廖海黔

(貴州航天計(jì)量測試技術(shù)研究所 研發(fā)部,貴州 貴陽　550009)

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基于UCD9240的數(shù)字電源設(shè)計(jì)

廖海黔

(貴州航天計(jì)量測試技術(shù)研究所 研發(fā)部,貴州 貴陽550009)

摘要針對傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)存在開關(guān)頻率低、頻率波動大、電磁干擾大、無法實(shí)時調(diào)節(jié)等問題。文中采用UCD9240控制芯片完成某項(xiàng)目硬件平臺的數(shù)字電源方案,進(jìn)行硬件電路和軟件參數(shù)配置的設(shè)計(jì),并將對理論計(jì)算與實(shí)際數(shù)值進(jìn)行了比較,結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)方案能較好地滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞數(shù)字電源;UCD9240;PWM控制

傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)是基于電源處理模塊芯片,通常這些芯片本身已確定了一種固定的工作關(guān)系,包括輸入/輸出、電壓電流、紋波頻率、轉(zhuǎn)換效率等指標(biāo)參數(shù),整個電源工作過程維持這一固定關(guān)系。該方式設(shè)計(jì)的電源存在開關(guān)頻率低、頻率波動大、電磁干擾大、不能實(shí)時調(diào)節(jié)等問題[1]。再者近幾年推出的高性能芯片對電源要求較高,傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)方式基本無法滿足其正常的工作電源要求。例如,多核DSP需要穩(wěn)定的電源才能在其峰值時鐘頻率很好地工作,高端FPGA芯片對供電電壓提出了供電時序的加載要求,DDR3也需要隨時調(diào)節(jié)電源實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)讀寫[2-3]。采用TI公司推出的UCD系列數(shù)字電源芯片進(jìn)行數(shù)字電源方案設(shè)計(jì),能較好地解決了上述問題。

本文根據(jù)某預(yù)研項(xiàng)目數(shù)字硬件平臺電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)電壓路數(shù)為7路,電壓范圍1～3.3 V;電壓精度20 mV級;上電順序時間為ms級。本文主要采用TI公司生產(chǎn)的數(shù)字PWM控制芯片UCD9240和數(shù)字電源傳動模塊PTD08A010W進(jìn)行軟、硬件設(shè)計(jì)以滿足上述指標(biāo)要求。

1數(shù)字電源系統(tǒng)組成

數(shù)字電源系統(tǒng)主要是由控制芯片UCD9240、數(shù)字電源模塊PTD08A010W等器件組成。數(shù)字電源系統(tǒng)組成如圖1所示,可實(shí)現(xiàn)7路電源輸出,每路電源完全獨(dú)立設(shè)置。電壓設(shè)置范圍0.7～3.6 V,每路電流最高可設(shè)置到10 A,實(shí)際的電壓、電流值要根據(jù)數(shù)字電源模塊支持的電壓以及電流來設(shè)置。利用圖形化編程軟件可直接對硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置,并通過PMBus總線將編程后的數(shù)據(jù)下載到硬件運(yùn)行,下次啟動時將自動加載。

圖1　數(shù)字電源系統(tǒng)組成框圖

2硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字電源硬件系統(tǒng)主要是由UCD9240、PTD08A010W組成。UCD9240為控制芯片,具有四通道輸出多相位,采用250 ps分辨率的數(shù)字脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù),并通過圖形用戶接口(GUI)進(jìn)行全面配置,實(shí)現(xiàn)DC/DC負(fù)載點(diǎn)電源轉(zhuǎn)換進(jìn)行檢測、控制與管理。GUI配置功能使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)﹄娫措妷?、電流閥值與響應(yīng)、軟啟動、容限、排序、跟蹤、相位管理、環(huán)路響應(yīng)風(fēng)扇控制等參數(shù)和功能進(jìn)行全面的智能管理[4]。

UCD9240整個芯片的管理由內(nèi)部ARM核完成,該ARM核程序固定,用戶不能操作。用戶唯一可操作的是配置UCD9240的各種參數(shù),參數(shù)主要包括輸出電壓、輸出電流以及各種控制參數(shù)。這些參數(shù)都可通過UCD9240軟件配置工具Fusion Design來完成,配置軟件通過PMBus總線接口燒寫到UCD9240內(nèi)部Flash中[5]。上電由ARM讀取這些參數(shù)來配置芯片,按照

規(guī)定輸出電流、電壓。UCD9240為PWM波形控制芯片,其本身不提供電源轉(zhuǎn)換功能。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源的電壓轉(zhuǎn)換,UCD9240必須外接數(shù)字電源模塊,TI公司提供專門為UCD9240配套的多款數(shù)字電源模塊,本文使用的PTD08A010W為其中一款。

2.1電源控制芯片的硬件電路設(shè)計(jì)

電源控制芯片的硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示,主要由電源控制芯片UCD9240、多路復(fù)用芯片CD74HC4051、輸入供電電路以及外圍電路構(gòu)成。圖中PMBus的4根總線必須連接出來供UCD9240的軟件設(shè)置使用。UCD9240和PTD08A010W連接簡單,每路只需5個引腳,分別為DPWM-1A、SRE-1A、FAULT-1A、EAPl/EANl、CS-1A[6]。其中DPWM-1A為PWM電壓控制信號,該波形需要根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、工作電流等參數(shù)來設(shè)置,設(shè)置的參數(shù)通過PMBus總線寫入到UCD9240中;SRE-1A是同步整流使能引腳;FAULT-1A為電流限制標(biāo)示引腳,當(dāng)FAULT-1A端口接收到一個3.3 V電平時,表示對應(yīng)的數(shù)字電源模塊輸出電流過流,反之正常;EAPl/EANl為輸出電壓誤差監(jiān)控引腳;CS-1A為輸出電流監(jiān)控引腳。一旦電壓或電流超過設(shè)定值,UCD9240將關(guān)斷輸出,起到保護(hù)電路的作用。若電壓或電流低于設(shè)定值,UCD9240將提高PWM的占空比,以便提供更大功率,確保負(fù)載電壓不降低及系統(tǒng)正常工作。

圖2　電源控制芯片硬件電路圖

2.2數(shù)字電源模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)字電源模塊硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。該部分電路是其中一路,主要由數(shù)字電源模塊PTD08A010W、電流檢測電阻CSM2512以及放大器INA333等組成。該電路的功能主要是完成輸出2.5 V以及最大電流10 A。

圖3　數(shù)字電源模塊硬件電路圖

PTD08A010W模塊支持輸入電壓范圍為4.75～14 V,輸出電流最大可達(dá)10 A,可編程輸出電壓范圍為0.7～3.6 V,轉(zhuǎn)換效率達(dá)96%,支持PWM波輸入、電流限制符以及同步整流使能功能等。放大器INA333的放大倍數(shù)G=1+(100 kΩ/RG)進(jìn)行計(jì)算。此處設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)為50倍,即電阻RG選擇阻值為2.04 kΩ。最大輸出電流為10 A,電流檢測電阻CSM2512阻值為0.005 Ω,Vcsmax=10 A×0.005 Ω×50=2.5 V,滿足UCD9240輸入電壓范圍0～2.5 V。

需注意的是,數(shù)字電源一般都提供給對電壓要求較高的處理芯片,例如DDR3、高性能FPGA等。因此,其輸出誤差電壓EAPl/EANl反饋給UCD9240需要串并兩個電阻,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　輸入補(bǔ)充等效電路

R2電阻值依據(jù)UCD9240數(shù)據(jù)手冊中公式計(jì)算

(1)

(2)

其中,RIN為1.5MΩ,IOFF為5μA;當(dāng)取R1為1kΩ、VOUT輸出2.5V時代入式(1)和式(2),計(jì)算得到R2為0.787kΩ。根據(jù)不同電壓需要代入上式可得到不同的R2電阻值。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的主要工作就是對UCD9240進(jìn)行參數(shù)進(jìn)行配置?？赏ㄟ^PMBus總線直接進(jìn)行配置,但這需要用戶熟悉UCD9240的寄存器設(shè)置。為方便用戶,TI公司提供了FusionDigitalPowerDesignerSystem軟件,使用USB接口轉(zhuǎn)PMBus接口數(shù)據(jù)線便可完成對UCD9240的寄存器設(shè)置、編程、讀寫等所有工作。軟件設(shè)計(jì)完成后,會給出相關(guān)的電壓、電流、相位等曲線圖。圖5中為其中一路設(shè)置參數(shù),輸入電壓12V、輸出電壓1V、輸出電流10A,圖5上部分為輸出幅頻特性曲線,下部分為輸出相頻特性曲線。

圖5　輸出幅頻、相頻特性曲線圖

圖5上部分中曲線1為比較補(bǔ)償器輸出的幅度與頻率對應(yīng)曲線即幅頻特性曲線,可以看出,該輸出的幅頻特性曲線在各個頻段的幅度呈現(xiàn)出不一致的特性,且幅度變化比較劇烈。圖5中下部分中曲線1為相位與頻率對應(yīng)曲線即相頻特性曲線,該曲線在<1 kHz時具有較好的線性相位關(guān)系,但在>1 kHz后,則呈現(xiàn)較大的非線性關(guān)系。輸出電壓幅頻特性曲線和相頻特性曲線的一致性直接影響后端電路的其它器件性能。例如,幅頻特性曲線一致性不好將影響A/D轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)換精度,相頻特性曲線的非線性也將影響濾波器的幅頻特性[7]。為解決上述非線性問題,可使用跟蹤環(huán)路,實(shí)時跟蹤曲線1的變化關(guān)系。從圖5中上下部分可看出,曲線2較好地跟蹤上信號的相位變化以及幅度變化關(guān)系,僅存在一個固定的比例。用跟蹤后的曲線2對曲線1進(jìn)行校準(zhǔn)后,得到最終輸出電壓曲線3。由曲線3便可看到,該曲線的幅度和相位變化關(guān)系均較為穩(wěn)定,且在大部分頻率段具有較好的直流特性,對系統(tǒng)影響較小,從而提高了反饋控制的準(zhǔn)確性。

本文設(shè)計(jì)的7路輸出電壓對上電順序有一定要求,下面給出其中一個UCD9240芯片控制的三路電壓的上電時序圖以說明上電時序的管理,具體如圖6所示。

圖6　理論輸出電壓以及上電時序圖

4試驗(yàn)驗(yàn)證

本文依據(jù)上述硬件設(shè)計(jì)搭建了一個基于FPGA的硬件平臺,通過示波器測試該平臺各路電壓及上電時序,如圖7所示。同時,給出了其中一路通道的電壓、電流、功耗等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測圖,如圖8所示。

圖7　實(shí)際輸出電壓以及上電時序圖

從圖7可看出,輸出電壓分別為1 V、2.5 V和2.5 V 3路電壓,且其上電順序分別是通道1的1 V和通道3的2.5 V同時上電,通路2的2.5 V要約晚10 ms。對比圖6和圖7可發(fā)現(xiàn),三路實(shí)際輸出電壓及上電順序與理論設(shè)計(jì)完全相符,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8　實(shí)時參數(shù)監(jiān)測圖

圖8中,分別給出輸出電壓、電流、功率以及溫度隨時間變化的曲線,可知該路實(shí)際輸出電壓為1.018 V(滿足20 mV電壓精度設(shè)計(jì)要求)、實(shí)際輸出電流為2.20 A、功耗約為2.24 W、溫度為45 ℃。通過該監(jiān)測圖可實(shí)時掌握每路各參數(shù)情況,而依據(jù)此對電路進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)各路電路電壓、電流等指標(biāo)實(shí)時監(jiān)測。

5結(jié)束語

本文基于UCD9240設(shè)計(jì)的數(shù)字電源控制系統(tǒng),相對于傳統(tǒng)的電源電路具有硬件電路和軟件設(shè)計(jì)簡單的特點(diǎn)[8-9]。同時PWM的信號輸出由數(shù)字控制芯片提供,控制環(huán)路的反饋計(jì)算工作由數(shù)字單元完成,便于實(shí)時監(jiān)測,具有人機(jī)交互界面,方便信息交換,且具有實(shí)現(xiàn)電源輸出的可控和輸入的監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。因此,該數(shù)字電源控制系統(tǒng)適用于各類對溫度、時序等指標(biāo)有較高要求的FGPA、DSP以及DDR3內(nèi)存等器件的供電需要。

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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

中圖分類號TN86

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-150-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.040

作者簡介:廖海黔(1984—),男,碩士,工程師。研究方向:數(shù)字電路設(shè)計(jì)以及控制。

收稿日期:2015- 09- 08