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電源設(shè)計(jì)技巧十例之五：電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)提供精確電量值
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所面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前的處理器、圖像及存儲(chǔ)系統(tǒng)均使用多相電源解決方案。這些多相解決方案可提供一個(gè)極高開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)及調(diào)節(jié)性能，同時(shí)以一個(gè)更加適度的頻率上單獨(dú)地進(jìn)行開關(guān)。對(duì)單通道降壓轉(zhuǎn)換器而言，它們還可以提供比實(shí)際更高的輸出電流。多相電源的優(yōu)勢(shì)來(lái)自于相位交錯(cuò)。通過(guò)以統(tǒng)一的時(shí)間間隔進(jìn)行相位交錯(cuò)（例如：在一款三相交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器中以120° 的時(shí)間間隔進(jìn)行交錯(cuò)），其本身單個(gè)相位固有的輸出紋波被其它相位降至平均水平，從而總體輸出紋波就被降低了。這樣使用更低的脈寬調(diào)制開關(guān)頻率，就可以實(shí)現(xiàn)給定輸出紋波設(shè)計(jì)的目標(biāo)，與此同時(shí)通過(guò)降低開關(guān)損耗提高了效率。

管理多相電源系統(tǒng)存在一些其自身特有的問題，包括輕負(fù)載效率和系統(tǒng)冗余的切相 (phase shedding)，以及系統(tǒng)壽命的相位電流平衡。在傳統(tǒng)模擬電源中實(shí)施這些功能會(huì)比較困難，然而使用一個(gè)數(shù)字控制器則可以很輕松地完成這些任務(wù)。在該案例研究中，引入了一款數(shù)字電源解決方案，其具有多相同步降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以運(yùn)用數(shù)字方法關(guān)閉電壓控制環(huán)路，并且對(duì)不同負(fù)載和散熱條件下的相位進(jìn)行管理，以獲得最佳電源性能。

解決方案

這種系統(tǒng)由多達(dá) 6 個(gè)交錯(cuò)式同步降壓轉(zhuǎn)換器組成，這些轉(zhuǎn)換器均由一個(gè)單微處理器控制，如圖 1 所示。


TI 推出的 32 位 TMS320F2806 數(shù)字信號(hào)控制器 (DSC) 運(yùn)行在 100 MHz 頻率下，并且以電源應(yīng)用為目標(biāo)。在本例中，其在軟件中實(shí)施電壓模式控制，該軟件使用一個(gè)在 PWM 開關(guān)頻率上進(jìn)行采樣的單通道 2 極點(diǎn) 2 零點(diǎn)數(shù)字補(bǔ)償器。隨后產(chǎn)生的占空比值將被傳給每一個(gè)降壓相（所有為實(shí)現(xiàn)相位平衡所作的占空比調(diào)節(jié)除外）。通過(guò)使用片上 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 獲得系統(tǒng)輸出電壓反饋。MOSFET 溫度在整個(gè) ADC 中均為可用，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的目的，并且片上內(nèi)部集成電路 (I2C) 端口提供了對(duì) PMBus通信的支持。針對(duì)同步降壓應(yīng)用專門設(shè)計(jì)了一款 UCD7230 柵極驅(qū)動(dòng)器，從而提供了采用 TI TrueDrive輸出架構(gòu)的雙通道 4-A MOSFET 驅(qū)動(dòng)器、周期性電流限制以及一個(gè)內(nèi)置低失調(diào)、高增益、差分電流傳感放大器。

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(fù)載條件下，動(dòng)態(tài)地減少運(yùn)行相位的數(shù)量通常會(huì)帶來(lái)效率的提高。當(dāng)負(fù)載需求增加時(shí)，一個(gè)切相可以被重新激活。類似地，通過(guò)重新平衡各剩余相位之間的交錯(cuò)，切除一個(gè)失效的相位或者一個(gè)運(yùn)行在邊界狀態(tài)以外的相位，有助于維持系統(tǒng)的性能。在那些需要極高可靠性的應(yīng)用中，一個(gè)備用相位可以被帶上線以取代失效的相位，也就是 N+1 冗余設(shè)計(jì)。不考慮切除一個(gè)相位的原因，剩余相位（或者在 N+1 冗余設(shè)計(jì)中增加相位）的交錯(cuò)角應(yīng)該重新調(diào)整，以維持最佳性能。例如，從一個(gè)三相 120° 交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器中切除一個(gè)相位就應(yīng)該將兩個(gè)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(gè) PWM 輸出均具有一個(gè)相位同步寄存器，它將其計(jì)數(shù)值與首個(gè) PWM 輸出的計(jì)數(shù)值發(fā)生偏移。這就允許所有交錯(cuò)式降壓相位的相位角不僅僅可以在系統(tǒng)初始化期間被靜態(tài)地配置，而且還可以在系統(tǒng)運(yùn)行期間被動(dòng)態(tài)地重新調(diào)整。
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圖 2a 顯示了一款 120° 交錯(cuò)式（條件：10V 輸入、2V 輸出、3A 負(fù)載及300 kHz PWM 開關(guān)）PWM 結(jié)構(gòu)的三相交錯(cuò)式降壓轉(zhuǎn)換器的示波器屏幕采集圖。示波器通道 1 至 3 顯示的是單個(gè)相位電壓，而通道 4 顯示的是交錯(cuò)式輸出電壓（所有示波器通道均為 AC 耦合）。通過(guò)所有運(yùn)行中的三個(gè)相位，可以得出該輸出紋波為 4.9 mV（輸出電壓的 0.25%）。在沒有調(diào)整兩個(gè)剩余相位（見圖 2b）角的情況下，切除相位 2 會(huì)引起輸出紋波增加 86%，即為9.1 mV。為了獲得 180° 交錯(cuò)（見圖 2c），對(duì)兩個(gè)剩余相位進(jìn)行軟件調(diào)整以后，該紋波減少至 7.9 mV。在仍然比初始值大的同時(shí)（因?yàn)橐粋€(gè)兩相位系統(tǒng)無(wú)法獲得如一個(gè)三相系統(tǒng)一樣的低紋波），其比未被調(diào)整的剩余相位角提高了13%。
相位電流平衡

為了最佳化電源組件可靠性和使用壽命，使多相系統(tǒng)中的每一個(gè)相位都等量地分擔(dān)電源負(fù)荷是值得的。由于電源開關(guān)和電感的組件間的不同，以及電路板布局和散熱的非對(duì)稱性，因此流經(jīng)相位的電流是不一樣的?；酒胶夥椒òy(cè)量相位電流，以及對(duì)每一個(gè)相位要求的 PWM 占空比進(jìn)行單獨(dú)地調(diào)節(jié)，以對(duì)電流進(jìn)行平衡。電流非均衡動(dòng)態(tài)十分緩慢，因而平衡環(huán)路的采樣率可以較低，差不多可以是幾十分之幾秒，甚至是幾秒。因此，微處理器上額外的計(jì)算負(fù)擔(dān)可以被忽略不計(jì)。為了減少傳感器噪聲的影響，對(duì)平衡環(huán)路速率電流讀取進(jìn)行過(guò)采樣，并隨著時(shí)間的變化平均每一個(gè)相位的電流測(cè)量。簡(jiǎn)單低增益完整行為“僅”控制算法通常被用于關(guān)閉平衡環(huán)路。在使用平均相位電流作為參考的每一個(gè)環(huán)路反復(fù)過(guò)程中，可以在每一個(gè)相位上執(zhí)行平衡。另一種方法是，有時(shí)只有將在那個(gè)時(shí)刻測(cè)量出的最高和最低電流相位彼此平衡，才能達(dá)到相位電流平衡。無(wú)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(jìn)行相位電流平衡時(shí)通常會(huì)碰到的一個(gè)問題。將一個(gè) 10V 輸入看作是由一個(gè) 100 MHz PWM 時(shí)鐘的 300 kHz PWM 驅(qū)動(dòng)的 2V 輸出同步降壓轉(zhuǎn)換器。該降壓輸出上的 PWM 精度將會(huì)是 30 mV，或者等同于 2V 輸出的 1.5%。一般而言，相比達(dá)到相位平衡和避免平衡控制環(huán)路極限循環(huán)期 (limit cycling) 所需要的較好占空比調(diào)節(jié)，這樣的粒度將會(huì)大一個(gè)甚至是兩個(gè)數(shù)量級(jí)。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(qiáng)了 PWM 模塊的高精度。這種高精度 PWM 提供了 ~150 ps 的邊緣定位。這就相當(dāng)于為上述降壓實(shí)例提供 0.45 mV 的輸出精度，或者 0.02% 的 2V 輸出。這種解決方案可提供高精度以及較好的相位電流平衡功能。

結(jié)論

本文描述了一款數(shù)控多相交錯(cuò)式 DC/DC 降壓系統(tǒng)，其可實(shí)現(xiàn)電壓模式調(diào)節(jié)控制，并具有切相及增相和多相電流平衡的特點(diǎn)。使用傳統(tǒng)模擬控制器來(lái)實(shí)施這些特性將會(huì)十分具有挑戰(zhàn)性，而使用一款基于微處理器的數(shù)字控制器便可以輕松地完成這些任務(wù)。F2806 數(shù)字信號(hào)控制器與 UCD7230 柵極驅(qū)動(dòng)及電流傳感放大器的完美結(jié)合提供了一款完整的信號(hào)控制解決方案，并具有單機(jī)運(yùn)行的片上閃存、同步高精度 PWM 模塊、測(cè)量反饋信號(hào)的 ADC 以及 PMBus 通信功能。

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