基于ZL2008的電流共享數字電源設計

胡云(重慶電子工程職業學院計算機應用系，重慶 401331)

1 引言

傳統的模擬電源無論在拓撲結構、器件、效率、功能上都日臻完善，應用也極為廣泛，有大量的工程技術人才熟悉和正在設計使用模擬電源。但模擬電源最大的缺點是缺乏靈活性，在應用的需求變化時，需要花很多時間進行重新設計、驗證和測試。

隨著數字技術的發展和成熟，現代電源更多地向數字化方向發展。以數字方式進行電壓、電流控制和電源管理的開關電源，稱為“數字控制電源(數字電源)”。數字電源可通過數字方式對電源系統的各項參數進行設定［1］，實現一次設計、反復使用，并且易于擴展，而今這種數字電源相關的開發活動頗顯活躍。

2 新一代數字DC－DC電源控制器ZL2008

Intersil公司推出的ZL2008是新一代數字DCDC電源控制器，專為數字式電源模塊而設計，使系統設計人員能夠輕松對板級電源進行配置。ZL2008有以下的主要功能特性［2］:

(1)電源轉換功能

ZL2008具有同步降壓轉換功能，集成的3A MOSFET驅動器可以在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%，開關頻率為200kHz～1.4MHz。此外，電流共享功能可通過獨立的相位啟用/禁用引腳進行管理，還有可選的I2C/SMBus接口和外部時鐘同步。

(2)電源管理功能

ZL2008能夠快速和輕松地實施先進的電源管理功能，包括:數字軟啟動/停止，高精度延遲和斜坡，電壓跟蹤、排序和邊限微調(裕度)，電壓、電流和內部溫度監控，輸出電壓和電流保護以及內部非易失性存儲器(NVM)的使用等。可以通過所帶的PMBus接口進行遙測和監控，同時借助對所有突出參數捕捉功能，實現廣泛的故障處理，提高電源的可靠性和可用性。NVM用于存儲用戶的配置參數。

(3)帶有易用的引腳(pin－strap)設置補償和電流共享功能。通過設置引腳調節電阻，實現設計需求，ZL2008的補償和瞬態響應可以為負載電流和輸出電容進行優化。

(4)能與Zilker Labs的Digital－DC器件系列進行互操作。

ZL2008包含Digital－DC總線，能夠與Zilker Labs的器件進行無縫的互操作，從而簡化電源和故障管理。用戶可以充分發揮整個Digital－DC器件家族的技術優勢，滿足所有直流電源轉換和管理的需求。圖1所示為ZL2008的功能框圖。

圖1 ZL2008功能框圖

3 ZL2008在數字電源設計中的基本應用

ZL2008是25A以下數字電源解決方案的理想產品，它可以作為靈活的“積木”應用。使用它很容易設計出單相或多相、3.3～12V輸入的數字直流電源。我們可以利用ZL2008的默認配置，設計基于單ZL2008、25A以下同步電壓轉換的數字電源。表1給出了設計ZL2008的數字電源的主要參數范圍［3］及一個實例值。

表1 設計ZL2008的數字電源的主要電性能參數范圍及實例值

ZL2008作為一個電壓模式的同步降壓轉換器和一個可選擇的恒定頻率的脈沖寬度調制(PWM)控制組合運行，使用外部MOSFET(場效應管)、電容、電感執行電源轉換。如圖2所示的是一個基于ZL2008的數字電源的應用電路。設計輸入電壓12V，輸出電壓1.8V，輸出電流 16A。

在最簡單的配置下，ZL2008需要兩個外部N溝道功率MOSFET，一個用作上控制MOSFET(QH)，一個用作下同步MOSFET(QL)。從這個設計應用電路圖可以看出，使用ZL2008只需要少量外圍元件就能實現一個帶有數字同步電壓轉換、電源管理、故障管理和遙測的全功能電源。設計中一定要知道選擇外部組件所需的性能目標，適當選擇外部元件為最好性能是決定性的。

圖2 ZL2008的基本應用電路

4 電流共享數字電源的設計

從表1可知，基于單個ZL2008設計的數字電源在0.6～5.0V輸出電壓范圍，最大輸出電流25A。對于輸出電流大于25A的應用，我們可采用Digital－DC電流共享技術，并聯使用多個ZL2008，用搭積木的方式搭建所需要的數字直流電源。多個ZL2008設備并聯組成電流共享組使用(這種方式最多支持8個ZL2008并聯)，可以增加輸出電流的能力。在電流共享組內部，各支路設備將分擔相等的電流。下面具體以使用3個ZL2008并聯組成大輸出電流(最大設計輸出電流可達75A)數字電源為例，分析電流共享數字電源的設計特點。

圖3 三個ZL2008構成的電流共享數字電源主結構

表2 電流共享組的信息參數

圖3所示的是由三個ZL2008構成的電流共享數字電源主結構圖。表2列出的是設計的電流共享組的信息參數。

各ZL2008外部連接的MOSFET、電容、電感可參照圖2配置。連接各個設備的DDC、SDA、SCL、SYNC引腳和輸出電壓端，并配置各相(每一并聯支路稱為一相)設備的參數。設計的電流共享組中每臺ZL2008設備配置的引腳電阻值、引腳狀態顯示于表3。

表3 共享組中設備引腳參數配置

5 電流共享數字電源設計的配置

基于ZL2008的電流共享數字電源的設計需要在ZL2008的引腳連接一些外部元件并對其做適當的參數配置［4］。圖4所示的是ZL2008的全部引腳。

(1)設置電流共享設備位置號(CFG2引腳)

電流共享位置號是從0～7(最高)的N個連續數，參考設備的位置為0，最后一個成員設備的位置號是N－1。對并聯的各個ZL2008的CFG2引腳分別接入一個電阻RCFG2，如設置RCFG2電阻值為42.2kΩ，則該設備電流共享位置號就是0;如設置RCFG2電阻值為46.4kΩ則該設備電流共享位置號就是1，其余的見表4。

圖4 ZL2008的引腳

表4 RCFG2與電流共享設備位置號對應關系

(2)參考設備與成員設備

當電流共享系統啟動時，電流共享位置號最低的設備，被定義為參考設備，其余設備被定義為成員設備。如果參考設備丟失或錯誤，下一個最低位置號的設備將成為新的參考設備。參考設備通過DDC總線提供負載電流的信息給每一位成員設備，平衡系統中每個設備的負荷電流。

(3)配置SMBus地址(SA0，SA1引腳)

多個SMBus設備使用I2C/SMBus接口通信時，每個設備必須有一個唯一的地址。這樣才能區分設備。電流共享組中的每個I2C/SMBus設備的地址，可以通過對其SA0，SA1引腳做如表5所示的設置。參考設備使用值最低的地址。

表5 通過SA0，SA1引腳設置SMBus設備地址

(4)配置電流共享成員數(CFG0引腳)

本設計中設備都被設定為3相電流共享和所有相都被激活。如表6所示，根據非線性響應(NLR)要求選擇CFG0引腳電阻值可以設置電流共享組成員數，最小為2，最大為8。當組成員數≥2時，各設備的電流共享自動被激活;當組成員數=0時，電流共享被禁用。

表6 根據電流共享組成員數和非線性響應(NLR)決定CFG0引腳連接電阻值

(5)同步時鐘配置(SYNC Clock)(CFG1引腳)

SYNC引腳是一個獨特的引腳，可以執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引腳設置為LOW，SYNC引腳為輸入;CFG1引腳設置為HIGH時，SYNC引腳為輸出;CFG1引腳設置為OPEN時，SYNC引腳為自動發現。參考設備是典型的SYNC時鐘源，它輸出同步時鐘到成員設備，作為成員設備的輸入同步時鐘。本設計中，參考設備CFG1引腳設置為HIGH狀態;成員設備的CFG1引腳都設置為LOW狀態。

(6)軟啟動配置(SS引腳)

軟啟動延遲時鐘能夠精確控制VOUT從0開始斜坡上升到其目標值的斜坡時間。使用SS引腳可以精確設置，保證VOUT斜坡單調上升。SS引腳電阻器設置如下參數:

①延遲時間:由于參考設備需要另外的時間協調所有成員設備信號同步，因此參考設備的軟啟動延遲時間至少要比任何電流共享成員設備斜坡向上/向下的時間大10ms。

②斜坡時間:電流共享的參考設備和成員設備軟啟動的斜坡向上/向下時間至少需要5ms。

直接對一個設備的SS多模引腳狀態按表7設置，可以設計出三組延遲時間和斜坡時間。如果需要設計的延遲時間和斜坡時間值不在表7中，可以連接一個從SS引腳到SGND的電阻器，根據設計的延遲時間和斜坡時間在表8中選擇對應的RSS電阻值來配置。

表7 由SS引腳狀態直接設置延遲時間和斜坡時間

表8 RSS電阻值與延遲時間和斜坡時間的對應關系

(7)相位使能配置(PH_EN引腳)

相位啟用是經常在運行期間動態地增加或減少電流共享相位。設置PH_EN引腳的狀態，HIGH是啟用相位，LOW是禁用相位，OPEN是無效狀態。為了電流共享組參考設備和成員設備的安全，在斜坡上升之前要保證相位使能為HIGH。

6 結語

ZL2008被設計成為一個靈活的、可變通的直流電源模塊，可以輕松適應從3.3V輸入的單相數字電源到12V輸入的多相位數字電源應用設計。設計人員只需配置少量的外圍元件MOSFET(場效應管)、電容、電感、電阻，就能靈活設計ZL2008控制的數字DCDC電源。電流共享［5］技術更允許多個ZL2008裝置并聯連接給負載供電，能充分滿足各種既要大電流又要同步降壓轉換功能和電源管理功能的數字電源應用。

［1］吳康.數字電源控制器與芯片應用［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.開關電源模塊并聯均流系統的研究［J］.電源技術，2011，(2):210 －212.