數(shù)字電源尺寸和成本概述

數(shù)字電源利用混合信號(hào)處理開(kāi)發(fā)的發(fā)展演進(jìn)。混合信號(hào)處理同時(shí)滿足了數(shù)字電路與模擬電路的需要。數(shù)字電路的范圍很廣，其中包括微處理器、狀態(tài)機(jī)以及通信外設(shè)和簡(jiǎn)單邏輯電路。存儲(chǔ)器也包含在這個(gè)部分中。模擬電路可以包括運(yùn)算放大器和比較器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）脈寬調(diào)制器（PWM）發(fā)生器和基準(zhǔn)，以及更多其它器件。對(duì)這一處理技術(shù)的充分利用能讓這些器件優(yōu)化模擬與數(shù)字電路的分配，同時(shí)又將這些器件集成在一個(gè)芯片上。通過(guò)減少物料清單（BOM）成本和器件數(shù)量可以降低系統(tǒng)成本，并且由于系統(tǒng)中所包含的互連組件減少，系統(tǒng)會(huì)更加可靠。由于一個(gè)控制器有可能服務(wù)于很多解決方案，制造商需要跟蹤和儲(chǔ)備的最小庫(kù)存單位（SKU）更少。

舉個(gè)例子，集成一個(gè)多用途微控制器（MCU）既能夠執(zhí)行一定范圍的電源相關(guān)功能，能夠免除了對(duì)于其它獨(dú)立控制芯片的需要?？梢詾榧尚蚆CU設(shè)定許多電源管理特性，諸如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流條件和其它功能。根據(jù)數(shù)字MCU處理能力的不同，數(shù)字電源器件可被設(shè)定為包含多種電源轉(zhuǎn)換特性，諸如簡(jiǎn)單到復(fù)雜拓?fù)渲С?、自適應(yīng)環(huán)路補(bǔ)償、針對(duì)峰值電流模式控制的斜坡補(bǔ)償、均流以及溫度補(bǔ)償。另外一個(gè)例子就是提供功率因數(shù)校正（PFC），與此同時(shí)執(zhí)行電子儀表計(jì)量功能。通過(guò)提供多種數(shù)字電源器件，設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)閼?yīng)用選擇最適合的功能，而無(wú)需擔(dān)心其他無(wú)用的功能造成的負(fù)擔(dān)。

電源拓?fù)潇`活性

數(shù)字技術(shù)所固有的靈活性，使得特有集成數(shù)字MCU或可配置狀態(tài)機(jī)的數(shù)字電源器件可成為一個(gè)支持所有主要傳統(tǒng)電源拓?fù)涞钠脚_(tái)，這個(gè)平臺(tái)也支持任何有可能出現(xiàn)的全新且更加精密的拓?fù)洹ＫС滞負(fù)鋵ㄏ嘁迫珮?、多相交錯(cuò)PFC、無(wú)橋PFC、共振LLC、雙向DC/DC、雙向DC/AC和PFC、三相逆變器、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）DC/DC和其它拓?fù)洹Ｓ捎谶@一靈活性和集成外設(shè)，通過(guò)使用高分辨率相位、頻率和占空比控制算法，數(shù)字電源器件能夠提供精確波形控制。

效率

高級(jí)控制算法使得數(shù)字電源器件能夠提高電源和系統(tǒng)的功效，從而減少了電源和主機(jī)系統(tǒng)的能耗。這對(duì)數(shù)據(jù)中心、海量存儲(chǔ)系統(tǒng)等很多應(yīng)用的運(yùn)行成本都有顯著的影響。自適應(yīng)數(shù)字控制能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)節(jié)，以改變線路和負(fù)載情況，從而優(yōu)化電源和系統(tǒng)效率。例如，對(duì)于更高效的電力傳輸，可以實(shí)時(shí)改變功率級(jí)的控制方法，或者對(duì)電源轉(zhuǎn)換進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減少其在輕負(fù)載或無(wú)負(fù)載條件下的功耗。

可靠性和安全性

數(shù)字電源器件能夠輕松實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)中其它數(shù)字和模擬組件的交互，這意味它們能夠通過(guò)執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)監(jiān)視和故障響應(yīng)來(lái)有效地提高主機(jī)系統(tǒng)的可靠性和安全性。實(shí)際上，數(shù)字控制器的可編程屬性使得它們能夠支持多種總線（諸如PMBus、I2C、SCI、SPI、CAN和其它類型的總線）上的多協(xié)議通信，這樣的話，系統(tǒng)能夠輕松地與電源子系統(tǒng)通信。通過(guò)監(jiān)視和記錄整個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，數(shù)字電源技術(shù)有助于系統(tǒng)診斷，提供早期故障和錯(cuò)誤報(bào)警，系統(tǒng)也就能夠采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)操作。

寬帶隙（WBG）兼容性

與其等到那些能夠滿足WBG器件新功能的全新模擬控制器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，還不如現(xiàn)在就使用某些數(shù)字電源解決方案。在提供極高分辨率定時(shí)控制的同時(shí)，兼有數(shù)字電源對(duì)所有電源拓?fù)涞闹С帜芰ΓT如氮化鎵（GaN）的全新器件可被用于具有較高開(kāi)關(guān)頻率、較低開(kāi)關(guān)損耗、更大功率密度和零反向恢復(fù)的高級(jí)拓?fù)渲小?br />
TI的數(shù)字電源創(chuàng)新

德州儀器（TI）的數(shù)字電源技術(shù)產(chǎn)品組合是目前業(yè)內(nèi)最全面的產(chǎn)品庫(kù)。雖然其他供應(yīng)商也許能為此行業(yè)的一個(gè)或數(shù)個(gè)細(xì)分市場(chǎng)提供專業(yè)的數(shù)字電源解決方案，TI寬泛的數(shù)字電源創(chuàng)新組合卻可以滿足任何可能的設(shè)計(jì)需求。

總的說(shuō)來(lái)，數(shù)字電源技術(shù)在許多應(yīng)用中都適用，從相對(duì)簡(jiǎn)單的功能到最復(fù)雜的電源管理任務(wù)。數(shù)字電源市場(chǎng)通常被細(xì)分為4個(gè)不同的器件類型，每一類器件均有其自身的優(yōu)勢(shì)和解決方案。這些器件為：數(shù)字電源控制器；具有數(shù)字接口的模擬電源穩(wěn)壓器；數(shù)字電源排序器；數(shù)字熱插拔控制器。接下來(lái)將解釋每個(gè)產(chǎn)品類別，并談一談TI數(shù)字電源產(chǎn)品庫(kù)中的一些器件。

數(shù)字電源控制器

數(shù)字電源控制器調(diào)節(jié)不同類型電源的輸出，從AC/DC到DC/AC電源、隔離式DC/DC、負(fù)載點(diǎn)（POL）穩(wěn)壓器、功率調(diào)節(jié)器和濾波器，以及其它器件。由于它們所具有的集成MCU和電源專用外設(shè)，數(shù)字電源控制器具有同時(shí)執(zhí)行環(huán)路補(bǔ)償和管理反饋環(huán)路所需的計(jì)算能力，以保持正確的輸出穩(wěn)壓或調(diào)節(jié)，以及執(zhí)行其它系統(tǒng)級(jí)監(jiān)視和穩(wěn)壓任務(wù)的能力。這些器件配備有針對(duì)電源管理應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的外設(shè)。

TI的數(shù)字電源控制器有一些行業(yè)內(nèi)獨(dú)一無(wú)二的功能。例如，它們的高頻和高分辨率運(yùn)行使得它們與GaN技術(shù)兼容，從而提供高開(kāi)關(guān)速度和低功率損耗。此外，TI所有的數(shù)字電源控制器特有出色的瞬態(tài)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)性能。這些功能由不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在某些情況下，數(shù)字電源控制器針對(duì)極快速中斷而設(shè)計(jì)，這就減少了控制環(huán)路采樣與響應(yīng)計(jì)算之間的延遲。在其它情況下，使用集成有專用ADC和計(jì)算引擎的外設(shè)來(lái)提供針對(duì)控制環(huán)路的快速響應(yīng)。通常情況下，這些快速響應(yīng)能力使得控制器能夠減少功率級(jí)組件間的差異所帶來(lái)的影響。

集成在TI數(shù)字電源控制器中的MCU可編程性使得它們完全可配置并且能夠控制復(fù)雜拓?fù)?，以及諸如雙向、多相重排序和相位校正、自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制以及其它運(yùn)行模式。此外，通過(guò)配置這些控制器能在包括PMBus在內(nèi)的多種總線上支持系統(tǒng)級(jí)監(jiān)視、儀表計(jì)量和通信。這可實(shí)現(xiàn)諸如在線診斷和報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)功耗數(shù)據(jù)采集等精密電源管理過(guò)程，以優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且可以通過(guò)數(shù)字接口把新參數(shù)寫(xiě)入控制器。正因如此，可采用多種拓?fù)鋪?lái)監(jiān)視控制環(huán)路。實(shí)際上，通過(guò)使用控制器的數(shù)字補(bǔ)償，可以完全避免執(zhí)行具有外部組件的控制環(huán)路?？刂破魉鶊?zhí)行的監(jiān)視和數(shù)據(jù)記錄也可形成早期故障報(bào)警的基礎(chǔ)，這也反過(guò)來(lái)使系統(tǒng)能夠采取措施來(lái)減少這些故障的影響。

C2000TM微控制器

設(shè)計(jì)靈活性與開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)便性使得TIC2000MCU成為廣泛應(yīng)用中眾多電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部件。借助于高級(jí)C語(yǔ)言的完全可編程性以及可輕易更改的配置變量，C2000MCU已經(jīng)顯現(xiàn)出其強(qiáng)大功能，它們可以組成很多平臺(tái)架構(gòu)的基礎(chǔ)，可以很方便地將這些架構(gòu)調(diào)整為滿足特定的設(shè)計(jì)需要，其中也包括最高級(jí)的電源拓?fù)?。高度可配置的PWM和ADC組合使得C2000MCU能夠支持最精密的電源控制功能。C語(yǔ)言中提供的模塊化軟件庫(kù)加快了系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用的直觀開(kāi)發(fā)。TI的C2000實(shí)時(shí)C28x處理內(nèi)核具有高達(dá)200MHz的處理能力，以支持最精密的電源系統(tǒng)。除了其主要的處理內(nèi)核，C2000MCU還特有基于RISC的控制律加速器（CLA）實(shí)時(shí)協(xié)處理器，它的速度處理能力也高達(dá)200MHz。這兩個(gè)完全不同的處理資源可實(shí)現(xiàn)處理負(fù)載的有效劃分，CLA能夠承擔(dān)控制環(huán)路處理和其它實(shí)時(shí)任務(wù)，減輕主內(nèi)核處理這些任務(wù)的負(fù)擔(dān)，從而主核可以專門(mén)進(jìn)行通信協(xié)議處理或額外的控制環(huán)路控制的內(nèi)務(wù)處理任務(wù)。這樣整個(gè)電源系統(tǒng)就會(huì)更加有效，響應(yīng)速度更快。利用多達(dá)12對(duì)高速、高分辨率PWM（分辨率額定值150ps）等眾多資源，C2000MCU能夠驅(qū)動(dòng)高開(kāi)關(guān)頻率以及大量相位或電源軌，同時(shí)又減小了設(shè)計(jì)尺寸。集成高速ADC的處理速度高達(dá)4MSPS，分辨率高達(dá)16位。C2000MCU還支持最常見(jiàn)的實(shí)時(shí)通信協(xié)議，其中包括I2C、SCI、SPI、CAN和PMBus。

通過(guò)將精密控制架構(gòu)所需的全部資源集成到一個(gè)輕松可編程、可配置器件內(nèi)，C2000MCU在減小尺寸和降低成本的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)其余部分的硬件復(fù)雜度。與多個(gè)PWM事件同步的高分辨率ADC和DAC可實(shí)現(xiàn)廣泛的控制，包括斜坡補(bǔ)償電路在內(nèi)的片上功能性支持峰值電流模式和其它精密控制機(jī)制。諸如比較器和來(lái)自多個(gè)來(lái)源的觸發(fā)區(qū)輸入的數(shù)個(gè)集成資源可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率級(jí)的多種保護(hù)功能，其中包括過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護(hù)。多個(gè)片上時(shí)鐘提供的冗余功能可通過(guò)時(shí)鐘源的備份來(lái)提高電源系統(tǒng)的可靠性。實(shí)際上，C2000MCU特有一個(gè)3時(shí)鐘保護(hù)系統(tǒng)配置，其中的一個(gè)時(shí)鐘在另一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)切換至備用時(shí)鐘。

開(kāi)發(fā)工具

開(kāi)發(fā)人員將C2000MCU應(yīng)用到數(shù)字電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中，從而能夠充分利用大量的軟件與硬件，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程，那些不甚了解數(shù)字電源組件的工程師們也能夠很快上手。。通過(guò)充分利用TI的powerSUITETM圖形軟件工具（controlSUITETM軟件包的一部分），設(shè)計(jì)人員能夠快速升級(jí)和完成一個(gè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。借助經(jīng)完全測(cè)試軟件模塊（針對(duì)諸如PFC、AC/DC整流、隔離式DC/DC、DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器和DC/AC變換器應(yīng)用）的TI數(shù)字電源庫(kù)，設(shè)計(jì)人員能夠快速采用其中一個(gè)powerSUITE應(yīng)用專用軟件模塊來(lái)滿足他們系統(tǒng)的特定需要。不用再?gòu)念^為全新系統(tǒng)編寫(xiě)代碼。powerSUITE軟件頻率響應(yīng)分析器（SFRA）使設(shè)計(jì)的頻率響應(yīng)分析自動(dòng)化，而powerSUITE補(bǔ)償設(shè)計(jì)工具可實(shí)現(xiàn)不同類型比較器的開(kāi)發(fā)，以優(yōu)化閉環(huán)性能。此外，TI的CodeComposerStudioTM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）支持任何所需的其它軟件開(kāi)發(fā)。

一款應(yīng)用專用評(píng)估模塊（EVM）主機(jī)和開(kāi)發(fā)板也加速了原型機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這些創(chuàng)新性EVM的一個(gè)有趣示例就是數(shù)字電源BoosterPack，C2000PiccoloTMF28069LaunchPad開(kāi)發(fā)套件的插入式子板。圖1中顯示的BoosterPack包括一個(gè)數(shù)字降壓轉(zhuǎn)換器和工具，這些工具引入了數(shù)字電源控制概念，并且簡(jiǎn)化了數(shù)字電源控制子系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)。

應(yīng)用

由C2000MCU控制的電源系統(tǒng)為很多最復(fù)雜的電源應(yīng)用提供靈活性、處理能力和片上資源。這些應(yīng)用包括針對(duì)太陽(yáng)能應(yīng)用的微型逆變器、串式逆變器和集中式逆變器，用于智能電網(wǎng)的電力線通信調(diào)制解調(diào)器，針對(duì)電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛充電系統(tǒng)的汽車應(yīng)用，發(fā)光二極管（LED）照明，功率調(diào)節(jié)器，有源電力濾波器，UPS，數(shù)字發(fā)電機(jī)以及很多其它器件。

用例分析

服務(wù)器系統(tǒng)提供了大量的示例，表明了C2000MCU的強(qiáng)大功能是如何提高應(yīng)用的效率和有效性。通過(guò)集成在服務(wù)器的機(jī)架內(nèi)，基于C2000MCU的電力系統(tǒng)能夠在控制機(jī)架內(nèi)所有服務(wù)器電力分配的同時(shí)，密切監(jiān)視和報(bào)告這個(gè)機(jī)架內(nèi)每個(gè)刀片式服務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)使用C2000MCU，可以改進(jìn)整個(gè)服務(wù)器電源接通時(shí)間和效率。

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