電源系統

電源系統

電源系統(Power System)由整流設備、直流配電設備、蓄電池組、直流變換器、機架電源設備和相關的配電線路組成的總體稱為電源系統。UCD7100/7201均屬於數字控制電源驅動器晶片,二者的區別是UCD7100為單端輸出,UCD7201為雙端輸出,額定輸出電流均為±4A,可驅動MosFET開關功率管,均可適配UCD9110/9501型數字控制器。數字電源系統具有高集成度、高性價比、電源管理功能完善、外圍電路簡單、能面向用戶設計等顯著優點,為實現智慧型化電源系統的最佳化設計創造了有利條件。

特點

針對 通信行業要求設計

採用國際先進的 高頻相移邊緣諧振技術,超寬範圍 電網 交流 輸入,

模組採用功率因數校正技術,高效、可靠

全自動均流N+1冗餘模組化設計

監控系統實現整流模組、饋線輸入、電池智慧型化實時管監控系統實現整流模組、

饋線輸入、電池智慧型化實時管

具多級防雷措施,系統抗衝擊能力強、動態回響快

系統方案完善,可廣泛用於各種通訊設備配套

技術

智慧型化數字電源系統的最佳化設計

介紹了數字電源系統的主要特點及發展現狀,簡要分析了組成系統的各類晶片的性能特點及工作原理,重點闡述數字電源系統的電路設計。為實現數字電源系統的最佳化設計提供了具體方案。

引言

開關電源正朝著智慧型化、數位化的方向發展。剛問世的智慧型數字電源系統以其優良的特性和完備的監控功能,正引起人們的關注。數字電源提供了智慧型化的適應性與靈活性,具備直接監控、處理並適應系統條件的能力,能滿足任何複雜的電源要求。此外,數字電源還可通過遠程診斷來確保系統長期工作的可靠性,包括故障管理、過電流保護以及避免停機等。

特點

數字電源系統的主要特點

數字電源系統具有以下特點。

1)它是以數位訊號處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心,將數字電源驅動器及PWM控制器作為控制對象而構成的智慧型化開關電源系統。傳統的由微控制器(μP或μC)控制的開關電源,一般只是控制電源的啟動和關斷,並非真正意義的數字電源。

2)採用"整合數字電源"(Fusion Digital Power)技術,實現了開關電源中模擬組件與數字組件的最佳化組合。例如,功率級所用的模擬組件--MOSFET驅動器,可以很方便地與數字電源控制器相連並實現各種保護及偏置電源管理,而PWM控制器也屬於數控模擬晶片。

3)高集成度,實現了電源系統單片集成化(Power system on chip),將大量的分立式元器件整合到一個晶片或一組晶片中。

4)能充分發揮數位訊號處理器及微控制器的優勢,使所設計的數字電源達到高技術指標。例如,其脈寬調製(PWM)分辨力可達150ps(10-12s)的水平,這是傳統開關電源所望塵莫及的。數字電源還能實現多相位控制、非線性控制、負載均流以及故障預測等功能,為研製綠色節能型開關電源提供了便利條件。

5)便於構成分散式數字電源系統。

發展現狀

數字電源系統的發展現狀

隨著現代科技事業的發展及開關電源市場的需求,在21世紀初國際上開始研製數字電源系統。2005年3月,美國德州儀器公司(TI)宣布推出具有創新型的數字電源產品,不僅能顯著提高電源系統的性能,還可大幅度延長其使用壽命。該公司還展示了Fusjon Digital Powe解決方案,以證明數字電源系統能以極具競爭力的低成本,實現高性能指標及設計靈活性。

該解決方案包括以下3類晶片:

1)UCD7K系列數字電源驅動器(含UCD7100和UCD7201);

2)UCD8K系列PWM控制器(含UCD8620和UCD8220);

3)UCD9K系列數位訊號處理器(UCD9110/9501)。

上述晶片已形成系列化產品,於2005年秋季正式銷售。該產品支持包括從AC線路到負載的電源系統,可廣泛用於電信設施、計算機伺服器、數據中心電源系統及不間斷電源(UPS)等。

基本構成

2.l 數字電源驅動器

UCD7100/7201均屬於數字控制電源驅動器晶片,二者的區別是UCD7100為單端輸出,UCD7201為雙端輸出,額定輸出電流均為±4A,可驅動MosFET開關功率管,均可適配UCD9110/9501型數字控制器。主控制器可監控其輸出電流,快速檢測過流故障並迅速關斷電源,檢測周期僅為25ns。

現以UCD7100為例,其內部框圖如圖1所示。

電源系統電源系統

主要包括3.3 v電壓調整器及基準電壓源、觸發器、施密特比較器、欠壓關斷電路、控制門、TrueDrive驅動器。"TrueDrive"(真驅動)為TI公司的專有技術,它是由並聯雙極性電晶體和MOSFET管組成上拉/下拉電路構成的混合輸出級。其優點是驅動能力強,在低電壓時也能正常輸出,並能在極低輸出阻抗下控制外部功率MOSFET的過壓、欠壓保護,功率MOSFET不需要接起保護作用的肖特基鉗位二極體。UCD7100能在幾百ns的時間內給MOSTFET的柵極提供一個高峰值電流,快速開啟驅動器。UCD7100的高阻抗數字輸入端(IN)能接收3.3v邏輯電平、最高開關頻率達2MHz的信號。利用施密特比較器能將內部電路與外部噪音隔離。若控制器的PWM輸出停在高電平上並發生過電流故障,電流檢測電路就關斷驅動器的輸出,系統可進入重試模式。通過DSP或MCU內部的看門狗電路,能重新啟動晶片。UCD7100內部的3.3 v/lOmA電壓調整器可作為數字控制器的電源。

2.2 PWM控制器

UCD8220/8620是受DSP,或MCU數字控制的雙端推挽式PWM控制器。二者區別是UCD8220可利用48V低壓啟動,UCD8620內部增加了110V高壓啟動電路。UCD8220的內部框圖如圖2所示。

電源系統電源系統

主要包括3.3v電壓調整器及基準電壓源、脈寬調製器(PWM)、驅動邏輯、推挽式驅動器、欠壓關斷電路、限流電路、電流檢測電路。UCD8220/8620可運行在峰值電流模式或電壓模式,不僅能對極限電流進行編程,還輸出一個能受主控制器監控的極限電流數字標誌。UCD8220/8620的時序工作波形如圖3所示。

電源系統電源系統

2.3 數位訊號處理器(DSP)

UCD9501是TI公司專為數字電源系統配套的數位訊號處理器,其同類產品還有TMS320F2808,TMS320F2806。它們內部主要包含100MHz的32位CPU、時鐘振盪器、3個32位定時器、看門狗電路、內部/外部中斷控制器、SCI匯流排、SPI匯流排、CAN匯流排及I C匯流排接口、l2路PWM信號輸出、系統控制器、16通道12位。ADC、16K×16 Flash、6K×16 SARAM、1K×16ROM。它採用標準的3.3v輸入/輸出接口,與UCD8K系列完全兼容。利用Power PADTM HTSSOP,和QFN軟體包可進行編程。

電路設計

智慧型化數字電源系統可由PWM、電源驅動器、DSP、接口電路、顯示器和鍵盤6部分組成。系統框圖如圖4所示。

電源系統電源系統

圖中的數位訊號處理器UCD9501通過接口晶片與鍵盤和顯示器相連,用戶 不僅能從顯示器上觀察到當前的電源參數,還可通過鍵盤隨時修改電源參數。

為簡化配置,也可由數位訊號處理器(UCD9501)和數字控制電源驅動器(UCD7100)構成智慧型化數字電源系統,電路如圖5所示。

電源系統電源系統

交流電壓經過整流濾波後獲得的+36~72 v直流輸入電壓U1,接高頻變壓器的初級繞組;還經過R1、R2分壓後,分別接UCD9501的模擬輸入端AN1及AN2。初級繞組的另一端接功率MOSFET。R3為限流電阻。R4為電流檢測電阻。偏置繞組的輸出電壓通過VD1、C1整流濾波後得到+12v的直流偏壓,接UCD7100的電源端(UDD)。UCD7100輸出的3.3 v電壓為UCD9501提供電源。次級整流濾波電路由VD2、L和C2組成,VD3為續流二極體,UD為直流輸出電壓。從UCD9501輸出的脈寬調製信號(PWMA)送至UCD7100的IN端。UCD7100的極限電流標誌端(CLF)接UCD9501的中斷端(INT),極限電流設定端(ILIM)接UCD9501的GMTR端。利用光耦隔離放大器可將輸出級與輸入級進行隔離。

當UDD=12V,UCD7100的負載電容CLOAD=10nF,開關頻率f=300kHz時,偏置功耗為P=CLOADUDD2=10nF*(12v)2*300kHz=0.432W。偏置電流I=P/UDD=0.432W/12V=0.036A。

若採用UCD7201,則可驅動兩隻外部功率MOSFET。此外還可用UCD9501和UCD8620組成數字電源系統。

結語

數字電源系統具有高集成度、高性價比、電源管理功能完善、外圍電路簡單、能面向用戶設計等顯著優點,為實現智慧型化電源系統的最佳化設計創造了有利條件。