高效率小尺寸双向DC-DC变换器设计(二) - 500W超小型双向变换器设计-TIDA-00705

这里我们将介绍一款超小型的非隔离双向直流变换器设计 其功率密度达到了480W每立方英吋 这是TIDA-00705的总体介绍 从左边的图中可以看出两个服务器电源挂在交流母线上 输出12V直流而橘色框中的AOES 是每个服务器电源的子系统 TIDA-00705又是AOES的一部分 如红圈所示 右下角的图是TIDA-00705内部结构框图 它左边连接电池组右边接12V直流母线 它由两项半桥交错并联构成每项半桥开关频率为700KHz 它既可以工作在电池充电的升压模式又可以工作在电池放电的降压模式 最大可以500W放电两分钟 并且两种模式间的切换时间小于一微秒 基本实现了平滑过渡 TIDA-00705的设计采用了
TI高集成度的控制器UCD3138A TIDA-00705同时实现了高效率和高功率密度 从左边波形可以​​看出其在电池放电模式下 峰值效率超过了97% 在轻载下也保持了较高的效率值 从中间波形可以看出其从12V直流母线给电池充电时 峰值效率超过了95% 该页的最右边是TIDA-00705的实际照片 它的尺寸只有
25.4mm x 25.4mm x 12.5mm 不含散热片 包含散热片的话 它的尺寸是
25.4mm x 25.4mm x 25.4mm 也就是一立方英吋 这是TIDA-00705从电池充电模式向电池放电模式切换的波形 测试是在12V直流母线 10A负载以及1000uF电容的情况下进行的 红色的是12V直流电压绿色的是12V母线电流 蓝色的是UCD3138A内部调适信号 大家可以看到当电路
从电池俯冲状态切换到电池放电时 12V直流母线电流反向快速上升 该过程中12V直流母线电压
峰峰值波动只有630毫伏 整个服务系统运行未受到任何干扰 这是TIDA-00705从电池放电模式向电池充电模式切换的波形 褐色的是电池电压 红色的是12V直流电压绿色的是12V母线电流 蓝色的是UCD3138A内部调适信号 大家可以看到当电路
从电池放电状态切换到电池充电状态时 12V直流母线电流反向快速下降 该过程中12V直流母线电压
峰峰值波动只有440毫伏 电池实现了正常充电而且服务器系统也保持了正常运行 TIDA-00705方案的实现是由如下关键器件来保证的 第一个是TI 25V DualCool Mos管其1.6毫欧的Rds(on)和18nC的QG 以及允许双面散热的设计是实现高功率密度设计的关键之一 详见右图中四个红圈的位置第二个是TI的半桥Mos管驱动器 它的Source和Sink电流各自高达4A并能耐受-18V的电压毛刺 从而保证Mos管的快速可靠通断运行 详见右图中两个橘色圈的位置 第三个是UCD3138A数字电源控制器它是该方案的核心控制部分 后续两页我们将着重对它进行介绍见右图黄圈的位置所示 UCD3138A是TI的一款针对数字电源的控制器 可以支持不同的电源拓扑包括boost PFC 无桥PFC LLC 移项全桥双管[听不清] 硬开关全桥等等 UCD3138A包括三个独立的硬件反馈回路 支持电压型 峰值电流型和平均电流型控制 UCD3138A拥有16MHz的误差ADC 用作反馈回路的误差信号检测 同时拥有14位的DAC可以设置反馈回路的基准电压 UCD3138A内部的环路补偿器可以配制成（单铃单级 双铃单级 双铃双级？）的结构 UCD3138A有八个高精度的DPWM输出 分辨率可以达到250ps 最高开关频率可以达到2MHz 此外UCD3138A还拥有丰富的资源保证电源的状态监控 通信和故障保护 UCD3138A拥有12位的通用ADC多达14个通道 多达七个模拟比较器可以实现逐波限流的保护 延迟时间只有50nsUCD3138A的供电也非常简单 整个IC只需要3.3V供电 这一页是关于UCD3138A
内部功能模块的详细介绍 UCD3138A共有三个独立的误差ADC 分辨率最高可达一毫伏每LSB 可以有效地降低输出电压纹波 和误差ADC相连的是PID补偿器配置简单 只需要在软件中配置KP KI KD KA的值 就可以得到（单铃单级 双铃单级或双铃双级？）的补偿器 和PID补偿器连接的是DPWM模块 可实现不同DPWM模块的切换 和burst模式 此外 UCD3138A还有其他的功能模块 也是对开关电源非常有用 比如均流模块 恒功率恒电流模块频率同步模块 防止偏磁的模块 UCD3138A的ADC是12位的内部集成温度传感器 可实现对ADC转换结果的平均处理 UCD3138A是基于On7的数字IC支持在线升级软件 PMBus UART和SPI通信 在我们对UCD3138A有了一定的了解后 下面我们要介绍如何用UCD3138A实现开关电源的控制 如前面所讲一个双向DCDC转换器 需要三个反馈环路实现控制 一个是电流环另外两个是12V和48V的电压环 分别在buck模式或boost模式下使用屏幕上的功能框图 展示了UCD3138A和功率集的连接 UCD3138A有四对DPWM每一对可以控制一项同步buck 如果是硬开关控制UCD3138A的控制回路 会产生固定开关频率的驱动信号 当然也可以实现软开关控制 UCD3138A会检测电感的负向电流检测到的负向电流 和UCD3138A设定的阀值进行比较 当检测到的负向电流超过
UCD3138A设定的阀值 比较器的输出会发出一个同步信号 此同步信号会复位DPWM的周期指数值 让UCD3138A开始一个新的PWM开关周期 这样的控制完全不需要多余软件的处理 这是UCD3138A和通用DSP的一个区别 这是UCC27211A 
Mos管驱动器的介绍 UCC27211A是一个高速双通道可以实现半桥驱动的一体化Driver 它自带120V启动Source和Sink电流可达4A 它内置的ESD设计可以使其耐受高的电压尖峰 可靠运行 它的双通道结构非常灵活可以支持全桥半桥 有元前位和高压buck等不同应用