简化数字电源 - 第2节

大家好！ 欢迎参加本次演示， 我们将在本次演示中讨论基于状态机架构的 控制器如何能够简化开发数字 电源的过程。 这是议程。 我们将首先简短地回顾一下电源执行的 不同任务，然后分析以数字方式完成它们 所面临的挑战。 接下来，我们将看看已经用于 实现电源的不同类型的 控制器，并介绍基于状态机的 器件架构与以前使用的 其他方法相比有什么不同。 然后，将详细介绍和讨论德州仪器 (TI) 数字电源产品组合提供的基于 状态机的控制器UCD3138 器件。 将提供有关如何能够使用独特的 增值功能轻松实现 最常见的电源拓扑的示例， 以演示如何使用 状态机架构简化数字电源。 让我们开始吧。 什么是电源？ 电源是一个电子设备， 它连接到能源并执行 为电子负载提供经过良好 调节的电压、电流或功率的任务。 例如，所讨论的能源可能是 墙壁中的交流电源插座，电源是 离线交流至直流电源， 可为数据中心提供经过调节的 直流电压。 再比如，能源可能是电池， 电源是隔离式直流至直流电信 模块，为电信网络实现同样的功能。 接下来，如果我们看看 电源内部发生的情况，有两种基本的任务。 一方面，有基本的电源控制任务， 这涉及到以安全的方式为电子负载 提供经过调节的电压、电流或功率。 另一方面，有内部管理和系统通信 任务。 这些涉及到热管理、风扇 速度控制、启用特殊操作模式 以提高电源在特殊 情况下的l性能、遥测 以及与电源外部的主机 MCU 进行通信等功能。 现在可以将先前介绍的 任务视作高速或低速 功能，具体取决于可供 电源控制器执行这些任务的时间预算。 高速功能是在现代电源 内部以几百kHz 的频率 重复的功能，因此 其时间预算只有几微秒。 通常，这会是电压调节，其中 涉及到反馈环路 控制和瞬态响应、 逐周期保护以及 在电源的不同状态之间进行 切换。 另一方面，低速功能 具有几百毫秒或更高的时间预算。 这些功能可能是与主机、MCU 通信、 温度传感和风扇速度控制以及 多个电源之间的电流共享，这些 电源在同一个系统中都是并联的。 这里要承认的关键一点是， 电源控制器承担着同时管理 不同电源功能的繁重任务，每项 任务具有不同的紧急 程度以及不同的与其关联的时间预算。 在传统电源中，先前介绍的 任务是使用专用控制器进行管理的。 专用模拟电源管理控制器 不可用于管理所有 高速电源功能，而通用 MCU 可用于内部管理和系统 通信。 不过，对于数字电源， 所追求的目标是 拥有单个统一数字电源控制器， 能够同时管理这两种 功能，高速功能和低速功能。 现在，让我们后退一步， 看看电源控制器架构的演变 过程。 在左侧，是用于我们 刚才所说的传统电源的 模拟控制器。 这些是简单的器件，可用于 设计快速上市的电源， 并提供高电源带宽。 另一方面，这些作为 特定于应用的器件，趋向于 固定的功能，无法用作用于实现不同 电源拓扑和架构的平台解决方案。 此外，它们需要很多外部组件， 用于实现专门的功能和提供保护。 最后，正如我们先前提到的， 它们需要专用的通用 MCU，来实现电源中所需的 所有内部管理和通信功能。 对于数字控制器， 我们可以在市场上看到三种不同的产品。 右侧是处理器 驱动的数字控制器，其中 一个运行在DSP 或高性能 MCU 上的软件负责执行 电源的所有高速和低速功能。 这些是非常灵活的解决方案， 可用作用于实现不同 控制架构的平台器件。 由于一切都是在软件中实现的， 因此它们可用于支持复杂的控制算法。 此外，提供处理器 还有助于实现内部管理和通信功能。 不过，因为该软件必须 管理所有高速和低速功能， 所以必须仔细地设计该软件的架构。 这需要更多开发工作。 第二，就提供电源带宽而言， 处理器计算带宽是最重要的 考虑因素，更快的 处理器能够在相同的时间内 执行更多的时钟周期， 从而在实现更高的电源带宽方面更有用。 中间是称作硬件 实现的数字电源控制器的 东西。 这些器件采用专用的硬件 状态机来实现高速电源功能。 这样做的最大优势是 任何高速功能都不 涉及处理器。 因此，处理器计算功能 对电源带宽而言不是一个问题。 就这些基于 状态机硬件的数字控制器而言， 有两种器件。 在左侧，我们有这些不可编程 但可通过 GUI进行配置的 固定功能器件。 这意味着可以使用 GUI 来调节和微调控制器的某些参数。 这些器件的好处是电源 设计不涉及任何 固件开发。 另一方面，这些器件 具有固定的功能，因此 不适用于平台实现，此外，其中的 某些器件可能包含一些通信 功能，它们并不满足 大多数数字电源的内部管理要求。 最后，我们拥有基于 硬件状态机的器件类别，它们 是完全可编程的，并且还采用集成 MCU。 正如我们马上要看到的，这些 器件配有某些特定的硬件 电源外设，可以轻松快速地 对其进行配置，以实现不同的 电源拓扑和架构。 因此，它们是灵活的器件。 它们可用作平台解决方案。 在能够使用这些器件方面 存在一个固件开发要素，此时， 正如我们马上要看到的，这主要涉及对某些 寄存器组进行编程，作为基于 状态机的器件，不存在电源带宽问题。 最后，由于提供了集成 MCU，从而允许 电源设计人员使用 该器件实现各种内部管理功能。 另一方面，就熟悉 该器件中的硬件外设 而言，电源设计人员涉及到一个 学习曲线。 第二，实现复杂控制算法的 能力有点受到器件 内部构建的硬件外设的限制。 对于基于处理器的 数字控制器的固件开发任务，有一些需要 深入考虑的问题，其中最重要的是， 是否为设计该具有所述开关频率和带宽的 电源提供了足够的计算能力？ 以用于设计具有至少 20 kHz 带宽的 200 kHz 电源的50Mps CPU 为例， 事实证明，仅有大约 2.5 微秒 可用于在每个开关周期中 需要完成的关键补偿计算。 这意味着仅有大约 125 条指令 可用于该功能。 那么，问题来了，这足够吗？ 如果存在嵌套循环 或独立控制环路，需要使用双输出 电源进行控制，那么事情会变得 更加复杂。 接下来的问题是， 我是否应该使用中断， 中断循环中包含什么任务， 后台循环中分配什么任务？ 然后，当需要同时管理 多个时间关键型任务时， 应该优先考虑什么任务。 确定优先次序绝对是必要的。 那么，器件架构中有多少可用的 优先级？ 最后，最快的功能可能 通常需要使用汇编语言进行 编码，从而形成可由处理器高效处理的 张紧线索。 因为较低级别的编程注意事项，这将 面临进一步的挑战。 总之，开关模式电源 硬件和固件设计更加复杂地与 基于处理器的控制器交织在一起。 固件开发也变得 更多地涉及到基于处理器的 数字控制器。 经过该讨论之后，大家应该会 很清楚地看到，具有集成 MCU 且 基于可编程状态机的控制器类别拥有一些 独特的优势，并且与其他 类别的数字控制器相比， 显示出非常具有吸引力的折衷。 那么，现在让我们看看来自 TI 数字 电源产品组合的一个器件，UCD3138， 它属于该类别。 这里显示的是 UCD3138 数字 控制器的简化高级别方框图。 该器件包含两个部分。 上半部分表示可编程硬件 状态机，下半部分 表示通用 MCU。 正如前面所述，该状态机 在不依赖处理器的 情况下执行时间关键型电源功能。 该状态机采用支持升压 BFC、 谐振 LLC、移相全桥、 硬件全桥、降压等 最常见电源拓扑的硬件 外设，以及其他特殊功能，例如 峰值电流模式、突发模式等。 在底部，有完全可编程的 MCU，它 用于配置和初始化状态机， 然后，它主要 用于执行电源的 内部管理、通信和遥感功能。 话虽如此，还为慢功率 因数校正、电压环路 控制和电流共享等所有 低速电源功能提供了 MCU。 就优点而言，该架构 最重要的优势是可以轻松地进行固件开发。 为了对状态机进行编程，设计 人员所要做的是，熟悉器件中的 硬件外设，然后为 特定的寄存器 指定位值。 高速环路中涉及的所有 补偿计算都在高速 状态机硬件中实现。 因此，无需在低速功能 和高速功能之间进行复杂的计算 资源时间分片。 第二个优点是，该架构允许 设计人员开发高带宽、高频率 数字电源。 凭借 CPU 的常规行和较慢的固件决策， 有可能使用硬件状态机 实现非常高带宽的电源。 当开关周期非常短时， 该优点在高频率下变得更加明显和 引人注目，CPU 的计算时间也是如此。 此外，当需要同时控制 电压环路和电流环路等多个环路时， 或者在电源中存在多个输出 以及存在多个要控制的功率级的情况下，该器件的 优点将变得越来越 引人注目。 其他优点包括器件通过硬件 状态机实现的低功耗，以及 高级别的系统集成， 因为没有一个器件既能够控制电源， 又能够实现内部管理和 通信功能。 总之，该架构可以降低 开发人员开发数字电源的进入壁垒， 并且能够加快上市步伐。 现在，让我们更深入地看看 UCD3138 器件的方框图。 左侧显示的是从 UCD3138 产品说明书中复制的器件 方框图的图片。 器件中的状态机硬件 主要限于器件的上半部分，位于 虚线的上方，它包含用于 控制三个同时运行的 反馈环路的硬件。 器件的底部是通用微控制器， 它是 31.25 MHz32 位 ARM7 控制器，它还采用某些硬件组件， 例如快速模拟竞争电路。 现在，让我们放大，看看硬件状态机 是如何用于同时控制三个反馈环路的。 在 UCD3138 硬件状态机中， 使用三个基本组件 实现反馈环路控制。 首先，有前端块， 它是反馈电压传感和标头生成 块。 接下来，有数字补偿块， 它包含一个 2420PID 样式补偿器。 最后，是 DPWM或数字脉宽 调制器块，它负责生成输出脉冲。 该块能够实现脉冲 宽度调制、频率调制甚至相移调制。 对于脉冲宽度调制，该块的脉冲 分辨率是 250皮秒，对于频率和 相位调制，其脉冲分辨率是 4 纳秒。 利用这三个块，可以控制单个 反馈环路，例如电压环路或 电流环路。 在模拟控制器的模拟世界中，前端 块将类似于误差放大器。 数字补偿块将非常类似于 具有补偿网络中 使用的外部 R 和C 的模拟控制器的 补偿引脚。 最后，DPWM 块将类似于 模拟控制器中的PWM 竞争电路。 UCD3138 中具有三组这样的 基础环路控制块。 此外，还具有第四个 DPWM 块， 用于生成同步整流等 其他控制信号。 接下来，在电源中，将信号从一个控制 环路发送到另一个控制环路是很常见的。 一个经典的示例是平均电流模式控制， 其中外部电压环路将命令信号发送到 内部电流环路。 为了实现这些功能， UCD3138 器件具有称为环路多路 复用器的硬件块，它允许一个环路 嵌套在另一个环路内部。 最后，3138 中的硬件状态机 还包含专用的电源外设，用于 实现某些经常需要的电源功能， 例如扬声器和模式控制、恒定 功率恒定电流调节和过载、 用于实现更佳轻负载效率的 突发模式、启动期间PWM 和 LLC 模式之间的 自动模式切换、快速输入电压 前馈，等等。 接下来，让我们深入地看一下 前端模块，它是UCD3138 中的传感 和误差生成模块。 该块包含一个接受来自电源的 反馈信号的模拟差分 放大器，后跟一个可调增益误差 放大器，其基准由一个 DAC 进行驱动。 可通过 ARM7微控制器 或电源中的不同环路等各种输入源 对 DAC 进行编程。 在误差放大器后面，有一个 速度极高的ADC，它称为 误差 ADC 或误差模数转换器， 执行将放大器 输出处的模拟误差信号数字化到 数字域中的任务。 值得注意的是，在 UCD3138 器件中， 模拟域和数字域之间的转换边界 在该 EADC 块处。 每个前端模块还具有一个专用峰值 电流模式竞争电路，其基准 由 DAC 进行驱动，可通过该 DAC 实现 可编程慢补偿。 在每个前端模块中提供了所有这些硬件 块。 请记住，UCD3138器件中提供了 三个此类前端模块。 因此，UCD3138 器件完全能够 独立控制三个高速反馈环路。 此外，3138 器件中的数字硬件能够 以高速运行， 使其可以支持 电源中高达2 MHz 的开关频率。 现在转向方框图的下半部分，让我们谈谈 该器件中的保护硬件。 UCD3138 器件具有一组高速模拟竞争 电路，共有七个，它们可用于瞬时 关闭任何 DPWM 输出。 因此，这些竞争电路可用于 逐周期电流限制 等功能。 在这些竞争电路后面，有一个称为故障 多路复用器的高级故障管理块。 该块非常灵活，具有从模拟 竞争电路、数字竞争电路、外部 GPIO 等各种源接受输入的功能， 并且能够启动针对关闭任何 DPWM 模块的响应。 该块还具有将某种滤波 添加到模拟竞争电路的 输出的功能。 这是一种数字滤波。 例如，故障最大块可以从模拟竞争 电路之一接受输入， 转到预先确定数量的触发器， 然后启动对DPWM 输出的响应。 这包括对 UCD3138器件中硬件 状态机的介绍。 现在，让我们来谈谈 MCU。 正如前面所述，该器件采用 32 位 ARM7 处理器，通过编程闪存、 数据闪存、RAM和 ROM 提供片上 存储器，还提供了多个通信端口， 例如 UART、PMBus、I-square-C 和 JTAG。 非常有趣的是，该器件采用了 一个故障模数转换器。 为什么是故障？ 嗯，如果您回忆一下，该器件采用了三个 前端模块，其中每个前端模块具有一个 称为 EADC 的专用高速误差模数转换器。 幻灯片中显示的该模数转换器 是第四个模数转换器，它是 速度较慢但分辨率较高的块， 可用于通用传感， 例如温度传感。 最后，该器件采用其他常用的块， 开关计时器、采集和电源监视器。 经过这些介绍之后，让我们看看 如何使用 UCD3138控制隔离式 直流到直流电源，在本例中为移相 全桥转换器。 在初级侧，有四个 全桥 MOSFET。 这里是电源变压器和隔离边界、 次级侧上的两个同步 MOSFET， 次级侧上还有 US 器件， 使这成为次级侧控制的数字电源的 一个示例。 为了调节电源，会传感 输出电压并将其呈现在 一个前端块中，以进行电压环路调节。 同一信号也会呈现到 一个模拟竞争电路中，以进行过压保护。 对于电流环路，使用电流互感器 传感初级侧电流，并将其 呈现到第二个前端块中，以实现 峰值电流模式控制。 同一信号也会呈现到 另一个模拟竞争电路中，以实现 快速逐周期过流保护。 最后，会传感转换器中的 输出电流并将其呈现到 第三个前端块中，用于实现恒定 功率恒定电流调节环路。 在电源在其正常工作电流 范围之外运行，从而导致超高 电压在基于输出电流遇到过流 情况时回落并最终关闭的 情况下，该环路生效。 同一信号也会馈送到 ADC 输入中，以使用ARM 处理器实现慢 电流共享功能。 此外，也可以把同一输入 馈送到模拟竞争电路中， 以基于该电源中的过电流实现过电流 保护。 确定向哪些硬件块呈现 哪些控制信号后，对 数字控制器进行编程 以控制该电源的练习 就仅是按照用于配置相应 寄存器的方法进行操作， 以使用控制器提供相应的功能。 就输出而言，DPWM 模块 2 和 3 用于控制初级侧 MOSFET， 而 DPWM 模块0 和 1 用于 控制次级侧上的同步整流 MOSFET。 总之，这是一个使用 UCD3138 控制器 通过状态机硬件同时调节一个具有 几 kHz 带宽的电压环路和 两个电流环路的示例。 此外，该器件中的ARM 处理器现在 可用于使用PMBus 或 I-square-C 与系统控制器进行通信，以及 使用 UART 通过隔离层与 控制路径 [听不清]校正块的初级侧 数字控制器进行通信。 接下来，让我们看看如何使用控制器 来控制两相交错式升压 功率因数校正交流到直流转换器。 在本示例中，感应交流线路 电压和直流总线超高电压 并将其呈现在 ADC 的输入上，这允许 ARM 处理器使用该信息并将其进行数学计算， 以调节电压环路。 此外，电压环路的一个 要素呈现到硬件状态机中， 显示为电流环路的一个命令信号。 使用电流和互感器传感 电源中的电流，并将其 呈现到两个独立前端块中。 这允许独立使用两个前端块和 两个硬件外设来控制两个电流环路。 同一信号也会呈现到 模拟竞争电路的输入中，以提供 逐周期电流保护。 就输出而言，来自两个 DPWM 块的 输出信号存在 180 度 相移，以控制两个交错式 功率 MOSFET。 也可以选择使用电流传感分流器 传感电感器电流，并将其呈现到前端 模块，以使用状态机硬件调节信号电流 回路。 当然，在该情况下，您将无法选择 在两个电流环路之间实现 良好的电流平衡。 总之，在本示例中，UCD 控制器控制 由状态机硬件控制的 具有几 kHz带宽的过快 电流环路。 此外，电流环路嵌套在慢电压 环路内部，这有助于实现平均电流模式控制。 当电压环路是慢环路时，电流 环路通过硬件实现，这通常 用于功率因数校正转换器， 只能使用 ARM7MCU 实现几十 赫兹的交叉频率。 因此，这是一个可以使用 ARM7 控制器实现慢电源功能的 示例。 让我们快速查看第三个示例， 这是一个双输出直流到直流转换器， 其中包含一个可提供输出 之一的半桥谐振 LLC 转换器， 后跟一个下游降压转换器， 该转换器提供第二个输出。 那么，在这里，电源中的 控制器承担控制两个功率级的任务， 一个是谐振 LLC，另一个是降压功率级。 请记住，这两种 功率级都能在几百 kHz 的开关 频率下运行。 在本例中，LLC 转换器 由一个硬件环路进行 控制，降压转换器的 输出由另一个硬件环路进行控制。 此外，由于提供了第三个环路，因此 可以选择使用分流器传感输出 电流，并实现恒定电流、恒定功率、环路控制等 功能。 因此，在此示例中，可以使用 UCD3138 器件的状态机 硬件实现几 kHz 和 几十 kHz 的带宽和一个 电流环路。 这实际上是一个提供支持 多个环路的硬件以允许 单个数字电源控制器管理整个电源的示例。 到目前为止，我们已经 查看了控制器如何用于实现常见的 电源。 现在，让我们看看如何使用控制器 实现更多功能。 这里是一个有关平均电流模式 控制的示例，其中转换器根据负载 从 CCM 转到 DCM 操作。 在 CCM 操作期间，位于电感器 电流上升沿中点的电流 样本。 在该模式下，中点表示电源转换器中的 平均电流。 不过，在 DCM 模式操作中，同一个 中点会高估开关周期和电源转换器中的 平均电流。 那么，我们如何在 DCM 模式下传感和 获取更准确的平均电流表示呢？ 这正是我们要设法解决的问题。 利用 UCD3138控制器，能够 以过采样模式和硬件 平均模式在前端块中启用 EADC 硬件。 这允许控制器在相同的开关 周期中最多收集的数量 八倍于这些样本，然后可以对其进行平均， 以实现对电源中平均电流更准确的 估计。 使该控制器具有此独特 功能的，是器件内部 数字状态机硬件的高速计算功能。 凭借 65 kHz 开关转换器上八倍的 采样，采样率将高于 500 kHz， 这允许计算时间少于 2 微秒。 正如前面所述，UCD3138 中的数字 状态机硬件能够实现 高达 2 MHz 的开关频率。 现在，可以方便地在功率因数校正 应用中应用这个很好的 功能，以实现极低的电流失真，并将 iTHD 降低高达 4%。 通过在 DCM 模式下使用 8X 过采用功能， 控制器能够在 DCM 模式下 获取更好的平均电流表示， 然后可以将其与控制器内的电流 命令进行匹配，以便在功率因数校正转换器中实现 非常好的电流整形。 接下来，这里是另一个有关控制器帮助您实现 更多功能的示例。 在这里，我们将讨论称为 电源的即时固件升级的东西。 它的意思是在不实际关闭 电源的情况下 在电源中支持和使用新的固件。 器件中的硬件状态机 独立于处理器运行，对电源进行控制。 这意味着，如果处理器忙于执行 其他任务，状态机仍会很高地调节 和保护电源。 另一方面，独立于处理器 运行的状态机可以释放处理器 以执行专门的内部管理功能， 例如这些功能。 使用同一产品系列中的 UCD3138064 器件实现即时固件升级。 该器件是双内存条架构器件。 该器件的独特之处在于，当一个内存条 正在执行当前固件时， 可以同时向另一个块中 写入新固件。 升级过程通过一系列系统化步骤完成。 首先，ARM 处理器在主块，即块 1 执行当前固件并且 状态机控制电源时 将新固件写入 冗余块，即块 2 中。 然后，ARM 处理器运行完整性检查， 确保已正确写入固件。 接下来，处理器从块 1 登台到 块 2，进行实时执行切换。 最后，当时序正确并且 已经保存变量后， 处理器执行实时 切换，这允许电源的固件 进行即时升级。 即时固件升级的主要优点是，它可以 帮助 IT 服务供应商在必须使用新固件 升级开关模式电源以进行 性能升级或错误修复时减少服务器 数据中心中的停机时间。 这里是直流到直流谐振 LLC 转换器中的即时固件升级功能演示。 固件升级实际上 涉及电源操作。 在这里，添加了一个恒定功率 调节功能，以实现过载电流保护。 转换器中的旧电流保护 从当前电源固件中基于 输出电流的方案替换为 基于直流到直流转换器的 初级侧电流的方案。 底部的图片显示了 升级电源固件后的波形。 使一个 GPIO 在固件切换时进行切换， 很明显，电源的输出电压和 转换器的谐振电流 完全没受到干扰。 由于输出电压下降， 新固件开始生效的 证据非常明显，因为 该切换是在电源过载 情况下执行的。 由于原始固件没有恒定功率功能， 因此它会继续在输出电压处进行调节。 在新固件下降时， 输出电压显示恒定功率功能 已经生效。 总之，让我们快速看一下 基于状态机的控制器和基于 处理器的控制器之间的主要差异。 电压和电流反馈环路等 主要高速功能由数字状态机 硬件进行控制。 在基于处理器的器件中，运行在 处理器上的软件控制所有环路。 在制定关键决策时不需要 处理器干预，并且不存在延迟。 在基于处理器的解决方案中，强大的 处理器有时甚至是协处理器的可用性 是要制定的每个决策的核心。 在基于状态机的 器件中，对不同电源拓扑的 支持很简单地依赖于器件内部 配备的硬件。 这允许尝试为 他的项目确定控制器的 设计人员快速制定决策。 另一方面，对于基于 处理器的器件，电源设计人员 和前工程师必须预先 进行详细计算，以确保 选择的处理器能够满足电源要求。 对于使用足够的硬件 进行设计以独立控制 三个环路并且不需要资源 共享的 UCD3138等器件，可能的 [听不清] 支持许多电源拓扑存在。 对于通常具有一个或两个 数据转换器和一个具有已知 功能的处理器且基于CPU 的器件，固件设计人员和 电源设计人员必须再次执行详细的预先 决策制定过程。 对于执行繁重的电源 控制功能的状态机硬件， 处理器完全可用于内部 管理、通信、遥测和其他专门的功能。 另一方面，处理器必须 在电源控制和内部管理功能 之间共享。 固件开发仅涉及针对 所需的电源拓扑配置状态机硬件 以及使用运行在MCU 上的软件构建 低速功能。 另一方面，必须在软件中 构建所需的所有功能，并且 应适当关注高速和低速功能之间的时序 和优先级。 总之，对于任何设计数字开关 模式电源的人员而言，基于状态机的 可编程数字电源控制器体现了固件开发的 简单性、降低的进入壁垒和很短的 上市时间。 现在，我邀请大家访问 TI.com 以查看今天提供的有关 数字电源控制器的 信息。 这包括产品说明书、演示 由数字控制器控制的电源的 完整功能评估模块、讨论即时 固件升级的视频以及 演示使用该控件实现的 高速功能的文档。 这包括该有关数字开关模式 电源的演示。