電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD9222的數(shù)字電源設(shè)計(jì)的探討

摘? 要：數(shù)字電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較好，所以對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)有著較高的現(xiàn)實(shí)價(jià)值，需要相關(guān)人員重點(diǎn)關(guān)注。基于此，本文設(shè)計(jì)了一款電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD9222的數(shù)字電源，對(duì)其總體設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明。同時(shí)，闡述了應(yīng)用UCD7242電源轉(zhuǎn)換芯片以及跟蹤環(huán)路的重要性。分析結(jié)果顯示，該數(shù)字電源達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：UCD9222;數(shù)字電源;電源轉(zhuǎn)換芯片;跟蹤環(huán)路

中圖分類號(hào)：TN86? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，高性能芯片被開發(fā)出來，并得到了逐步的推廣應(yīng)用。對(duì)于高性能芯片來說，其運(yùn)行需要高穩(wěn)定性的電源提供基礎(chǔ)保障。而隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，電源設(shè)計(jì)中也引入了數(shù)字控制技術(shù)，相比于模擬系統(tǒng)來說，這種數(shù)字電源有著設(shè)計(jì)周期短、容易實(shí)現(xiàn)模塊化管理、靈活性強(qiáng)、消除電磁干擾等優(yōu)勢(shì)。可以看出，設(shè)計(jì)數(shù)字電源具有較高的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。本文主要設(shè)計(jì)了電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD9222的數(shù)字電源。

1? 電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD9222數(shù)字電源的總體設(shè)計(jì)

在筆者設(shè)計(jì)的電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD9222的數(shù)字電源中，主要包含著負(fù)載設(shè)備、感容網(wǎng)絡(luò)、UCD9222以及UCD7242。在這樣的設(shè)計(jì)中，能夠提供兩種路線的電源輸出，同時(shí)，這兩路電源完全獨(dú)立，所以相互之間并不能產(chǎn)生影響。在這一數(shù)字電源中，電壓控制在0.5-1.0V的范圍內(nèi)，每一路電源的電流最高可以達(dá)到10A。在對(duì)其硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，主要使用了圖像化編程軟件，并結(jié)合PMBus總線，將經(jīng)過編程后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至硬盤處完成運(yùn)行。在完成一次設(shè)置后，第二次啟動(dòng)時(shí)并不需要再次進(jìn)行設(shè)置。

2? 電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD9222數(shù)字電源的硬件設(shè)計(jì)

2.1? 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在該數(shù)字電源中，硬件系統(tǒng)主要由UCD9222以及UCD 7242構(gòu)成。其中，UCD9222能夠提供兩路多相同步的數(shù)字PWM控制信號(hào)，作為一種數(shù)字PWM波形控制器存在。對(duì)于這兩路數(shù)字PWM控制信號(hào)來說，其環(huán)路保持一致。在UCD9222結(jié)構(gòu)中，電壓跟蹤環(huán)、溫度跟蹤環(huán)、電流跟蹤環(huán)產(chǎn)生的三路信號(hào)（VinMon、Templ、LinMon）構(gòu)成了PWM信號(hào)。對(duì)于這三路信號(hào)來說，會(huì)先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器（12位分辨率），在260ksps頻率下完成采樣;接著，經(jīng)過比較器，實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償濾波器IIR的控制;補(bǔ)償濾波器在ARM的控制下，會(huì)輸出具有較高分辨率的PWM波形，結(jié)合對(duì)其波形的改變，完成對(duì)UCD7242的控制。此時(shí)，UCD7242的輸出電流與電壓會(huì)發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)的電源數(shù)字控制過程。

2.2? UCD9222的內(nèi)部設(shè)計(jì)

UCD9222在進(jìn)行輸出電壓EAP1/EAN1的反饋跟蹤時(shí)，主要依托了內(nèi)部包含的低速A/D轉(zhuǎn)換器（6位）實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，內(nèi)部存在的溫度感應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片溫度變化的監(jiān)測(cè)，一旦溫度超過了設(shè)定范圍，則輸出功率關(guān)斷。利用這樣的設(shè)計(jì)，能夠避免輸出功率過高造成器件損壞。

對(duì)于UCD9222芯片的管理來說，主要依托于內(nèi)部APM核實(shí)現(xiàn)。對(duì)于用戶來說，其可以調(diào)整UCD9222的各種配置參數(shù)，但是不能對(duì)APM核進(jìn)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(guān)參數(shù)的配置，可操作的參數(shù)包括多種控制參數(shù)、輸出的電流以及電壓。當(dāng)完成參數(shù)的配置后，軟件會(huì)利用PMBus總線接口，將參數(shù)傳輸至UCD9222內(nèi)部。APM核會(huì)讀取這些參數(shù)，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(gè)VID接口，能夠?qū)υO(shè)備在靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)情況下的功耗展開檢測(cè)[1]。由于UCD9222本質(zhì)屬于PWM波形控制芯片，所以并不具備電源轉(zhuǎn)換的功能。為了彌補(bǔ)這一功能缺陷，筆者將UCD9222外接了電源轉(zhuǎn)換芯片UCD7242，為UCD9222提供了兩路輸出電壓。在這樣的設(shè)計(jì)方式下，該數(shù)字電源具備了電路轉(zhuǎn)換的功能，有著更好的使用穩(wěn)定性。

2.3? UCD9222的硬件電路設(shè)計(jì)

在PMBus中包含著四根總線，在設(shè)計(jì)中，要將所有的總線連接，為UCD9222軟件設(shè)計(jì)提供硬件條件。在UCD9222與電源轉(zhuǎn)換芯片UCD7242的連接中，對(duì)每路輸出電壓設(shè)置了三個(gè)引腳，包括Isense-1A、FF-1A、PWM-1A。其中，Isense-1A為電流監(jiān)控引腳;FF-1A為電壓監(jiān)控引腳。當(dāng)電流與電壓超過了設(shè)定的數(shù)值時(shí)，兩引腳能夠有效識(shí)別，并關(guān)斷UCD9222的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)。PWM-1A為PWM的電壓控制信號(hào)，主要參考輸入與輸出電壓、工作電流完成波形設(shè)置。

當(dāng)電流或電壓小于設(shè)定數(shù)值時(shí)，PWM的占空比會(huì)提升，實(shí)現(xiàn)了更大功率地提供，避免負(fù)載電壓降低，維持系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的正常。如果在系統(tǒng)的負(fù)載芯片中包含VID接口時(shí)，也可以將UCD9222直接與該接口連接。此時(shí)，負(fù)載芯片作為處理器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流與電壓的檢測(cè)，能夠自動(dòng)利用VID接口將控制參數(shù)傳輸至UCD9222中，完成對(duì)電流與電壓變化的控制。

2.4? UCD7242的硬件電路設(shè)計(jì)

由于UCD9222并不具備電源轉(zhuǎn)換功能，所以需要加設(shè)UCD7242電源轉(zhuǎn)換芯片。在UCD7242的硬件電路中，由于數(shù)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(shè)置了不同封裝以及不同容值的電容，包括VDD1V0、CVDD等等。

在進(jìn)行負(fù)載電感以及負(fù)載電容的計(jì)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(guān)頻率;VPPQ代表輸出的紋波電壓。

在本次電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD9222數(shù)字電源的設(shè)計(jì)中，設(shè)定的參數(shù)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(guān)頻率為750kHz;輸入電壓為12V;兩路輸出電壓均為1V;CVDD的負(fù)載電感與負(fù)載電容分別為0.152μH和133.3μF;VDD1V0的負(fù)載電感與負(fù)載電容分別為0.243μH和83.3μF。

在進(jìn)行UCD7242的硬件電路設(shè)計(jì)中，也可以通過對(duì)負(fù)載電感、負(fù)載電容、開關(guān)頻率等進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出紋波電壓的有效條件。此時(shí)需要相關(guān)人員注意的是，上述計(jì)算負(fù)載電感以及負(fù)載電容的兩個(gè)公式僅只表達(dá)了UCD7242的正常工作曲線，若是當(dāng)紋波電壓的設(shè)置低于芯片的工作范圍時(shí)，則紋波電壓不受上述公式的控制。

3? 電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD9222數(shù)字電源的軟件設(shè)計(jì)

3.1? 軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

對(duì)于該數(shù)字電源的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，其主要工作就是完成UCD9222的參數(shù)配置。筆者主要使用了PMBus總線完成了相應(yīng)的參數(shù)配置，這要求用戶對(duì)UCD9222寄存器設(shè)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(jié)合USB接口轉(zhuǎn)PMBus接口數(shù)據(jù)線，即能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)UCD9222寄存器的讀寫、編程以及設(shè)置等工作[3]。在完成電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD9222數(shù)字電源的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，能夠獲取相關(guān)的電流、電壓、相位等參數(shù)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(qū)動(dòng)芯片UCD9222數(shù)字電源的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)置的參數(shù)具體為：輸出電流8A、輸出電壓1V、輸入電壓12V。

3.2? 補(bǔ)償器

結(jié)合由上述設(shè)計(jì)完成后得出的基于比較補(bǔ)償器的輸出幅頻特性曲線能夠看出，在不同的頻率段中，補(bǔ)償器的直接輸出所反映出來的幅度存在差異。結(jié)合輸出相頻特性曲線能夠看出，在低頻段（即低于1kHz的區(qū)間）中，線性相位關(guān)系較好;一旦超過1kHz，則會(huì)表現(xiàn)出十分明顯的超調(diào)現(xiàn)象。

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

3.3? 跟蹤環(huán)路

結(jié)合上述的分析能夠發(fā)現(xiàn)，電壓會(huì)對(duì)電路中的其他器件產(chǎn)生影響。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，筆者在電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD9222數(shù)字電源中加入了跟蹤環(huán)路。通過這樣的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電壓變化的實(shí)時(shí)跟蹤。此時(shí)，輸出曲線能夠緊貼信號(hào)的相位變化與幅度變化，僅僅存在一個(gè)固定的比例。此時(shí)，幅度與相位的變化極為穩(wěn)定，電壓對(duì)系統(tǒng)的影響明顯降低，確保反饋控制能夠更加迅速、精準(zhǔn)地展開。

4? 結(jié)? 論

數(shù)字電源有著設(shè)計(jì)周期短、容易實(shí)現(xiàn)模塊化管理、靈活性強(qiáng)、消除電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，所以，設(shè)計(jì)數(shù)字電源具有較高的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。通過加入U(xiǎn)CD7242電源轉(zhuǎn)換芯片，結(jié)合負(fù)載設(shè)備、感容網(wǎng)絡(luò)、UCD9222以及跟蹤環(huán)路等的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD9222數(shù)字電源的設(shè)計(jì)。在該數(shù)字電源中，由于使用了UCD7242電源轉(zhuǎn)換芯片，所以具備兩路電源;同時(shí)，由于使用了跟蹤環(huán)路，所以降低了電壓對(duì)系統(tǒng)器件的影響，提升了反饋控制的準(zhǔn)確性與迅速程度。經(jīng)過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該數(shù)字電源達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有較高的使用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：黃俏（1984.01-），男，漢族，廣東龍川人，中級(jí)職稱，碩士，研究方向：SOC芯片設(shè)計(jì)。