯片提供；②控制环路的反馈计算工作由数字单元完成；③具有人机交互界面，便于信息的交换，而且可以实现电源输出的可控和输入的监测；④留有通信总线接口，可方便实现群监群控、冗余控制等。
TI公司推出的UCD系列数字电源套片，是一整套数字电源解决方案。这些套片主要含数字PWM波形控制芯片、电源驱动转换芯片，以及复位和时延控制芯片。本文主要介绍数字PWM控制芯片UCD9222和电源驱动芯片UCD7242的使用，包括软件和硬件设计。

1 总体设计
数字电源系统总体设计如图1所示。

实际硬件系统主要由数字PWM波形控制芯片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的设计可以提供两路电源输出，两路电源完全独立设置，相互之间没有影响。电压设置范围为0．5～10 V，每路电流最高可以设置到10 A。利用图形化编程软件可以直接对硬件系统进行设置，并可以通过PMBus总线将编程后的数据下载到硬件运行，设置好后，下次启动无需重新设置。

2 硬件设计
数字电源硬件系统主要由UCD9222和UCD7242组成。UCD9222为数字PWM波形控制芯片，可以提供2路多相同步数字PWM控制信号，2路PWM信号控制环路结构完全一致，内部结构如图2所示。从图中可以看出，UCD9222控制PWM信号的核心主要由电压跟踪环、电流跟踪环和温度跟踪环组成。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转换器(图中ADC1)在260 ksps频率下采样，采样后数字信号经过比较器，比较器输出来控制补偿滤波器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控制下输出高分辨率的PWM波形，通过有效改变PWM波形来实现对电压驱动芯片UCD7242的控制，来调整UCD7242的输出电压和电流，实现电源的数字控制。

UCD9222内部集成一个6位的低速A／D转换器(图中ADC2)，实现对输出电压EAP1／EAN1的反馈跟踪。内部温度感应器感知芯片温度变化，提供超范围温度的输出功率关断功能，避免错误情况下输出高功率，烧毁器件。
UCD9222整个芯片的管理由内部ARM核完成。该ARM核程序固定，用户不能操作。用户唯一可以操作的是配置UCD9222的各种参数，这些参数主要包括输出电压、输出电流，以及各种控制参数。这些参数都可以通过UCD9222的软件配置工具Fusion Design来完成，配置后的软件通过PMBus总线接口烧写到UCD9222的内部Flash中。上电由ARM读取这些参数，根据这些参数来配置芯片，按照规定输出电流电压。
UCD9222具有一个VID接口，VID接口是SmartReflex技术的标准接口，通过该接口实现对设备静态和动态功耗的检测。
UCD9222为PWM波形控制芯片，其本身不提供电源转换功能。为了实现数字电源的电压转换，UCD9222必须外接电源转换芯片。TI公司提供专门为UCD9222配套的多款转换芯片，UCD7242为其中一款，可以提供两路输出电压。

UCD9222的硬件电路设计如图3所示。图中，PMBus的4根总线必须连接出来，供UCD9222的软件设置使用。UCD9222和UCD7242的连接非常简单，每路只需要3个引脚，分别为FF-1A、PWM-1A、Isense-1A。其中PWM-1A为PWM电压控制信号，该波形需要根据输入电压、输出电压、工作电流来设置，设置的参数通过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，一旦电压和电流超过设定值，UCD9222将关断输出，起到保护电路的作用。如果电压或者电流低于设定值(在负载突然增大情况下)，UCD9222将提高PWM的占空比，以便提供更大的功率，确保负载电压不降低，保证系统正常工作。如果系统的负载芯片(例如DSP、FPGA、ARM等)具有VID接口，可以将其VID接口直接连接到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能力，所以负载芯片可以自主将控制参数通过VID写入到UCD9222，来主动控制电压电流的变化。

UCD7242的硬件电路设计如图4所示。需要注意的是，由于数字电源一般都提供给对电压要求非常高的处理芯片，例如DDR3、高速接口，以及多核处理器等。因此，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。
根据图4中硬件设计，需要计算负载电容和负载电感。计算公式如下：

式中，VPPQ为输出的纹波电压，电路设计中不大于10mV；I为输出电流，两路输出分别为5A和8 A；fs为开关频率，设计中为750kHz；Vin为12V输入电压，Vout为输出电压，两路均为1V。根据式(1)和(2)，计算得到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。实际电路中，也可以通过修改开关频率、负载电容和负载电感来调节输出纹波电压VPPQ。但式(1)和(2)是UCD7242正常工作曲线，如果纹波设置低于芯片工作范围，将不受上式控制。

3 软件设计
软件设计的主要工作就是对UCD9222的参数进行配置。可以通过PMBus总线直接进行配置，但这需要用户非常熟悉UCD9222的寄存器设置。为了方便用户，TI公司提供了免费的图形化的配置软件，用户下载安装FusionDigital Power Designer System，并购买USB接口转PMBus接口数据线，就可以完成对UCD9222的寄存器设置、编程、读写等所有的工作。软件设计完成后，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，可以看出，补偿器直接的输出在各个频率段反映的幅度不一致，变化很大。图6中，曲线1，在低频段(低于1 kHz)具有较好的线性相位关系，在高于1 kHz后，呈现较大的非线性关系，而且有很明显的超调现象。电压在各个频段具有较大的幅度变化，将影响电路中其他器件的性能(如影响A／D转换精度)。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件性能(如影响FIR滤波器的幅频特性)。
为了解决这些问题，UCD7242使用跟踪环路，实时跟踪曲线1的变化关系，如图5、图6中曲线2所示。从图中可以看出，曲线2很好地跟踪上信号的相位变化，幅度变化关系也可以很好跟踪上，只是存在一个固定的比例(幅度跟踪不一致是由跟踪器和补偿器阻抗不一致引起的)。
使用跟踪后的曲线2对曲线1进行校准后，得到最终的输出电压曲线，如图5、图6中的曲线3所示。曲线3就可以看到比较稳定的幅度和相位变化关系。该曲线在大部分频率段具有较好的直流特性，对系统影响较小，而且自身也具有较好的直流关系，使得反馈控制更加准确和快速。

结语
数字技术在电源设计方面的引入使得数字电源成为可能，芯片化后的数字电源设计方法非常简单，设计出的产品具有体积小、价格便宜等优点。本文介绍了一种基于TI公司UCD系列数字电源套片的数字电源系统设计方法。该设计可以提供给多核DSP及高速的DDR3应用。在实际应用中，达到了预期的电源设计目的。