運用多相數字電源解決方案應對系統問題

    所面臨的挑戰

    當前的處理器、圖像及存儲系統均使用多相電源解決方案。這些多相解決方案可提供一個極高開關頻率轉換器的響應及調節性能，同時以一個更加適度的頻率上單獨地進行開關。對單通道降壓轉換器而言，它們還可以提供比實際更高的輸出電流。多相電源的優勢來自于相位交錯。通過以統一的時間間隔進行相位交錯(例如：在一款三相交錯轉換器中以120° 的時間間隔進行交錯)，其本身單個相位固有的輸出紋波被其他相位降至平均水平，從而總體輸出紋波就被降低了。這樣使用更低的脈寬調制開關頻率，就可以實現給定輸出紋波設計的目標，與此同時通過降低開關損耗提高了效率。

    管理多相電源系統存在一些其自身特有的問題，包括輕負載效率和系統冗余的切相 (phase shedding)，以及系統壽命的相位電流平衡。在傳統模擬電源中實施這些功能會比較困難，然而使用一個數字控制器則可以很輕松地完成這些任務。在該案例研究中，引入了一款數字電源解決方案，其具有多相同步降壓轉換器的優點，同時可以運用數字方法關閉電壓控制環路，并且對不同負載和散熱條件下的相位進行管理，以獲得最佳電源性能。

    解決方案

    這種系統由多達6 個交錯式同步降壓轉換器組成，這些轉換器均由一個單微處理器控制，如圖 1 所示。

                                       圖 1 數控多相交錯式同步降壓

    TI 推出的 32 位 TMS320F2806 數字信號控制器 (DSC) 運行在 100 MHz 頻率下，并且以電源應用為目標。在本例中，其在軟件中實施電壓模式控制，該軟件使用一個在 PWM 開關頻率上進行采樣的單通道 2 極點 2 零點數字補償器。隨后產生的占空比值將被傳給每一個降壓相(所有為實現相位平衡所作的占空比調節除外)。通過使用片上 12 位模數轉換器 (ADC) 獲得系統輸出電壓反饋。MOSFET 溫度在整個 ADC 中均為可用，以實現監控的目的，并且片上內部集成電路 (I2C) 端口提供了對 PMBus™ 通信的支持。針對同步降壓應用專門設計了一款 UCD7230 柵極驅動器，從而提供了采用 TI TrueDrive™ 輸出架構的雙通道 4-A MOSFET 驅動器、周期性電流限制以及一個內置低失調、高增益、差分電流傳感放大器。

    切相和增相

    切相提供了一種提高電源效率和可靠性的方法。在輕負載條件下，動態地減少運行相位的數量通常會帶來效率的提高。當負載需求增加時，一個切相可以被重新激活。類似地，通過重新平衡各剩余相位之間的交錯，切除一個失效的相位或者一個運行在邊界狀態以外的相位，有助于維持系統的性能。在那些需要極高可靠性的應用中，一個備用相位可以被帶上線以取代失效的相位，也就是 N+1 冗余設計。不考慮切除一個相位的原因，剩余相位(或者在 N+1 冗余設計中增加相位)的交錯角應該重新調整，以維持最佳性能。例如，從一個三相 120° 交錯式轉換器中切除一個相位就應該將兩個相位分離隔開 180°。

    TMS320F2806 控制器的 PWM 元件均支持軟件同步及相位控制。每一個 PWM 輸出均具有一個相位同步寄存器，它將其計數值與首個 PWM 輸出的計數值發生偏移。這就允許所有交錯式降壓相位的相位角不僅僅可以在系統初始化期間被靜態地配置，而且還可以在系統運行期間被動態地重新調整。

    圖 2a 顯示了一款 120° 交錯式(條件：10V 輸入、2V 輸出、3A 負載及300 kHz PWM 開關)PWM 結構的三相交錯式降壓轉換器的示波器屏幕采集圖。示波器通道 1 至 3 顯示的是單個相位電壓，而通道 4 顯示的是交錯式輸出電壓(所有示波器通道均為 AC 耦合)。通過所有運行中的三個相位，可以得出該輸出紋波為 4.9 mV(輸出電壓的 0.25%)。在沒有調整兩個剩余相位(見圖 2b)角的情況下，切除相位 2 會引起輸出紋波增加 86%，即為9.1 mV。為了獲得 180° 交錯(見圖 2c)，對兩個剩余相位進行軟件調整以后，該紋波減少至 7.9 mV。在仍然比初始值大的同時(因為一個兩相位系統無法獲得如一個三相系統一樣的低紋波)，其比未被調整的剩余相位角提高了 13%。

                   圖 2a 三相交錯式同步降壓輸出

             圖 2b 在 120° 交錯時，切除相位 2，保留相位 1 和相位 3

                      圖 2c 對相位 1 和相位 3 進行調整以實現180°交錯

    相位電流平衡

    為了最佳化電源組件可靠性和使用壽命，使多相系統中的每一個相位都等量地分擔電源負荷是值得的。由于電源開關和電感的組件間的不同，以及電路板布局和散熱的非對稱性，因此流經相位的電流是不一樣的�；�本平衡方法包括測量相位電流，以及對每一個相位要求的 PWM 占空比進行單獨地調節，以對電流進行平衡。電流非均衡動態十分緩慢，因而平衡環路的采樣率可以較低，差不多可以是幾十分之幾秒，甚至是幾秒。因此，微處理器上額外的計算負擔可以被忽略不計。為了減少傳感器噪聲的影響，對平衡環路速率電流讀取進行過采樣，并隨著時間的變化平均每一個相位的電流測量。簡單低增益完整行為“僅”控制算法通常被用于關閉平衡環路。在使用平均相位電流作為參考的每一個環路反復過程中，可以在每一個相位上執行平衡。另一種方法是，有時只有將在那個時刻測量出的最高和最低電流相位彼此平衡，才能達到相位電流平衡。無論使用哪一種方法，所有相位電流最終都將匯聚到相同值上。

    PWM 精度是進行相位電流平衡時通常會碰到的一個問題。將一個 10V 輸入看作是由一個 100 MHz PWM 時鐘的 300 kHz PWM 驅動的 2V 輸出同步降壓轉換器。該降壓輸出上的 PWM 精度將會是 30 mV，或者等同于 2V 輸出的 1.5%。一般而言，相比達到相位平衡和避免平衡控制環路極限循環期 (limit cycling) 所需要的較好占空比調節，這樣的粒度將會大一個甚至是兩個數量級。F2806 控制器為這一問題提供了一種解決方案，并且別具一格地增強了 PWM 模塊的高精度。這種高精度 PWM 提供了 ~150 ps 的邊緣定位。這就相當于為上述降壓實例提供 0.45 mV 的輸出精度，或者 0.02% 的 2V 輸出。這種解決方案可提供高精度以及較好的相位電流平衡功能。

    結論

    本文描述了一款數控多相交錯式 DC/DC 降壓系統，其可實現電壓模式調節控制，并具有切相及增相和多相電流平衡的特點。使用傳統模擬控制器來實施這些特性將會十分具有挑戰性，而使用一款基于微處理器的數字控制器便可以輕松地完成這些任務。F2806 數字信號控制器與 UCD7230 柵極驅動及電流傳感放大器的完美結合提供了一款完整的信號控制解決方案，并具有單機運行的片上閃存、同步高精度 PWM 模塊、測量反饋信號的 ADC 以及 PMBus 通信功能。