基于ZL2008的電流共享數(shù)字電源設(shè)計(jì)

胡云(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用系，重慶 401331)

1 引言

傳統(tǒng)的模擬電源無(wú)論在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、器件、效率、功能上都日臻完善，應(yīng)用也極為廣泛，有大量的工程技術(shù)人才熟悉和正在設(shè)計(jì)使用模擬電源。但模擬電源最大的缺點(diǎn)是缺乏靈活性，在應(yīng)用的需求變化時(shí)，需要花很多時(shí)間進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試。

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和成熟，現(xiàn)代電源更多地向數(shù)字化方向發(fā)展。以數(shù)字方式進(jìn)行電壓、電流控制和電源管理的開(kāi)關(guān)電源，稱為“數(shù)字控制電源(數(shù)字電源)”。數(shù)字電源可通過(guò)數(shù)字方式對(duì)電源系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定［1］，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)計(jì)、反復(fù)使用，并且易于擴(kuò)展，而今這種數(shù)字電源相關(guān)的開(kāi)發(fā)活動(dòng)頗顯活躍。

2 新一代數(shù)字DC－DC電源控制器ZL2008

Intersil公司推出的ZL2008是新一代數(shù)字DCDC電源控制器，專為數(shù)字式電源模塊而設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠輕松對(duì)板級(jí)電源進(jìn)行配置。ZL2008有以下的主要功能特性［2］:

(1)電源轉(zhuǎn)換功能

ZL2008具有同步降壓轉(zhuǎn)換功能，集成的3A MOSFET驅(qū)動(dòng)器可以在3～14V輸入電壓的單電源下工作。輸出電壓為0.54～5.5V，輸出電壓精度為±1%，開(kāi)關(guān)頻率為200kHz～1.4MHz。此外，電流共享功能可通過(guò)獨(dú)立的相位啟用/禁用引腳進(jìn)行管理，還有可選的I2C/SMBus接口和外部時(shí)鐘同步。

(2)電源管理功能

ZL2008能夠快速和輕松地實(shí)施先進(jìn)的電源管理功能，包括:數(shù)字軟啟動(dòng)/停止，高精度延遲和斜坡，電壓跟蹤、排序和邊限微調(diào)(裕度)，電壓、電流和內(nèi)部溫度監(jiān)控，輸出電壓和電流保護(hù)以及內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器(NVM)的使用等?？梢酝ㄟ^(guò)所帶的PMBus接口進(jìn)行遙測(cè)和監(jiān)控，同時(shí)借助對(duì)所有突出參數(shù)捕捉功能，實(shí)現(xiàn)廣泛的故障處理，提高電源的可靠性和可用性。NVM用于存儲(chǔ)用戶的配置參數(shù)。

(3)帶有易用的引腳(pin－strap)設(shè)置補(bǔ)償和電流共享功能。通過(guò)設(shè)置引腳調(diào)節(jié)電阻，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求，ZL2008的補(bǔ)償和瞬態(tài)響應(yīng)可以為負(fù)載電流和輸出電容進(jìn)行優(yōu)化。

(4)能與Zilker Labs的Digital－DC器件系列進(jìn)行互操作。

ZL2008包含Digital－DC總線，能夠與Zilker Labs的器件進(jìn)行無(wú)縫的互操作，從而簡(jiǎn)化電源和故障管理。用戶可以充分發(fā)揮整個(gè)Digital－DC器件家族的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，滿足所有直流電源轉(zhuǎn)換和管理的需求。圖1所示為ZL2008的功能框圖。

圖1 ZL2008功能框圖

3 ZL2008在數(shù)字電源設(shè)計(jì)中的基本應(yīng)用

ZL2008是25A以下數(shù)字電源解決方案的理想產(chǎn)品，它可以作為靈活的“積木”應(yīng)用。使用它很容易設(shè)計(jì)出單相或多相、3.3～12V輸入的數(shù)字直流電源。我們可以利用ZL2008的默認(rèn)配置，設(shè)計(jì)基于單ZL2008、25A以下同步電壓轉(zhuǎn)換的數(shù)字電源。表1給出了設(shè)計(jì)ZL2008的數(shù)字電源的主要參數(shù)范圍［3］及一個(gè)實(shí)例值。

表1 設(shè)計(jì)ZL2008的數(shù)字電源的主要電性能參數(shù)范圍及實(shí)例值

ZL2008作為一個(gè)電壓模式的同步降壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)可選擇的恒定頻率的脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制組合運(yùn)行，使用外部MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)管)、電容、電感執(zhí)行電源轉(zhuǎn)換。如圖2所示的是一個(gè)基于ZL2008的數(shù)字電源的應(yīng)用電路。設(shè)計(jì)輸入電壓12V，輸出電壓1.8V，輸出電流 16A。

在最簡(jiǎn)單的配置下，ZL2008需要兩個(gè)外部N溝道功率MOSFET，一個(gè)用作上控制MOSFET(QH)，一個(gè)用作下同步MOSFET(QL)。從這個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)用電路圖可以看出，使用ZL2008只需要少量外圍元件就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)帶有數(shù)字同步電壓轉(zhuǎn)換、電源管理、故障管理和遙測(cè)的全功能電源。設(shè)計(jì)中一定要知道選擇外部組件所需的性能目標(biāo)，適當(dāng)選擇外部元件為最好性能是決定性的。

圖2 ZL2008的基本應(yīng)用電路

4 電流共享數(shù)字電源的設(shè)計(jì)

從表1可知，基于單個(gè)ZL2008設(shè)計(jì)的數(shù)字電源在0.6～5.0V輸出電壓范圍，最大輸出電流25A。對(duì)于輸出電流大于25A的應(yīng)用，我們可采用Digital－DC電流共享技術(shù)，并聯(lián)使用多個(gè)ZL2008，用搭積木的方式搭建所需要的數(shù)字直流電源。多個(gè)ZL2008設(shè)備并聯(lián)組成電流共享組使用(這種方式最多支持8個(gè)ZL2008并聯(lián))，可以增加輸出電流的能力。在電流共享組內(nèi)部，各支路設(shè)備將分擔(dān)相等的電流。下面具體以使用3個(gè)ZL2008并聯(lián)組成大輸出電流(最大設(shè)計(jì)輸出電流可達(dá)75A)數(shù)字電源為例，分析電流共享數(shù)字電源的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

圖3 三個(gè)ZL2008構(gòu)成的電流共享數(shù)字電源主結(jié)構(gòu)

表2 電流共享組的信息參數(shù)

圖3所示的是由三個(gè)ZL2008構(gòu)成的電流共享數(shù)字電源主結(jié)構(gòu)圖。表2列出的是設(shè)計(jì)的電流共享組的信息參數(shù)。

各ZL2008外部連接的MOSFET、電容、電感可參照?qǐng)D2配置。連接各個(gè)設(shè)備的DDC、SDA、SCL、SYNC引腳和輸出電壓端，并配置各相(每一并聯(lián)支路稱為一相)設(shè)備的參數(shù)。設(shè)計(jì)的電流共享組中每臺(tái)ZL2008設(shè)備配置的引腳電阻值、引腳狀態(tài)顯示于表3。

表3 共享組中設(shè)備引腳參數(shù)配置

5 電流共享數(shù)字電源設(shè)計(jì)的配置

基于ZL2008的電流共享數(shù)字電源的設(shè)計(jì)需要在ZL2008的引腳連接一些外部元件并對(duì)其做適當(dāng)?shù)膮?shù)配置［4］。圖4所示的是ZL2008的全部引腳。

(1)設(shè)置電流共享設(shè)備位置號(hào)(CFG2引腳)

電流共享位置號(hào)是從0～7(最高)的N個(gè)連續(xù)數(shù)，參考設(shè)備的位置為0，最后一個(gè)成員設(shè)備的位置號(hào)是N－1。對(duì)并聯(lián)的各個(gè)ZL2008的CFG2引腳分別接入一個(gè)電阻RCFG2，如設(shè)置RCFG2電阻值為42.2kΩ，則該設(shè)備電流共享位置號(hào)就是0;如設(shè)置RCFG2電阻值為46.4kΩ則該設(shè)備電流共享位置號(hào)就是1，其余的見(jiàn)表4。

圖4 ZL2008的引腳

表4 RCFG2與電流共享設(shè)備位置號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

(2)參考設(shè)備與成員設(shè)備

當(dāng)電流共享系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，電流共享位置號(hào)最低的設(shè)備，被定義為參考設(shè)備，其余設(shè)備被定義為成員設(shè)備。如果參考設(shè)備丟失或錯(cuò)誤，下一個(gè)最低位置號(hào)的設(shè)備將成為新的參考設(shè)備。參考設(shè)備通過(guò)DDC總線提供負(fù)載電流的信息給每一位成員設(shè)備，平衡系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備的負(fù)荷電流。

(3)配置SMBus地址(SA0，SA1引腳)

多個(gè)SMBus設(shè)備使用I2C/SMBus接口通信時(shí)，每個(gè)設(shè)備必須有一個(gè)唯一的地址。這樣才能區(qū)分設(shè)備。電流共享組中的每個(gè)I2C/SMBus設(shè)備的地址，可以通過(guò)對(duì)其SA0，SA1引腳做如表5所示的設(shè)置。參考設(shè)備使用值最低的地址。

表5 通過(guò)SA0，SA1引腳設(shè)置SMBus設(shè)備地址

(4)配置電流共享成員數(shù)(CFG0引腳)

本設(shè)計(jì)中設(shè)備都被設(shè)定為3相電流共享和所有相都被激活。如表6所示，根據(jù)非線性響應(yīng)(NLR)要求選擇CFG0引腳電阻值可以設(shè)置電流共享組成員數(shù)，最小為2，最大為8。當(dāng)組成員數(shù)≥2時(shí)，各設(shè)備的電流共享自動(dòng)被激活;當(dāng)組成員數(shù)=0時(shí)，電流共享被禁用。

表6 根據(jù)電流共享組成員數(shù)和非線性響應(yīng)(NLR)決定CFG0引腳連接電阻值

(5)同步時(shí)鐘配置(SYNC Clock)(CFG1引腳)

SYNC引腳是一個(gè)獨(dú)特的引腳，可以執(zhí)行取決于它是如何配置的多種功能。CFG1引腳用于選擇SYNC引腳操作模式。CFG1引腳設(shè)置為L(zhǎng)OW，SYNC引腳為輸入;CFG1引腳設(shè)置為HIGH時(shí)，SYNC引腳為輸出;CFG1引腳設(shè)置為OPEN時(shí)，SYNC引腳為自動(dòng)發(fā)現(xiàn)。參考設(shè)備是典型的SYNC時(shí)鐘源，它輸出同步時(shí)鐘到成員設(shè)備，作為成員設(shè)備的輸入同步時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)中，參考設(shè)備CFG1引腳設(shè)置為HIGH狀態(tài);成員設(shè)備的CFG1引腳都設(shè)置為L(zhǎng)OW狀態(tài)。

(6)軟啟動(dòng)配置(SS引腳)

軟啟動(dòng)延遲時(shí)鐘能夠精確控制VOUT從0開(kāi)始斜坡上升到其目標(biāo)值的斜坡時(shí)間。使用SS引腳可以精確設(shè)置，保證VOUT斜坡單調(diào)上升。SS引腳電阻器設(shè)置如下參數(shù):

①延遲時(shí)間:由于參考設(shè)備需要另外的時(shí)間協(xié)調(diào)所有成員設(shè)備信號(hào)同步，因此參考設(shè)備的軟啟動(dòng)延遲時(shí)間至少要比任何電流共享成員設(shè)備斜坡向上/向下的時(shí)間大10ms。

②斜坡時(shí)間:電流共享的參考設(shè)備和成員設(shè)備軟啟動(dòng)的斜坡向上/向下時(shí)間至少需要5ms。

直接對(duì)一個(gè)設(shè)備的SS多模引腳狀態(tài)按表7設(shè)置，可以設(shè)計(jì)出三組延遲時(shí)間和斜坡時(shí)間。如果需要設(shè)計(jì)的延遲時(shí)間和斜坡時(shí)間值不在表7中，可以連接一個(gè)從SS引腳到SGND的電阻器，根據(jù)設(shè)計(jì)的延遲時(shí)間和斜坡時(shí)間在表8中選擇對(duì)應(yīng)的RSS電阻值來(lái)配置。

表7 由SS引腳狀態(tài)直接設(shè)置延遲時(shí)間和斜坡時(shí)間

表8 RSS電阻值與延遲時(shí)間和斜坡時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

(7)相位使能配置(PH_EN引腳)

相位啟用是經(jīng)常在運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)地增加或減少電流共享相位。設(shè)置PH_EN引腳的狀態(tài)，HIGH是啟用相位，LOW是禁用相位，OPEN是無(wú)效狀態(tài)。為了電流共享組參考設(shè)備和成員設(shè)備的安全，在斜坡上升之前要保證相位使能為HIGH。

6 結(jié)語(yǔ)

ZL2008被設(shè)計(jì)成為一個(gè)靈活的、可變通的直流電源模塊，可以輕松適應(yīng)從3.3V輸入的單相數(shù)字電源到12V輸入的多相位數(shù)字電源應(yīng)用設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員只需配置少量的外圍元件MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)管)、電容、電感、電阻，就能靈活設(shè)計(jì)ZL2008控制的數(shù)字DCDC電源。電流共享［5］技術(shù)更允許多個(gè)ZL2008裝置并聯(lián)連接給負(fù)載供電，能充分滿足各種既要大電流又要同步降壓轉(zhuǎn)換功能和電源管理功能的數(shù)字電源應(yīng)用。

［1］吳康.數(shù)字電源控制器與芯片應(yīng)用［J］.電源世界，2009(8):46－50.

［2］Intersil Americas Inc.ZL2008 Product Information［EB/OL］.http://www.intersil.com/products/deviceinfo.asp?pn=ZL2008.

［3］Intersil Americas Inc.ZL2008 Datasheet［EB/OL］.http://www.intersil.com/products/deviceinfo.asp?pn=ZL2008.

［4］Intersil Americas Inc.ZL2008 Digital DC － DC Controller with Drivers and Pin － Strap Current Sharing［EB/OL］.http://www.intersil.com/products/deviceinfo.asp?pn=ZL2008.

［5］高玉峰，胡旭杰.開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)均流系統(tǒng)的研究［J］.電源技術(shù)，2011，(2):210 －212.