電源驅動芯片UCD9222的數字電源設計的探討

摘? 要：數字電源的設計與應用優勢較好，所以對其進行設計有著較高的現實價值，需要相關人員重點關注。基于此，本文設計了一款電源驅動芯片UCD9222的數字電源，對其總體設計、硬件系統設計與軟件系統的設計進行了說明。同時，闡述了應用UCD7242電源轉換芯片以及跟蹤環路的重要性。分析結果顯示，該數字電源達到了預期的設計目標。

關鍵詞：UCD9222;數字電源;電源轉換芯片;跟蹤環路

中圖分類號：TN86? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）07-0045-02

Abstract：The design and application advantages of digital power supply are good，so the design of digital power supply has a higher practical value，which needs the attention of relevant personnel. Based on this，this paper designs a digital power supply for power driver chip UCD9222，and describes its overall design，hardware system design and software system design. At the same time，the importance of applying UCD7242 power conversion chip and tracking loop is expounded. The analysis results show that the digital power supply achieves the expected design goals.

Keywords：UCD9222;digital power supply;power conversion chip;tracking loop

0? 引? 言

近幾年來，電子器件及相關技術不斷發展，高性能芯片被開發出來，并得到了逐步的推廣應用。對于高性能芯片來說，其運行需要高穩定性的電源提供基礎保障。而隨著數字信號處理技術的不斷發展，電源設計中也引入了數字控制技術，相比于模擬系統來說，這種數字電源有著設計周期短、容易實現模塊化管理、靈活性強、消除電磁干擾等優勢。可以看出，設計數字電源具有較高的現實價值。本文主要設計了電源驅動芯片UCD9222的數字電源。

1? 電源驅動芯片UCD9222數字電源的總體設計

在筆者設計的電源驅動芯片UCD9222的數字電源中，主要包含著負載設備、感容網絡、UCD9222以及UCD7242。在這樣的設計中，能夠提供兩種路線的電源輸出，同時，這兩路電源完全獨立，所以相互之間并不能產生影響。在這一數字電源中，電壓控制在0.5-1.0V的范圍內，每一路電源的電流最高可以達到10A。在對其硬件系統進行設置時，主要使用了圖像化編程軟件，并結合PMBus總線，將經過編程后的數據轉移至硬盤處完成運行。在完成一次設置后，第二次啟動時并不需要再次進行設置。

2? 電源驅動芯片UCD9222數字電源的硬件設計

2.1? 硬件系統的總體設計

在該數字電源中，硬件系統主要由UCD9222以及UCD 7242構成。其中，UCD9222能夠提供兩路多相同步的數字PWM控制信號，作為一種數字PWM波形控制器存在。對于這兩路數字PWM控制信號來說，其環路保持一致。在UCD9222結構中，電壓跟蹤環、溫度跟蹤環、電流跟蹤環產生的三路信號（VinMon、Templ、LinMon）構成了PWM信號。對于這三路信號來說，會先經過A/D轉換器（12位分辨率），在260ksps頻率下完成采樣;接著，經過比較器，實現對補償濾波器IIR的控制;補償濾波器在ARM的控制下，會輸出具有較高分辨率的PWM波形，結合對其波形的改變，完成對UCD7242的控制。此時，UCD7242的輸出電流與電壓會發生改變，實現了整個的電源數字控制過程。

2.2? UCD9222的內部設計

UCD9222在進行輸出電壓EAP1/EAN1的反饋跟蹤時，主要依托了內部包含的低速A/D轉換器（6位）實現。同時，內部存在的溫度感應器可以實現對芯片溫度變化的監測，一旦溫度超過了設定范圍，則輸出功率關斷。利用這樣的設計，能夠避免輸出功率過高造成器件損壞。

對于UCD9222芯片的管理來說，主要依托于內部APM核實現。對于用戶來說，其可以調整UCD9222的各種配置參數，但是不能對APM核進行操作，這主要是由于APM核使用了程序固定。用戶使用UCD9222中的軟件配置工具即能夠完成相關參數的配置，可操作的參數包括多種控制參數、輸出的電流以及電壓。當完成參數的配置后，軟件會利用PMBus總線接口，將參數傳輸至UCD9222內部。APM核會讀取這些參數，并完成芯片配置以及輸出電流電壓的控制。

在UCD9222中，包含著一個VID接口，能夠對設備在靜態以及動態情況下的功耗展開檢測[1]。由于UCD9222本質屬于PWM波形控制芯片，所以并不具備電源轉換的功能。為了彌補這一功能缺陷，筆者將UCD9222外接了電源轉換芯片UCD7242，為UCD9222提供了兩路輸出電壓。在這樣的設計方式下，該數字電源具備了電路轉換的功能，有著更好的使用穩定性。

2.3? UCD9222的硬件電路設計

在PMBus中包含著四根總線，在設計中，要將所有的總線連接，為UCD9222軟件設計提供硬件條件。在UCD9222與電源轉換芯片UCD7242的連接中，對每路輸出電壓設置了三個引腳，包括Isense-1A、FF-1A、PWM-1A。其中，Isense-1A為電流監控引腳;FF-1A為電壓監控引腳。當電流與電壓超過了設定的數值時，兩引腳能夠有效識別，并關斷UCD9222的輸出，實現對電路的保護。PWM-1A為PWM的電壓控制信號，主要參考輸入與輸出電壓、工作電流完成波形設置。

當電流或電壓小于設定數值時，PWM的占空比會提升，實現了更大功率地提供，避免負載電壓降低，維持系統運行狀態的正常。如果在系統的負載芯片中包含VID接口時，也可以將UCD9222直接與該接口連接。此時，負載芯片作為處理器，實現了對電流與電壓的檢測，能夠自動利用VID接口將控制參數傳輸至UCD9222中，完成對電流與電壓變化的控制。

2.4? UCD7242的硬件電路設計

由于UCD9222并不具備電源轉換功能，所以需要加設UCD7242電源轉換芯片。在UCD7242的硬件電路中，由于數字電源提供的電壓處理芯片要求較高，例如：多核處理器、DDR3等等。所以，筆者在電壓的輸出引腳附近設置了不同封裝以及不同容值的電容，包括VDD1V0、CVDD等等。

在進行負載電感以及負載電容的計算中，可以使用以下公式：L=[（Vin-Vout）/I]×（1/12fs）、C=I/（8VPPQ×fs）[2]。其中，Vin和Vout分別代表輸入與輸出電壓;I代表輸出電流;fs代表開關頻率;VPPQ代表輸出的紋波電壓。

在本次電源驅動芯片UCD9222數字電源的設計中，設定的參數具體如下：輸出的紋波電壓小于等于10mV;兩路輸出電流分別為8A及5A;開關頻率為750kHz;輸入電壓為12V;兩路輸出電壓均為1V;CVDD的負載電感與負載電容分別為0.152μH和133.3μF;VDD1V0的負載電感與負載電容分別為0.243μH和83.3μF。

在進行UCD7242的硬件電路設計中，也可以通過對負載電感、負載電容、開關頻率等進行修改，以實現對輸出紋波電壓的有效條件。此時需要相關人員注意的是，上述計算負載電感以及負載電容的兩個公式僅只表達了UCD7242的正常工作曲線，若是當紋波電壓的設置低于芯片的工作范圍時，則紋波電壓不受上述公式的控制。

3? 電源驅動芯片UCD9222數字電源的軟件設計

3.1? 軟件系統的總體設計

對于該數字電源的軟件系統設計來說，其主要工作就是完成UCD9222的參數配置。筆者主要使用了PMBus總線完成了相應的參數配置，這要求用戶對UCD9222寄存器設置十分熟悉。在這一過程中，可以通過Fusion Digitial Power Designer System的下載與安裝，結合USB接口轉PMBus接口數據線，即能夠實現對UCD9222寄存器的讀寫、編程以及設置等工作[3]。在完成電源驅動芯片UCD9222數字電源的軟件系統設計后，能夠獲取相關的電流、電壓、相位等參數的曲線圖，也能夠獲得輸出相頻特性曲線、輸出幅頻特性曲線等。在本次電源驅動芯片UCD9222數字電源的軟件系統設計中，設置的參數具體為：輸出電流8A、輸出電壓1V、輸入電壓12V。

3.2? 補償器

結合由上述設計完成后得出的基于比較補償器的輸出幅頻特性曲線能夠看出，在不同的頻率段中，補償器的直接輸出所反映出來的幅度存在差異。結合輸出相頻特性曲線能夠看出，在低頻段（即低于1kHz的區間）中，線性相位關系較好;一旦超過1kHz，則會表現出十分明顯的超調現象。

對于電壓來說，其在各個頻段都有著較為明顯的幅度變化，同時，在不同的頻段中也均具有非線性的相位，所以會對電路中其他器件的性能產生一定的影響，例如：對A/D轉換器的轉換精度產生影響;對FIR濾波器的幅頻特性產生影響等等。

3.3? 跟蹤環路

結合上述的分析能夠發現，電壓會對電路中的其他器件產生影響。為了避免這一現象的發生，筆者在電源驅動芯片UCD9222數字電源中加入了跟蹤環路。通過這樣的方式，能夠實現對電壓變化的實時跟蹤。此時，輸出曲線能夠緊貼信號的相位變化與幅度變化，僅僅存在一個固定的比例。此時，幅度與相位的變化極為穩定，電壓對系統的影響明顯降低，確保反饋控制能夠更加迅速、精準地展開。

4? 結? 論

數字電源有著設計周期短、容易實現模塊化管理、靈活性強、消除電磁干擾等優勢，所以，設計數字電源具有較高的現實價值。通過加入UCD7242電源轉換芯片，結合負載設備、感容網絡、UCD9222以及跟蹤環路等的應用，實現了電源驅動芯片UCD9222數字電源的設計。在該數字電源中，由于使用了UCD7242電源轉換芯片，所以具備兩路電源;同時，由于使用了跟蹤環路，所以降低了電壓對系統器件的影響，提升了反饋控制的準確性與迅速程度。經過檢驗發現，該數字電源達到了預期的設計目標，具有較高的使用價值。

參考文獻：

[1] 呂貴勇.基于DSP的大功率數字電源的設計與實現 [D].長沙：湖南大學，2016.

[2] 巴俊皓，黃芝平.高性能多核DSP的電源方案設計與調試 [J].單片機與嵌入式系統應用，2015，15（11）：56-58+61.

[3] 蔡湘平.電源驅動芯片UCD9222的數字電源設計 [J].單片機與嵌入式系統應用，2013，13（1）：45-47+51.

作者簡介：黃俏（1984.01-），男，漢族，廣東龍川人，中級職稱，碩士，研究方向：SOC芯片設計。