中心議題：

• 運用多相數字電源解決方案應對係統問題

解決方案：

• 利用數控多相交錯式DC/DC降壓係統
• 使用傳統模擬控製器來實施

所麵臨的挑戰

當前的處理器
、圖像及存儲係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de響xiang應ying及ji調tiao節jie性xing能neng，同tong時shi以yi一yi個ge更geng加jia適shi度du的de頻pin率lv上shang單dan獨du地di進jin行xing開kai關guan。對dui單dan通tong道dao降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi而er言yan，它ta們men還hai可ke以yi提ti供gong比bi實shi際ji更geng高gao的de輸shu出chu電dian流liu。多duo相xiang電dian源yuan的de優you勢shi來lai自zi於yu相xiang位wei交jiao錯cuo。通tong過guo以yi統tong一yi的de時shi間jian間jian隔ge進jin行xing相xiang位wei交jiao錯cuo(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(qi)本(ben)身(shen)單(dan)個(ge)相(xiang)位(wei)固(gu)有(you)的(de)輸(shu)出(chu)紋(wen)波(bo)被(bei)其(qi)他(ta)相(xiang)位(wei)降(jiang)至(zhi)平(ping)均(jun)水(shui)平(ping)，從(cong)而(er)總(zong)體(ti)輸(shu)出(chu)紋(wen)波(bo)就(jiu)被(bei)降(jiang)低(di)了(le)。這(zhe)樣(yang)使(shi)用(yong)更(geng)低(di)的(de)脈(mai)寬(kuan)調(tiao)製(zhi)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)，就(jiu)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)給(gei)定(ding)輸(shu)出(chu)紋(wen)波(bo)設(she)計(ji)的(de)目(mu)標(biao)，與(yu)此(ci)同(tong)時(shi)通(tong)過(guo)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)提(ti)高(gao)了(le)效(xiao)率(lv)。

管理多相電源係統存在一些其自身特有的問題，包括輕負載效率和係統冗餘的切相(phaseshedding)，以(yi)及(ji)係(xi)統(tong)壽(shou)命(ming)的(de)相(xiang)位(wei)電(dian)流(liu)平(ping)衡(heng)。在(zai)傳(chuan)統(tong)模(mo)擬(ni)電(dian)源(yuan)中(zhong)實(shi)施(shi)這(zhe)些(xie)功(gong)能(neng)會(hui)比(bi)較(jiao)困(kun)難(nan)，然(ran)而(er)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)器(qi)則(ze)可(ke)以(yi)很(hen)輕(qing)鬆(song)地(di)完(wan)成(cheng)這(zhe)些(xie)任(ren)務(wu)。在(zai)該(gai)案(an)例(li)研(yan)究(jiu)中(zhong)，引(yin)入(ru)了(le)一(yi)款(kuan)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，其(qi)具(ju)有(you)多(duo)相(xiang)同(tong)步(bu)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)優(you)點(dian)
，同(tong)時(shi)可(ke)以(yi)運(yun)用(yong)數(shu)字(zi)方(fang)法(fa)關(guan)閉(bi)電(dian)壓(ya)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)，並(bing)且(qie)對(dui)不(bu)同(tong)負(fu)載(zai)和(he)散(san)熱(re)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)相(xiang)位(wei)進(jin)行(xing)管(guan)理(li)，以(yi)獲(huo)得(de)最(zui)佳(jia)電(dian)源(yuan)性(xing)能(neng)。

解決方案

這種係統由多達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製，如圖1所示。

TI推出的32位TMS320F2806數字信號控製器(DSC)運行在100MHz頻率下，並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製，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。隨後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)獲得係統輸出電壓反饋。MOSFET溫度在整個ADC中均為可用，以實現監控的目的，並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TITrueDrive™輸出架構的雙通道4-AMOSFET驅動器
、周期性電流限製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

qiexiangtigongleyizhongtigaodianyuanxiaolvhekekaoxingdefangfa。zaiqingfuzaitiaojianxia，dongtaidijianshaoyunxingxiangweideshuliangtongchanghuidailaixiaolvdetigao。dangfuzaixuqiuzengjiashi，yigeqiexiangkeyibeizhongxinjihuo。leisidi，tongguozhongxinpinghenggeshengyuxiangweizhijiandejiaocuo
，qiechuyigeshixiaodexiangweihuozheyigeyunxingzaibianjiezhuangtaiyiwaidexiangwei
，youzhuyuweichixitongdexingneng。zainaxiexuyaojigaokekaoxingdeyingyongzhong，yigebeiyongxiangweikeyibeidaishangxianyiqudaishixiaodexiangwei，yejiushiN+1冗餘設計。不考慮切除一個相位的原因，剩餘相位(或者在N+1冗餘設計中增加相位)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控製器的PWM元件均支持軟件同步及相位控製。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PWMshuchudejishuzhifashengpianyi。zhejiuyunxusuoyoujiaocuoshijiangyaxiangweidexiangweijiaobujinjinkeyizaixitongchushihuaqijianbeijingtaidipeizhi
，erqiehaikeyizaixitongyunxingqijianbeidongtaidizhongxintiaozheng。
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圖2a顯示了一款120°交錯式(條件：10V輸入、2V輸出、3A負載及300kHzPWM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4.9mV(輸出電壓的0.25%)。在沒有調整兩個剩餘相位(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9.1mV。為了獲得180°交錯(見圖2c)，對兩個剩餘相位進行軟件調整以後，該紋波減少至7.9mV。在仍然比初始值大的同時(因為一個兩相位係統無法獲得如一個三相係統一樣的低紋波)，其比未被調整的剩餘相位角提高了13%。 [page]
相位電流平衡

為wei了le最zui佳jia化hua電dian源yuan組zu件jian可ke靠kao性xing和he使shi用yong壽shou命ming，使shi多duo相xiang係xi統tong中zhong的de每mei一yi個ge相xiang位wei都dou等deng量liang地di分fen擔dan電dian源yuan負fu荷he是shi值zhi得de的de。由you於yu電dian源yuan開kai關guan和he電dian感gan的de組zu件jian間jian的de不bu同tong
，以yi及ji電dian路lu板ban布bu局ju和he散san熱re的de非fei對dui稱cheng性xing
，因yin此ci流liu經jing相xiang位wei的de電dian流liu是shi不bu一yi樣yang的de。基ji本ben平ping衡heng方fang法fa包bao括kuo測ce量liang相xiang位wei電dian流liu，以yi及ji對dui每mei一yi個ge相xiang位wei要yao求qiu的dePWM占(zhan)空(kong)比(bi)進(jin)行(xing)單(dan)獨(du)地(di)調(tiao)節(jie)，以(yi)對(dui)電(dian)流(liu)進(jin)行(xing)平(ping)衡(heng)。電(dian)流(liu)非(fei)均(jun)衡(heng)動(dong)態(tai)十(shi)分(fen)緩(huan)慢(man)，因(yin)而(er)平(ping)衡(heng)環(huan)路(lu)的(de)采(cai)樣(yang)率(lv)可(ke)以(yi)較(jiao)低(di)，差(cha)不(bu)多(duo)可(ke)以(yi)是(shi)幾(ji)十(shi)分(fen)之(zhi)幾(ji)秒(miao)
，甚(shen)至(zhi)是(shi)幾(ji)秒(miao)。因(yin)此(ci)，微(wei)處(chu)理(li)器(qi)上(shang)額(e)外(wai)的(de)計(ji)算(suan)負(fu)擔(dan)可(ke)以(yi)被(bei)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)。為(wei)了(le)減(jian)少(shao)傳(chuan)感(gan)器(qi)噪(zao)聲(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)
，對(dui)平(ping)衡(heng)環(huan)路(lu)速(su)率(lv)電(dian)流(liu)讀(du)取(qu)進(jin)行(xing)過(guo)采(cai)樣(yang)，並(bing)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)變(bian)化(hua)平(ping)均(jun)每(mei)一(yi)個(ge)相(xiang)位(wei)的(de)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)。簡(jian)單(dan)低(di)增(zeng)益(yi)完(wan)整(zheng)行(xing)為(wei)“僅”控kong製zhi算suan法fa通tong常chang被bei用yong於yu關guan閉bi平ping衡heng環huan路lu。在zai使shi用yong平ping均jun相xiang位wei電dian流liu作zuo為wei參can考kao的de每mei一yi個ge環huan路lu反fan複fu過guo程cheng中zhong，可ke以yi在zai每mei一yi個ge相xiang位wei上shang執zhi行xing平ping衡heng。另ling一yi種zhong方fang法fa是shi
，有you時shi隻zhi有you將jiang在zai那na個ge時shi刻ke測ce量liang出chu的de最zui高gao和he最zui低di電dian流liu相xiang位wei彼bi此ci平ping衡heng，才cai能neng達da到dao相xiang位wei電dian流liu平ping衡heng。無wu論lun使shi用yong哪na一yi種zhong方fang法fa，所suo有you相xiang位wei電dian流liu最zui終zhong都dou將jiang彙hui聚ju到dao相xiang同tong值zhi上shang。

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100MHzPWM時鍾的300kHzPWM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30mV
，或者等同於2V輸出的1.5%。一般而言
，相比達到相位平衡和避免平衡控製環路極限循環期(limitcycling)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控製器為這一問題提供了一種解決方案，並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~150ps的邊緣定位。這就相當於為上述降壓實例提供0.45mV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/DCjiangyaxitong，qikeshixiandianyamoshitiaojiekongzhi，bingjuyouqiexiangjizengxiangheduoxiangdianliupinghengdetedian。shiyongchuantongmonikongzhiqilaishishizhexietexingjianghuishifenjuyoutiaozhanxing
，ershiyongyikuanjiyuweichuliqideshuzikongzhiqibiankeyiqingsongdiwanchengzhexierenwu。F2806數字信號控製器與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製解決方案，並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。