基于UCD9240的数字电源设计

廖海黔

(贵州航天计量测试技术研究所 研发部,贵州 贵阳　550009)



基于UCD9240的数字电源设计

廖海黔

(贵州航天计量测试技术研究所 研发部,贵州 贵阳550009)

摘要针对传统的电源设计存在开关频率低、频率波动大、电磁干扰大、无法实时调节等问题。文中采用UCD9240控制芯片完成某项目硬件平台的数字电源方案,进行硬件电路和软件参数配置的设计,并将对理论计算与实际数值进行了比较,结果显示该设计方案能较好地满足设计要求。

关键词数字电源;UCD9240;PWM控制

传统电源设计是基于电源处理模块芯片,通常这些芯片本身已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、转换效率等指标参数,整个电源工作过程维持这一固定关系。该方式设计的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[1]。再者近几年推出的高性能芯片对电源要求较高,传统电源设计方式基本无法满足其正常的工作电源要求。例如,多核DSP需要稳定的电源才能在其峰值时钟频率很好地工作,高端FPGA芯片对供电电压提出了供电时序的加载要求,DDR3也需要随时调节电源实现高速数据读写[2-3]。采用TI公司推出的UCD系列数字电源芯片进行数字电源方案设计,能较好地解决了上述问题。

本文根据某预研项目数字硬件平台电源系统设计要求,实现电压路数为7路,电压范围1～3.3 V;电压精度20 mV级;上电顺序时间为ms级。本文主要采用TI公司生产的数字PWM控制芯片UCD9240和数字电源传动模块PTD08A010W进行软、硬件设计以满足上述指标要求。

1数字电源系统组成

数字电源系统主要是由控制芯片UCD9240、数字电源模块PTD08A010W等器件组成。数字电源系统组成如图1所示,可实现7路电源输出,每路电源完全独立设置。电压设置范围0.7～3.6 V,每路电流最高可设置到10 A,实际的电压、电流值要根据数字电源模块支持的电压以及电流来设置。利用图形化编程软件可直接对硬件系统进行设置,并通过PMBus总线将编程后的数据下载到硬件运行,下次启动时将自动加载。

图1　数字电源系统组成框图

2硬件设计

数字电源硬件系统主要是由UCD9240、PTD08A010W组成。UCD9240为控制芯片,具有四通道输出多相位,采用250 ps分辨率的数字脉宽调制(PWM)技术,并通过图形用户接口(GUI)进行全面配置,实现DC/DC负载点电源转换进行检测、控制与管理。GUI配置功能使设计人员能够对电源电压、电流阀值与响应、软启动、容限、排序、跟踪、相位管理、环路响应风扇控制等参数和功能进行全面的智能管理[4]。

UCD9240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。用户唯一可操作的是配置UCD9240的各种参数,参数主要包括输出电压、输出电流以及各种控制参数。这些参数都可通过UCD9240软件配置工具Fusion Design来完成,配置软件通过PMBus总线接口烧写到UCD9240内部Flash中[5]。上电由ARM读取这些参数来配置芯片,按照

规定输出电流、电压。UCD9240为PWM波形控制芯片,其本身不提供电源转换功能。为实现数字电源的电压转换,UCD9240必须外接数字电源模块,TI公司提供专门为UCD9240配套的多款数字电源模块,本文使用的PTD08A010W为其中一款。

2.1电源控制芯片的硬件电路设计

电源控制芯片的硬件电路设计如图2所示,主要由电源控制芯片UCD9240、多路复用芯片CD74HC4051、输入供电电路以及外围电路构成。图中PMBus的4根总线必须连接出来供UCD9240的软件设置使用。UCD9240和PTD08A010W连接简单,每路只需5个引脚,分别为DPWM-1A、SRE-1A、FAULT-1A、EAPl/EANl、CS-1A[6]。其中DPWM-1A为PWM电压控制信号,该波形需要根据输入电压、输出电压、工作电流等参数来设置,设置的参数通过PMBus总线写入到UCD9240中;SRE-1A是同步整流使能引脚;FAULT-1A为电流限制标示引脚,当FAULT-1A端口接收到一个3.3 V电平时,表示对应的数字电源模块输出电流过流,反之正常;EAPl/EANl为输出电压误差监控引脚;CS-1A为输出电流监控引脚。一旦电压或电流超过设定值,UCD9240将关断输出,起到保护电路的作用。若电压或电流低于设定值,UCD9240将提高PWM的占空比,以便提供更大功率,确保负载电压不降低及系统正常工作。

图2　电源控制芯片硬件电路图

2.2数字电源模块的硬件电路设计

数字电源模块硬件电路设计如图3所示。该部分电路是其中一路,主要由数字电源模块PTD08A010W、电流检测电阻CSM2512以及放大器INA333等组成。该电路的功能主要是完成输出2.5 V以及最大电流10 A。

图3　数字电源模块硬件电路图

PTD08A010W模块支持输入电压范围为4.75～14 V,输出电流最大可达10 A,可编程输出电压范围为0.7～3.6 V,转换效率达96%,支持PWM波输入、电流限制符以及同步整流使能功能等。放大器INA333的放大倍数G=1+(100 kΩ/RG)进行计算。此处设计的放大倍数为50倍,即电阻RG选择阻值为2.04 kΩ。最大输出电流为10 A,电流检测电阻CSM2512阻值为0.005 Ω,Vcsmax=10 A×0.005 Ω×50=2.5 V,满足UCD9240输入电压范围0～2.5 V。

需注意的是,数字电源一般都提供给对电压要求较高的处理芯片,例如DDR3、高性能FPGA等。因此,其输出误差电压EAPl/EANl反馈给UCD9240需要串并两个电阻,其结构如图4所示。

图4　输入补充等效电路

R2电阻值依据UCD9240数据手册中公式计算

(1)

(2)

其中,RIN为1.5MΩ,IOFF为5μA;当取R1为1kΩ、VOUT输出2.5V时代入式(1)和式(2),计算得到R2为0.787kΩ。根据不同电压需要代入上式可得到不同的R2电阻值。

3软件设计

软件设计的主要工作就是对UCD9240进行参数进行配置。可通过PMBus总线直接进行配置,但这需要用户熟悉UCD9240的寄存器设置。为方便用户,TI公司提供了FusionDigitalPowerDesignerSystem软件,使用USB接口转PMBus接口数据线便可完成对UCD9240的寄存器设置、编程、读写等所有工作。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中为其中一路设置参数,输入电压12V、输出电压1V、输出电流10A,图5上部分为输出幅频特性曲线,下部分为输出相频特性曲线。

图5　输出幅频、相频特性曲线图

图5上部分中曲线1为比较补偿器输出的幅度与频率对应曲线即幅频特性曲线,可以看出,该输出的幅频特性曲线在各个频段的幅度呈现出不一致的特性,且幅度变化比较剧烈。图5中下部分中曲线1为相位与频率对应曲线即相频特性曲线,该曲线在<1 kHz时具有较好的线性相位关系,但在>1 kHz后,则呈现较大的非线性关系。输出电压幅频特性曲线和相频特性曲线的一致性直接影响后端电路的其它器件性能。例如,幅频特性曲线一致性不好将影响A/D转器的转换精度,相频特性曲线的非线性也将影响滤波器的幅频特性[7]。为解决上述非线性问题,可使用跟踪环路,实时跟踪曲线1的变化关系。从图5中上下部分可看出,曲线2较好地跟踪上信号的相位变化以及幅度变化关系,仅存在一个固定的比例。用跟踪后的曲线2对曲线1进行校准后,得到最终输出电压曲线3。由曲线3便可看到,该曲线的幅度和相位变化关系均较为稳定,且在大部分频率段具有较好的直流特性,对系统影响较小,从而提高了反馈控制的准确性。

本文设计的7路输出电压对上电顺序有一定要求,下面给出其中一个UCD9240芯片控制的三路电压的上电时序图以说明上电时序的管理,具体如图6所示。

图6　理论输出电压以及上电时序图

4试验验证

本文依据上述硬件设计搭建了一个基于FPGA的硬件平台,通过示波器测试该平台各路电压及上电时序,如图7所示。同时,给出了其中一路通道的电压、电流、功耗等参数的实时监测图,如图8所示。

图7　实际输出电压以及上电时序图

从图7可看出,输出电压分别为1 V、2.5 V和2.5 V 3路电压,且其上电顺序分别是通道1的1 V和通道3的2.5 V同时上电,通路2的2.5 V要约晚10 ms。对比图6和图7可发现,三路实际输出电压及上电顺序与理论设计完全相符,满足设计要求。

图8　实时参数监测图

图8中,分别给出输出电压、电流、功率以及温度随时间变化的曲线,可知该路实际输出电压为1.018 V(满足20 mV电压精度设计要求)、实际输出电流为2.20 A、功耗约为2.24 W、温度为45 ℃。通过该监测图可实时掌握每路各参数情况,而依据此对电路进行优化,实现各路电路电压、电流等指标实时监测。

5结束语

本文基于UCD9240设计的数字电源控制系统,相对于传统的电源电路具有硬件电路和软件设计简单的特点[8-9]。同时PWM的信号输出由数字控制芯片提供,控制环路的反馈计算工作由数字单元完成,便于实时监测,具有人机交互界面,方便信息交换,且具有实现电源输出的可控和输入的监测等优点。因此,该数字电源控制系统适用于各类对温度、时序等指标有较高要求的FGPA、DSP以及DDR3内存等器件的供电需要。

参考文献

[1]郭唐仕,陈锦云,林龙凤,等.低功率开关电源的新型数字控制系统[J].电力电子技术,2003,37(1):63-65.

[2]王水平,王靖,贾静,等.电源管理集成电路及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.

[3]刘贤兴,李众.新型智能开关电源技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[4]Texas Instruments Inc.UCD9240 datasheet.Digital PWM system controller[M].USA:Texas Instruments Inc,2008.

[5]Bob White.PMBus—数字电源开放标准协议[J].今日电子,2005(9):49-51.

[6]Texas Instruments Inc.PTD08A010W datasheet digital powertrain module[M].USA:Texas Instruments Inc,2008.

[7]蔡湘平.电源驱动芯片UCD9222的数字电源设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2013(1):45-47,51.

[8]沙占友,张良,王科.智能化数字电源系统的优化设计[J].电源技术应用,2005(11):13-16.

[9]沙占友.新型单片开关电源设计与应用技术[M].北京:电子工业出版社,2001.

Design of Digital Power Based on UCD9240

LIAO Haiqian

(Research Development,Guizhou Aerospace Measurement and Testing Technology Research Institute,Guiyang 550009,China)

AbstractThe traditional power supply design has the problems of low switching frequency,high frequency fluctuation,large electromagnetic interference,and can not be adjusted in real time.In this paper the ucd9240 control chip to complete a project of hardware platform of digital power supply scheme,the design of hardware circuit and software configuration parameters,and the theoretical calculation and the actual value were compared.The results show that the design can satisfy the design requirements.

Keywordsdigital power;UCD9240;PWM controller

中图分类号TN86

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-150-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.040

作者简介:廖海黔(1984—),男,硕士,工程师。研究方向:数字电路设计以及控制。

收稿日期:2015- 09- 08