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数字电源提供多种配置方式和应用灵活性

姚琳?? EDN China?? 2009年08月31日 ?? 收藏0

  ZL2008是最新一代数字DC-DC电源控制器,使用了Intersil Zilker Labs的引脚设置技术配置功率转换和电源管理参数。
传统的模拟电源无论在拓扑结构、器件、效率、功能上都日臻完善,应用也极为广泛,并且有大量的工程技术人才熟悉和正在设计使用模拟电源。但模拟电源最大的缺点是缺乏灵活性,在应用的需求变化时,需要花很多时间进行重新设计、验证和测试。

图1ZL2008的功能框图
图1,ZL2008的功能框图。

  数字电源可通过数字方式对电源系统的各项参数进行设定,实现一次设计、反复使用,并且易于扩展。Intersil Zilker Labs公司推出的ZL2008是最新一代数字DC-DC电源控制器,使用了Intersil Zilker Labs的引脚设置技术配置功率转换和电源管理参数,同时通过PMBus接口进行遥测和监控,补偿、电流分配和输出电压等工作参数可以通过引脚进行配置。ZL2008可用搭积木的方式搭建直流电源,使用3.3V单相电源到12V输入的多相电源。

  设计特点: 自适应控制算法

  目前的嵌入式电源系统通常是针对最大负载的情况进行的效率优化,通过限制系统内部的总体散热量,达到减少峰值热应力的目的。然而不幸的是,大多数系统通常工作在远低于峰值的状况下,电源系统却是针对峰值负载的情况进行优化的,因此通常达不到最佳的转换效率。虽然这不会产生热应力,但是会消耗更多的电能,进而导致更高的总体系统运行成本。

  Intersil Zilker Labs数字电源技术部高级经理Chris Young介绍,ZL2008 DC-DC采用自适应的控制算法,使功率转换器自动改变运行状态,始终工作在最佳的效率点上,提高效率和整体性能,而只需用很少或不用用户的干预。

图2ZL2008的典型应用电路
图2,ZL2008的典型应用电路

  ZL2008的PWM环路使用一个模拟和数字混合模块,能够对功率转换的整个进程实现精确的控制,而且不需要任何软件。ZL2008集成了各种电源管理功能,可以用简单的引脚连接进行配置。用户配置可以保存在内部的非挥发性存储器里(NVM)。另外,全部功能可以通过SMBus硬件接口,使用标准的PMBus命令进行配置和监控。ZL2008的功能参见图1。

  功能组合提高功率转换效率

  ZL2008是电压模式的同步降压转换器,具有可选的恒频PWM控制,搭配外部MOSFET、电容器和电感器组成完整的功率转换器。

  在最简单的配置下,ZL2008需要两个N沟道功率MOSFET,一个用做上控制MOSFET,一个用做下同步MOSFET(QL)。QH的导通时间与总开关周期成正比,称为占空比D,用下式表示。

文章图片1


  在时间D内,QH导通,VIN-VOUT施加到电感器上。当QH关断,电感里的电流必须持续从地向上流经QL,在此期间,电流以一定斜率下降。由于输出电容器COUT在此开关频率下的阻抗低,电感电流的AC成分被从输出电压中滤除,因此负载看到的几乎是直流电压。

  一般来说,降压转换器会标定一个最大占空比,限制在给定输入电压下的最大输出电压。这个占空比限值保证了低侧MOSFET在每个开关周期中最短的开启时间。这样可以对启动电容器进行充电,为高侧MOSFET提供足够的栅极驱动电压。
在这个电路里,目标输出电压是通过把差分的VSEN引脚直接连到输出稳压点上来实现调节的。然后把VSEN信号和参考电压做比较,用户把参考电压设定为所需要的输出电压级别。比较后产生的误差信号转换成数字值,用低分辨率的模数转换器转换。数字信号再送到可调的数字补偿滤波器,补偿过的信号用来产生适当的PWM占空比,驱动外部MOSFET,产生所需的输出。

  ZL2008有几个功能,可以提高功率转换效率。非线性响应(NLR)环路提高了响应时间,降低了输出偏差。ZL2008监视功率转换器的操作条件,持续调整高边和低边MOSFET的导通和关断时间,优化电源的整体效率。自适应的性能优化算法,例如死区时间控制、二极管仿真,频率控制可提供更好的效率改善。

  典型应用电路如图2所示。在这个原理图可以看出,在功率传递链上,只需要几个元件就能实现一个全功能、完全可配置的电源,带有数字功率转换、电源管理、故障管理和遥测。

  总结

  ZL2008包括先进的节能算法,能够持续地调整电源,将损耗降至最低值。嵌入式控制器使用这些算法,实时调节各种工作参数(死区时间,开关频率,低侧FET导通时间,等等),以优化效率。这样,ZL2008可以适应生产变化、温度变化、负载变化、输入电压变化、温度变化和元件老化带来的影响,提供最高的性能。该器件还集成了功率转换控制、电源管理、故障管理和遥测等功能,可节省数十个元器件,大大降低了材料成本。随之而来的另一个好处是加快了开发进度,减少了生产制造的时间。


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模拟电源? 数字电源控制器? ZL2008? Intersil?

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