【導(dǎo)讀】數(shù)字控制方案因具有靈活、高集成度、智能控制等特點，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于低壓大電流DC/DC、大功率通信服務(wù)器AC/DC開關(guān)電源。然而目前仍以模擬控制器占主導(dǎo)的低成本中小功率AC/DC應(yīng)用中，數(shù)字電源控制是否也能發(fā)揮其在大功率應(yīng)用中的同等優(yōu)勢呢？
數(shù)字控制方案因具有靈活、高集成度、智能控制等特點，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于低壓大電流DC/DC、大功率通信服務(wù)器AC/DC開關(guān)電源。然而目前仍以模擬控制器占主導(dǎo)的低成本中小功率AC/DC應(yīng)用中，數(shù)字電源控制是否也能發(fā)揮其在大功率應(yīng)用中的同等優(yōu)勢呢？
本文對英飛凌的數(shù)字電源平臺以及如何利用數(shù)字控制的特點在高效率、高功率密度、低元器件成本、低制造成本、易用性方面進行簡單的介紹。
英飛凌數(shù)字電源平臺
中小功率(100W-300W)開關(guān)電源通常應(yīng)用于消費類和某些工業(yè)類產(chǎn)品。由于終端用電設(shè)備和應(yīng)用場景的不同，造成了對各自電源要求的差異。
大多數(shù)在這個領(lǐng)域中的產(chǎn)品對緊湊型、設(shè)計周期、設(shè)計/生產(chǎn)制造/以及售后維護成本有著較為嚴(yán)格的要求。設(shè)計人員通常會面臨在有限的開發(fā)時間和成本下，采用多款專用模擬控制器增加一些線路去適應(yīng)各種要求的問題。
數(shù)字控制器通?？梢造`活地采用相應(yīng)的算法解決平臺化問題。那么選擇通用的MCU/DSP在這個市場是否合適？
簡單想像：如果采用通用MCU/DSP作為控制器，方案中需要額外增加用以驅(qū)動功率器件的驅(qū)動器；電源板上需要幾個不同的電壓，所謂電源軌：有的用于MCU/DSP內(nèi)核供電，有的用于外圍I/O，還有的用于驅(qū)動MOSFET。因此需要額外的電源轉(zhuǎn)換線路。
同時可靠性方面需要考慮在軟件跑飛等異常狀況下的硬件保護線路。在需要輕載或空載效率的場合，可能還需要單獨的輔助電源或相關(guān)線路去控制損耗；此外還需要考慮設(shè)計尺寸、成本、算法可行性等。最終可能會因開發(fā)時間、成本、復(fù)雜性、可靠性等約束而放棄。
英飛凌在中小功率AC/DC中提出的數(shù)字平臺概念是怎樣的呢？它在效率、小型化、成本、靈活性方面是怎樣考慮的呢？
硬件方面，平臺應(yīng)具備硬件高集成的同時也應(yīng)考慮拓撲延展的可能。英飛凌將高壓側(cè)驅(qū)動器(無鐵芯變壓器)、高壓啟動單元、以及自主研制的nanoDSP全部集成在一個DSO-16的窄體封裝內(nèi)，為電源產(chǎn)品的小型化提供了可能。
高壓啟動單元可以完成啟動、待機、輸入的檢測和X電容放電等功能；高壓側(cè)驅(qū)動可以讓平臺構(gòu)建出橋式拓撲，比如半橋或高壓Buck；nanoDSP除了本身的DSP單元外，還包括了電源管理線路（電源軌的存在才能夠在待機時對某些功能單元關(guān)閉達到降低損耗的效果），低壓側(cè)驅(qū)動線路，硬件保護線路，ESD線路以及許多專用功能的硬件模塊（專用的硬件可避免消耗DSP本身的算力而達到更為高效的目的）。
有些功能很有趣，比如驅(qū)動電平及驅(qū)動電流可以通過配置寄存器改變。
這樣通常就可以讓外部省去了驅(qū)動電阻，當(dāng)然也可作為改善EMI的一種調(diào)節(jié)手段。還有一些單元，比如AC檢測單元，一經(jīng)配置它就可以獨立工作，直到被程序所讀取。這樣就充分地結(jié)合了模擬和數(shù)字各自的優(yōu)勢，降低了程序管理的復(fù)雜性。
在小型化方面，盡可能去除模擬方案中用于配置的外圍元件。一個系統(tǒng)中根據(jù)復(fù)雜程度，通?？墒∪?0-30個阻容。在實際PCB布局中省去幾十個阻容會讓設(shè)計工作變得輕松，讓功率密度提高成為可能。省去的往往不止是元件成本，也包括了故障點消除的后期維護成本。
簡單的說，它是一個處理器疊加了專用的混合信號和功率驅(qū)動的芯片,它充分結(jié)合了數(shù)字和模擬各自的優(yōu)勢協(xié)同工作?？刂品椒?gòu)成相應(yīng)的程序被存儲于OTP或成本更低的ROM之中。
不同的設(shè)計要求可以以參數(shù)形式傳遞給程序，這些參數(shù)通常會保存于指定的OTP空間，提供給設(shè)計人員進行參數(shù)的配置。
有了良好的硬件平臺，還需要相應(yīng)的控制算法才能最終讓平臺性能得以充分發(fā)揮。算法和程序編寫需要大量的經(jīng)驗，因此單純提供MCU/DSP硬件平臺而程序由用戶自行編寫的方式短期內(nèi)并不現(xiàn)實；而如果采用ASIC、CSP單一特定功能或者客戶定制方式可能也不太經(jīng)濟。
因此對于這個市場，英飛凌率先提出了ASSP(Application Specific Standard Product)概念：即程序滿足這個市場大部分的應(yīng)用要求，由英飛凌進行程序設(shè)計，同時留出一定的配置選項作為設(shè)計自由度以應(yīng)對少數(shù)特定應(yīng)用的要求。
顯然，不同的結(jié)構(gòu)和控制算法會衍生出不同的產(chǎn)品。對于中小功率市場，考慮到功率因數(shù)及諧波要求，需要加入PFC環(huán)節(jié)。由于功率范圍不大，同時綜合成本，臨界模式PFC是一種不錯的選擇。LLC因為其全負載范圍內(nèi)具備的軟開關(guān)特性，寬增益范圍以及窄頻工作特點已被行業(yè)廣泛采用，我們主功率環(huán)節(jié)采用LLC。這個產(chǎn)品就是針對中小功率開關(guān)電源控制器：IDP2308
IDP2308介紹
IDP2308是一個以全數(shù)字方式實現(xiàn)的集成PFC和LLC控制功能及啟動單元和驅(qū)動的控制器。它可以實現(xiàn)完整的保護功能。
封裝和引腳布局：
為了用戶PCB布線方便，PFC相關(guān)管腳與LLC管腳分別放置于芯片兩側(cè)。左側(cè)除Vcc、GND外，GD0、CS0、ZCD和VS均為PFC所需引腳。
可以注意到，PFC部分并沒有一般模擬控制器中的補償相關(guān)引腳。這是因為IDP2308將一個2型補償以數(shù)字的方式集成到了程序當(dāng)中，P、I、T1以參數(shù)配置的形式提供給客戶進行修改；除了省去外部補償線路，這種形式另一個優(yōu)點是：可以在系統(tǒng)的不同階段對PIT1參數(shù)進行調(diào)整。
比如：系統(tǒng)因為成本或空間限制選擇較小的Vcc電容，在啟動階段可以選擇更快速的PIT1組合使PFC母線快速達到目標(biāo)，而穩(wěn)態(tài)時又將環(huán)路帶寬降低，從而滿足包括整體系統(tǒng)的啟動時間的要求；左側(cè)還有一個HV高壓啟動引腳，IDP2308可以完成啟動、AC檢測（Brownin/out）以及X電容放電等功能；右側(cè)包括LLC下管驅(qū)動GD1,電流采樣CS1和高壓側(cè)的驅(qū)動信號。
LLC的反饋引腳為HBFB；MFIO或者稱為UART引腳，可完成參數(shù)的配置燒寫、調(diào)試以及在故障狀態(tài)下對外發(fā)出故障碼，即所謂“黑匣子”功能。
這個功能有時非常有用，比如很多電源已嵌入整機運行的場合，如果發(fā)生了故障，而示波器探頭無法進入，這時我們可以簡單地利用這個引腳發(fā)出的信號進行判斷。UART引腳是一個半雙工的引腳，同時也是一個I/O引腳，在有對PFB母線需要第二級保護的場合，它可以被復(fù)用為母線電壓的檢測。
芯片引腳需要考慮爬電，因此6-8腳間以及12-14腳間我們進行跳除，從而形成了DSO-14腳。英飛凌這個小尺寸封裝是業(yè)界集成PFC和LLC功能控制器的第一個廠家。
效率方面考慮：
系統(tǒng)效率是一個綜合問題。包括系統(tǒng)工作點的選取，腔體的合理設(shè)計，被動元件的選擇等眾多因素。其中也包括了合適的控制算法。PFC方面，由于是基于臨界模式，通常采用谷底開通的方式去緩解MOSFET的開通損耗，但輕載后由于開關(guān)頻率升高而開關(guān)損耗將上升的問題未能很好的解決。
針對這個問題，IDP2308中采用了多谷底開通的方式，通過增加谷底數(shù)使頻率降低從而改善了輕載的效率。
谷底數(shù)的多少，谷底切換的法則等必要條件都以參數(shù)的形式提供給用戶根據(jù)實際情況進行配置。這里，顯然單純增加谷底的想法并不難想到，在普通的準(zhǔn)諧振反激電源中是常見手段。
問題在于：PFC中如果采用多谷底，那么電流平均值和輸入電壓的跟隨關(guān)系就會丟失。因此，算法中需要對此進行必要的運算，以補償THD諧波。這其實也是數(shù)字處理器的優(yōu)勢。
LLC效率方面主要集中在輕載時Burst控制方式。穩(wěn)態(tài)情況下，通常LLC效率高度依賴于腔體設(shè)計和工作點的選擇，關(guān)于這方面的話題，我們將在以后的文章中進行探討。
內(nèi)部集成了高壓啟動單元和可控的用于不同功能塊的電源軌，為系統(tǒng)在待機模式時的低損耗創(chuàng)造了硬件條件。IDP2308在輕載時，程序通過對頻率的判斷決定是否進入Burst（間歇）模式。
進入Burst后，nanoDSP如果仍以工作時的頻率在運行，那么自身的損耗將會增加。所以這時DSP工作頻率要下降，同時也需要通過FB對系統(tǒng)進行喚醒。
這些喚醒行為本身需要通過硬件實現(xiàn)，這也是為什么單純采用通用MCU/DSP較難實現(xiàn)的部分原因。進入Burst后，我們采用固定開通時間內(nèi)配合給定的預(yù)設(shè)頻率的方式實現(xiàn)。預(yù)設(shè)頻率部分包括了軟啟動、軟結(jié)束和核心頻率幾個組成部分。
如果僅考慮效率，那么顯然是開通時間很短，放電時間很長，系統(tǒng)在充分短的時間內(nèi)可使輸出達到紋波上限，然后進入休眠。
而實際中，由于LLC腔體增益在輕載或空載時由于寄生活雜散參數(shù)的影響產(chǎn)生的不確定性，比如增益上翹，增益振蕩等，我們把內(nèi)部的核心頻率、啟動、結(jié)束頻率以及開通時間等全部作為參數(shù)提供給用戶在實際調(diào)試中進行調(diào)整。
退出Burst用什么方式呢？除了采用FB進行判斷外，IDP2308還采用了Burst off短于某個設(shè)定時間進行判斷。
因為負載越重，Burst off就越短。這種方式有什么意義呢？如果用FB進行判斷，那么對于輕載或空載，F(xiàn)B電壓高度依賴于補償環(huán)，一旦出現(xiàn)TL431飽和或光耦飽和，那么FB和輸出將失去函數(shù)關(guān)系。而采用Burst off方式退出就可以簡單解決這類問題。
我們可以簡單測出需要退出Burst時的功率對應(yīng)的Burst off時間，然后將其設(shè)為配置值即可。Burst是系統(tǒng)行為，PFC在Burst中也會跟隨運行，這時系統(tǒng)可以根據(jù)實際的損耗情況去調(diào)整母線電壓的高低。
比如工程上是否有可能在低電壓母線配合一個LLC相對高頻的組合？這種情況可以由使用者根據(jù)實際情況進行選擇。
可靠性方面的考慮：
IDP2308在軟件算法上采用了分任務(wù)時間片方式，從程序結(jié)構(gòu)上相較于中斷搶占方式較容易管理：
IDP2308具備完整的系統(tǒng)保護功能。比如，PFC限流、PFC母線過壓、欠壓，最小頻率限制，最大開通時間限制…LLC的光耦開路保護，過載保護，兩級的過流保護等。此外，還有很多獨特的保護。比如PFC在啟動時或者極高電壓輸入時，由于ZCD信號的丟失而造成系統(tǒng)進入CCM方式。
針對這種情況，我們引入了CCMP；再比如，如果VS腳，F(xiàn)B腳開路或者短路，或者某兩個腳粘連，如ZCD-VS，芯片可以進入保護。為了消除用戶對于純軟件保護的顧慮，IDP2308在PFC母線過壓和LLC過流都增加了獨立硬件保護。
在很多需要相鄰腳或任意角短路測試中，IDP2308都可以順利通過測試。還有些保護是需要根據(jù)實際要求進行調(diào)整的。
比如：有的設(shè)計要求出現(xiàn)母線過壓時，系統(tǒng)馬上停止工作進入重啟；而有些可能要求LLC后級應(yīng)繼續(xù)工作，從而能夠讓過壓事件盡快消除…有些設(shè)計發(fā)生LLC過流時，可能希望系統(tǒng)馬上進入重啟，不要繼續(xù)工作，或者推高頻率，哪怕輸出電壓已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重跌落后級用電器進入欠壓；而有的設(shè)計是希望繼續(xù)堅持工作，不可能讓后級“感受”到前級的影響…
實際應(yīng)用中不同的要求，造成了這些選項不可能做到唯一固定的配置參數(shù)。如同一個手機屏幕有人喜歡暖色，有人偏愛冷色，最終可能廠家只能把配色作為一個選項提供給用戶自己選擇，IDP2308也是類似。同時，也可以想象如果一個模擬控制器去應(yīng)對很多彼此不同甚至矛盾的要求，付出的外圍線路代價是較高的。
軟件實現(xiàn)的一個優(yōu)點是可以根據(jù)不同的狀態(tài)去設(shè)定保護門限。我們知道，LLC啟動時或者在Burst中的腔電流往往較大。
因此在IDP2308中可以分別設(shè)置不同工作狀態(tài)中的過流門限。更為重要的是，在進入重啟保護模式時，系統(tǒng)會發(fā)出故障代碼，用戶可以輕松對故障進行定位。重啟的時間也是選項，模擬控制器往往僅提供一個固定時間，在長期短路測試時往往功率器件會存在發(fā)熱，可調(diào)節(jié)的重啟時間可以簡單解決類似問題。
靈活性方面的考慮：
開關(guān)電源總是存在各種各樣的狀態(tài)。比如啟動，穩(wěn)態(tài)，動態(tài)… 讓人頭疼的事情往往是處理完這個問題，另一個問題又會出現(xiàn)。有些可能更為棘手，既要可靠又要低成本不允許增加額外線路。作為控制算法，我們盡可能地提供一些自由度給用戶以應(yīng)對以上的一些問題。這里不妨舉幾個小例子：
關(guān)于啟動，一方面需要關(guān)心輸出電壓的形態(tài)（過沖？負斜率？）還需要關(guān)心啟動時間以及系統(tǒng)中的電壓電流應(yīng)力。
我們知道LLC啟動時勵磁電感和諧振電容電壓都為零，為了避免高電流應(yīng)力和容性狀態(tài)所以普遍需要采用高頻啟動，這個過程通常是開環(huán)完成的。這里用到了一個頻率曲線TCO，頻率隨時間變化而變低；但是隨時間怎樣變化呢？多長時間變化多少呢？
這里其實是個復(fù)雜的過程:因為如果恒阻負載啟動，電壓爬升是沿著一個固定的增益線上升；如果恒流負載，那么其實爬升的軌跡就是不斷的跨越不同負載的增益線，因為等效負載是在不斷地降低。因此，這個向下掃頻的軌跡就可能不是一根直線。
在此，IDP2308提供了頻率起點、變化斜率、變化步長等可配置量給用戶進行調(diào)整，最終讓輸出曲線達到目標(biāo)。顯然，有時需要啟動迅度速我們就可以把頻率下降斜率加快，有時需要抑制開機電流脈沖，我們可以對最高頻率進行調(diào)整。這些參數(shù)配置提供了在外部腔體及補償環(huán)不變的前提下，通過非線性TCO來降低設(shè)計難度。
除了TCO外，IDP2308還有一根用于頻率控制的VCO曲線，即通過反饋電壓去調(diào)節(jié)頻率。模擬控制器通常采用線性的方式，因此由反饋到頻率的增益固定，這里的主要影響在小信號方面。
而IDP2308選擇了非線性，通過四點參數(shù)的選定重構(gòu)出VCO規(guī)律。同樣的輸出誤差根據(jù)不同的穩(wěn)態(tài)工作點可以對應(yīng)不同幅度的頻率變化，相當(dāng)于調(diào)整了功率平面的增益。
顯然它可以直接干預(yù)系統(tǒng)的帶寬，在補償環(huán)設(shè)計中增加了一個可控的增益環(huán)節(jié)。當(dāng)VCO兩側(cè)的頻率變陡，通常可以實現(xiàn)負載切換時的頻率快速跳躍，相當(dāng)于動態(tài)時系統(tǒng)帶寬增加。
還有些高速動態(tài)負載的場景，如頻率突然下降極快，這時PFC母線可能有相當(dāng)程度的墜落，有可能超出了當(dāng)初設(shè)計時的條件，這時可能會出現(xiàn)不希望出現(xiàn)的過流保護。
IDP2308可以采用一個偵測反饋變化斜率的數(shù)字濾波器去應(yīng)對，相當(dāng)于給系統(tǒng)在這種工況下增加一個極點實現(xiàn)濾波。也可以理解為當(dāng)速度過快時，可以適當(dāng)“剎車”。類似地，數(shù)字濾波的方式在IDP2308中很多地方都有采用。比如ZCD采樣。ZCD線路自身阻抗較高，容易耦合一些噪聲，造成誤開通。有時這些噪聲由于探頭阻抗匹配問題不一定容易準(zhǔn)確測量定位。
這時，可以用簡單的數(shù)字濾波就可以抑制這種干擾。緊湊型設(shè)計中，反復(fù)修改外圍小封裝阻容而造成虛焊漏焊等情況并不少見，在IDP2308的調(diào)試中可能僅改動一個參數(shù)就可以解決問題而無需對外圍硬件進行改動。
關(guān)于參數(shù)和燒寫
IDP2308大概提供了超過100個參數(shù)選項，覆蓋PFC、LLC和系統(tǒng)方面。出廠時芯片內(nèi)已有默認參數(shù)，當(dāng)有需要更改時，可以通過UART進行修改。調(diào)試過程并不消耗OTP參數(shù)空間。批量生產(chǎn)時，可以在板燒寫也可以卷帶自動化燒寫。
由于參數(shù)OTP空間較大，某些機型已燒寫過的芯片，也可能輕松的再次為其他機型燒寫，從而避免形成庫存。
很多客戶對于自行燒寫芯片不太適應(yīng)，因為傳統(tǒng)的模擬芯片不需要燒寫。因而采用了一套完全固定的參數(shù)去應(yīng)對所有的要求，當(dāng)性能不滿足時不合適時可能就放棄了這個平臺。一個相對新的設(shè)計方式需要一個接受過程。
自由碼的衣服不一定能真正自由，即使同一個人在不同階段可能也不一定都合穿。有一天如果發(fā)現(xiàn)其實除了自由碼以外還有別的尺碼可供選擇，那為什么要拒絕呢？中小功率開關(guān)電源相當(dāng)于某一地域的人，他們的身材相近，但可能也彼此不同。
當(dāng)生活水平提高，一件衣服已經(jīng)無法滿足需求時，服裝設(shè)計人員可能就需要在基本結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上增加款式、尺碼以適應(yīng)市場需要。參數(shù)配置正是提供了這種可能性和創(chuàng)造性。
(來源：英飛凌，作者：柏鵬程，英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部首席應(yīng)用工程師）
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