電源驅動芯片UCD9222的數字電源設計

蔡湘平

（北京同方清芝商用機器有限公司 研發部，北京 100085）

引 言

電源設計和控制是電子設計的必要部分之一，電源穩定是系統中大部分器件正常工作的前提。傳統的電源設計基于電源處理模塊芯片，這些芯片在設計之初就確定了一種固定的工作關系，包括輸入／輸出、電壓電流、紋波頻率、轉換效率等參數，工作過程中一直維持這種關系。傳統電源存在開關頻率低、頻率波動大、電磁干擾大、不能實時調節等問題[1]。隨著電子器件的發展，近幾年推出的高性能芯片需要非常穩定的電源才能正常工作，例如，多核DSP需要穩定的電源才能很好地工作在其峰值時鐘頻率，DDR3也需要隨時調節的電源才能實現高速數據讀寫，100G網等高速接口對電源也提出干擾小的要求。隨著數字信號處理技術的發展，數字控制技術逐漸被引入到電源設計中，數字電源相對模擬系統而言，在開關頻率中具有設計周期短、靈活多變、易實現模塊化管理、能夠消除因離散元件引起的不穩定和電磁干擾等優點[2]。

數字電源應該具有以下幾個特點：①PWM的信號輸出由數字控制芯片提供；② 控制環路的反饋計算工作由數字單元完成；③ 具有人機交互界面，便于信息的交換，而且可以實現電源輸出的可控和輸入的監測；④ 留有通信總線接口，可方便實現群監群控、冗余控制等。

TI公司推出的UCD系列數字電源套片，是一整套數字電源解決方案。這些套片主要含數字PWM波形控制芯片、電源驅動轉換芯片，以及復位和時延控制芯片。本文主要介紹數字PWM控制芯片UCD9222和電源驅動芯片UCD7242的使用，包括軟件和硬件設計。

1 總體設計

數字電源系統總體設計如圖1所示。

圖1 電路總體框圖

實際硬件系統主要由數字PWM波形控制芯片UCD9222、電源驅動芯片UCD7242，以及相應的由電感和電容組成的匹配網絡組成。圖1的設計可以提供兩路電源輸出，兩路電源完全獨立設置，相互之間沒有影響。電壓設置范圍為0.5～10V，每路電流最高可以設置到10A。利用圖形化編程軟件可以直接對硬件系統進行設置，并可以通過PMBus總線將編程后的數據下載到硬件運行，設置好后，下次啟動無需重新設置[3]。

2 硬件設計

數字電源硬件系統主要由UCD9222和UCD7242組成。UCD9222為數字PWM波形控制芯片，可以提供2路多相同步數字PWM控制信號，2路PWM信號控制環路結構完全一致，內部結構如圖2所示。從圖中可以看出，UCD9222控制PWM信號的核心主要由電壓跟蹤環、電流跟蹤環和溫度跟蹤環組成。這3個環路的輸入信號分別為VinMon、LinMon和Temp1，這3路信號經過12位分辨率的A／D轉換器（圖中ADC1）在260ksps頻率下采樣，采樣后數字信號經過比較器，比較器輸出來控制補償濾波器IIR，高濾波器為3極點和3零點濾波器，具有較多的線性相位。補償濾波器在ARM控制下輸出高分辨率的PWM波形，通過有效改變PWM波形來實現對電壓驅動芯片UCD7242的控制，來調整UCD7242的輸出電壓和電流，實現電源的數字控制[4]。

圖2 UCD9222結構框圖

UCD9222內部集成一個6位的低速A／D轉換器（圖中ADC2），實現對輸出電壓EAP1／EAN1的反饋跟蹤。內部溫度感應器感知芯片溫度變化，提供超范圍溫度的輸出功率關斷功能，避免錯誤情況下輸出高功率，燒毀器件。

UCD9222整個芯片的管理由內部ARM核完成。該ARM核程序固定，用戶不能操作。用戶唯一可以操作的是配置UCD9222的各種參數，這些參數主要包括輸出電壓、輸出電流，以及各種控制參數。這些參數都可以通過UCD9222的軟件配置工具Fusion Design來完成，配置后的軟件通過PMBus總線接口燒寫到UCD9222的內部Flash中。上電由ARM讀取這些參數，根據這些參數來配置芯片，按照規定輸出電流電壓。

UCD9222具有一個VID接口，VID接口是SmartReflex技術的標準接口，通過該接口實現對設備靜態和動態功耗的檢測。

UCD9222為PWM波形控制芯片，其本身不提供電源轉換功能。為了實現數字電源的電壓轉換，UCD9222必須外接電源轉換芯片。TI公司提供專門為UCD9222配套的多款轉換芯片，UCD7242為其中一款，可以提供兩路輸出電壓。

UCD9222的硬件電路設計如圖3所示。圖中，PMBus的4根總線必須連接出來，供UCD9222的軟件設置使用。UCD9222和UCD7242的連接非常簡單，每路只需要3個引腳，分別為 FF－1A、PWM－1A、Isense－1A。其中PWM－1A為PWM電壓控制信號，該波形需要根據輸入電壓、輸出電壓、工作電流來設置，設置的參數通過PMBus總線寫入到 UCD9222中。FF－1A和Isense－1A分別是電壓監控和電流監控引腳，一旦電壓和電流超過設定值，UCD9222將關斷輸出，起到保護電路的作用。如果電壓或者電流低于設定值（在負載突然增大情況下），UCD9222將提高PWM的占空比，以便提供更大的功率，確保負載電壓不降低，保證系統正常工作。如果系統的負載芯片（例如DSP、FPGA、ARM等）具有VID接口，可以將其VID接口直接連接到UCD9222。因為負載芯片一般為處理器，也具有較強的電壓電流檢測能力，所以負載芯片可以自主將控制參數通過VID寫入到UCD9222，來主動控制電壓電流的變化。

UCD7242的硬件電路設計如圖4所示。需要注意的是，由于數字電源一般都提供給對電壓要求非常高的處理芯片，例如DDR3、高速接口，以及多核處理器等。因此，其電壓輸出引腳要旁通多個不同容值和不同封裝的電容，如圖4中的CVDD和VDD1V0引腳。

圖4 UCD7242硬件電路

根據圖4中硬件設計，需要計算負載電容和負載電感。計算公式如下：

式中，VPPQ為輸出的紋波電壓，電路設計中不大于10 mV；I為輸出電流，兩路輸出分別為5A和8A；fs為開關頻率，設計中為750kHz；Vin為12V輸入電壓，Vout為輸出電壓，兩路均為1V。根據式（1）和（2），計算得到VCC1V0輸出的負載電容和負載電感分別為83.3μF和0.243μH；CVDD輸出的負載電容和負載電感分別為133.3μF和0.152μH。實際電路中，也可以通過修改開關頻率、負載電容和負載電感來調節輸出紋波電壓VPPQ。但式（1）和（2）是UCD7242正常工作曲線，如果紋波設置低于芯片工作范圍，將不受上式控制。

3 軟件設計

軟件設計的主要工作就是對UCD9222的參數進行配置。可以通過PMBus總線直接進行配置，但這需要用戶非常熟悉UCD9222的寄存器設置。為了方便用戶，TI公司提供了免費的圖形化的配置軟件，用戶下載安裝Fusion Digital Power Designer System，并購買USB接口轉PMBus接口數據線，就可以完成對UCD9222的寄存器設置、編程、讀寫等所有的工作。軟件設計完成后，會給出相關的電壓、電流、相位等曲線圖。圖5為輸出幅頻特性曲線，圖6為輸出相頻特性曲線。圖中設置參數為輸入電壓12V、輸出電壓1V、輸出電流8A。

圖5 輸出幅頻特性曲線

圖6 輸出相頻特性曲線

圖5中曲線1為比較補償器輸出的幅頻曲線，可以看出，補償器直接的輸出在各個頻率段反映的幅度不一致，變化很大。圖6中，曲線1，在低頻段（低于1kHz）具有較好的線性相位關系，在高于1kHz后，呈現較大的非線性關系，而且有很明顯的超調現象。電壓在各個頻段具有較大的幅度變化，將影響電路中其他器件的性能（如影響A／D轉換精度）。電壓在各個頻率段具有非線性相位，也將影響電路中其他器件性能（如影響FIR濾波器的幅頻特性）。

為了解決這些問題，UCD7242使用跟蹤環路，實時跟蹤曲線1的變化關系，如圖5、圖6中曲線2所示。從圖中可以看出，曲線2很好地跟蹤上信號的相位變化，幅度變化關系也可以很好跟蹤上，只是存在一個固定的比例（幅度跟蹤不一致是由跟蹤器和補償器阻抗不一致引起的）。使用跟蹤后的曲線2對曲線1進行校準后，得到最終的輸出電壓曲線，如圖5、圖6中的曲線3所示。曲線3就可以看到比較穩定的幅度和相位變化關系。該曲線在大部分頻率段具有較好的直流特性，對系統影響較小，而且自身也具有較好的直流關系，使得反饋控制更加準確和快速。

結 語

數字技術在電源設計方面的引入使得數字電源成為可能，芯片化后的數字電源設計方法非常簡單，設計出的產品具有體積小、價格便宜等優點。本文介紹了一種基于TI公司UCD系列數字電源套片的數字電源系統設計2247 方法。該設計可以提供給多核DSP及高速的DDR3應用。在實際應用中，達到了預期的電源設計目的。

[1] 郭唐仕，陳錦云，林龍鳳，等.低功率開關電源的新型數字控制系統[J].電力電子技術，2003（1）：63－65.

[2] 龍鋒利，程健.數字電源控制模塊的設計[J].原子能科學技術，2009（11）：1043－1048.

[3] Bob White.PMBus——數字電源開放標準協議[J].今日電子，2005（9）：49－51.

[4] Texas Instruments Inc.UCD9222Digital System PWM Control Datasheet，2010.