運(yùn)用多相數(shù)字電源解決方案解決系統(tǒng)問題

德州儀器(TI)資深技術(shù)工程師 David M.Alter

當(dāng)前的處理器、圖像及存儲系統(tǒng)均采用多相電源解決方案。這些多相解決方案可提供一個極高開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)及調(diào)節(jié)性能，同時以一個更加適度的頻率單獨(dú)地進(jìn)行開關(guān)。就單通道降壓轉(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)勢主要在于相位交錯，通過以統(tǒng)一的時間間隔進(jìn)行相位交錯(例如：在一款三相交錯轉(zhuǎn)換器中以120°的時間間隔進(jìn)行交錯)，其本身單個相位固有的輸出紋波被其他相位降至平均水平，從而降低了總體輸出紋波。這樣使用較低的脈寬調(diào)制開關(guān)頻率就可以實(shí)現(xiàn)給定輸出紋波設(shè)計的目標(biāo)，同時通過降低開關(guān)損耗提高了效率。

多相電源系統(tǒng)的管理存在一些特有的問題，包括輕負(fù)載效率和系統(tǒng)冗余的切相以及系統(tǒng)壽命的相位電流平衡。在傳統(tǒng)模擬電源中實(shí)施這些功能會比較困難。然而使用一個數(shù)字控制器則可以很輕松地完成這些任務(wù)。在本文所述案例研究中，引入了一款數(shù)字電源解決方案，該方案具有多相同步降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，同時可以運(yùn)用數(shù)字方法關(guān)閉電壓控制環(huán)路，可對不同負(fù)載和散熱條件下的相位進(jìn)行管理以獲得最佳的電源性能。

解決方案

該多相電源管理系統(tǒng)由多達(dá)6個交錯式同步降壓轉(zhuǎn)換器組成，這些轉(zhuǎn)換器均由一個單微處理器控制，如圖1所示。

TI推出的32位TMS320F2806數(shù)字信號控制器(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PMBus通信的支持。針對同步降壓應(yīng)用專門設(shè)計了一款UCD7230柵極驅(qū)動器，從而提供了采用TI TrueDrive輸出架構(gòu)的雙通道4-A MOSFET驅(qū)動器、周期性電流限制以及一個內(nèi)置的低失調(diào)、高增益、差動電流傳感放大器。

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，動態(tài)地減少運(yùn)行相位的數(shù)量通常會帶來效率的提高。當(dāng)負(fù)載需求增加時，一個切相可以被重新激活。同樣，通過重新平衡各剩余相位之間的交錯，切除一個失效的相位或者一個運(yùn)行在邊界狀態(tài)以外的相位有助于維持系統(tǒng)的性能。在需要極高可靠性的應(yīng)用中，一個備用相位可以被帶上線以取代失效的相位，即N+1冗余設(shè)計。不考慮切除一個相位的原因，剩余相位(或者在N+1冗余設(shè)計中增加相位)的交錯角應(yīng)該重新調(diào)整，以維持最佳性能。例如，從一個三相120°交錯式轉(zhuǎn)換器中切除一個相位時應(yīng)該將剩余2個相位分離隔開180°。

TMS320F2806控制器的PWM元件均支持軟件同步及相位控制。每一個PWM輸出均具有一個相位同步寄存器，將其計數(shù)值與首個PWM輸出的計數(shù)值發(fā)生偏移。這就使得所有交錯式降壓相位的相位角不僅可以在系統(tǒng)初始化期間靜態(tài)配置，而且可以在系統(tǒng)運(yùn)行期間動態(tài)地重新調(diào)整。

圖2(a)顯示了一款120°交錯式(條件：10 V輸入、2 V輸出、3 A負(fù)載及300 kHz PWM開關(guān))PWM結(jié)構(gòu)的三相交錯式降壓轉(zhuǎn)換器的示波器屏幕采集圖。示波器通道1～3顯示的是單個相位電壓，而通道4顯示的是交錯式輸出電壓(所有示波器通道均為AC耦合)。通過所有運(yùn)行中的3個相位，可以得出該輸出紋波為4.9 mV（輸出電壓的0.25%）。在不調(diào)整2個剩余相位角的情況下，如圖2(b)所示，切除相位2會引起輸出紋波增加86%，即為9.1 mV。為了獲得180°交錯(如圖2(c)所示)，可對2個剩余相位進(jìn)行軟件調(diào)整，該紋波減少至7.9 mV，相比調(diào)整前的剩余相位角提高了13%。但是由于一個兩相位系統(tǒng)無法獲得如三相系統(tǒng)一樣的低紋波，因此，調(diào)整后紋波仍然比初始值大。

相位電流平衡

為了最佳化電源組件可靠性和使用壽命，可使多相系統(tǒng)中的每一個相位都等量地分擔(dān)電源負(fù)荷。由于電源開關(guān)和電感組件的不同，以及電路板布局和散熱的非對稱性，流經(jīng)相位的電流是不同的。基本平衡方法通過測量相位電流并對每一個相位要求的PWM占空比單獨(dú)地進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到平衡相位電流的目的。由于電流非均衡動態(tài)十分緩慢，平衡環(huán)路的采樣率可以較低，均為幾十分之幾秒，甚至是幾秒。因此，微處理器上額外的計算負(fù)擔(dān)可以忽略不計。為了減少傳感器噪聲的影響，對平衡環(huán)路速率電流進(jìn)行采樣，并隨著時間的變化平衡各相位電流。在使用平均相位電流作為參考的每一個環(huán)路反復(fù)過程中，可以在每一個相位上執(zhí)行電流平衡操作。另一種方法是將該時刻測量出的最高和最低電流相位彼此平衡，達(dá)到相位電流平衡。無論使用哪一種方法，所有相位電流最終都將匯聚到相同值上。

PWM精度是進(jìn)行相位電流平衡時通常會碰到的一個問題。將一個10 V輸入看作是由一個100 MHz PWM時鐘的300 kHz PWM驅(qū)動的2 V輸出同步降壓轉(zhuǎn)換器。該降壓輸出上的PWM精度將會是30 mV，或者等同于2 V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)，這樣的粒度將會高出一個甚至兩個數(shù)量級。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2 V輸出。此外，該解決方案還可提供較好的相位電流平衡功能。

本文描述了一款數(shù)控多相交錯式DC/DC降壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電壓模式調(diào)節(jié)控制，并具有切相、增相及多相電流平衡的特點(diǎn)。使用傳統(tǒng)模擬控制器來實(shí)現(xiàn)這些特性頗具挑戰(zhàn)性，而使用一款基于微處理器的數(shù)字控制器則可以輕松地完成這些任務(wù)。F2806數(shù)字信號控制器與UCD7230柵極驅(qū)動及電流傳感放大器的完美結(jié)合提供了一款完整的信號控制解決方案，并具有單機(jī)運(yùn)行的片上閃存、同步高精度PWM模塊、測量反饋信號的ADC以及PMBus通信功能。