数字电源开启高效率高性能新天地

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在电源管理产业中,数字电源与模拟电源的博弈一直是系统架构师和电源设计者讨论的热门话题。前者是后起之秀,后者数十年来一直是主流,从用户角度来 看,孰优孰劣还很难确定。从市场来看,数字电源则是时势所趋。IHS公司旗下的IMS Research 报告曾预计,2017年全球数字电源市场营业收入将增至124亿美元,数字电源IC市场也会急剧增长到26亿美元。那么,究竟数字电源有哪些好处,IC供 应商又该如何布局?

关于数字电源的定义有很多种,目前公认的数字电源定义是:提供监控与配置功能,使用数字算法扩展至全环路控制的数字 控制电源产品。数字电源与模拟电源的区别主要集中在控制与通信部分。在简单易用、参数变更要求不多的应用场合,模拟电源产品更具优势,因为其应用的针对性 可以通过硬件固化来实现,而在可控因素较多、实时反应速度更快、需要多个模拟系统电源管理的、复杂的高性能系统应用中,数字电源则具有优势。总的来说,数 字电源更具灵活性,减少分立元件的数量、降低整体占位面积、提高功率密度和监控能力,从而降低总体材料生产成本,帮助加快许多产品的上市速度。

对于数字电源概念的推广,美国德州仪器公司(TI)可谓不遗余力。早在2005年,TI就率先推出了数字电源产品,并提出了“融合数字电源” (Fusion Digital Power)的解决方案。时至今日,TI可以提供业界最广泛的数字电源IC产品组合,实现能应用于任何系统的完整数字电源解决方案,并且于近日推出了业内 首款具有智能数字控制和独一无二的体二极管感测功能的数字电源管理芯片组。

据德州仪器工业类隔离电源(AC/DC,DC/DC,新能 源)市场经理吴万邦介绍,此次推出的数字电源管理芯片组包含UCD3138A数字控制器和 UCD7138低侧栅极驱动器,可以优化下一代AC/DC 电源中的次级侧同步整流,将同步整流MOSFET电压应力锐减一半,广泛适用于通讯电源、服务器电源、游戏机电源、PC电源以及及各种工业类电源。

提升效率 实现80 PLUS钛金牌认证

在隔离电源里,无论是服务器还是通讯类的应用,对电源的要求越来越高,高在越来越高的效率、集成度和整体性能。“现在市场上每个供电电源都希望尽可能的 节省成本,如果供电电源很消耗电源的话,其背后数据中心的消耗和费用就会更大。而在降低功耗方面,80 PLUS电源比普通电源有着更高的转换效率,而TI此次推出的电源芯片组则有助于实现业界最高标准的80 PLUS钛金牌认证。”吴万邦强调说。

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上图测试结果比较直观地表明了UCD3138A与UCD7138组成的电源芯片组比UCD3138A控制器单独使用在电路中会提升将近2%的效率。

80 PLUS是由美国能源署出台的一项节能计划,它要求电源在20%、50%以及100%的关键负载状态下,功率至少能达80%以上的效率,从而降低无用的功 率消耗。后来就形成了80 PLUS规范,随后就出现了80 Plus电源。按照等级的高低,80 PLUS等级标准认证分别为80 PLUS、80 PLUS铜牌、80 PLUS银牌、80 PLUS金牌、80 PLUS白金牌和80 PLUS钛金牌。作为最高等级,80 PLUS钛金牌要求电源在20%、50%以及100%的关键负载状态下,功率至少能达94%、96%和91%,即使在10%的时候,效率也要达到90%。

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  80 PLUS钛金牌认证

高性能高可靠 智能优化死区时间

除了越来越高的效率,越来越高的性能和可靠性同样是对数字电源提出的要求。开关电源的调节和控制过程包括生成一个脉宽调制(PWM)信号来驱动一个或多 个功率晶体管。在所有开关稳压器中,PWM信号在某种意义上算是数字信号。因此,在生成PWM信号时使用数字控制器是自然而然的想法。那么 UCD3138A作为被TI寄予厚望的数字PWM控制器,性能和可靠性又如何?

吴万邦表示,UCD3138A为高集成度且可定制的数字 电源管理控制器,其3 mm x 3 mm的小型封装中整合了强大的32位ARM7处理器、多个可编程硬件控制环路、高速高精度数据转换器以及两个通用异步收发器(UART)+ PMBus接口,可为服务器、电信整流器以及大功率的DC-DC模块中包括LLC在内的所有电源拓扑提供电源密度和高可靠性。

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  UCD3138A内部架构

在PWM控制技术中,死区时间是必须考虑的。死区控制在很多的脉冲信号控制芯片中都得到应用,而UCD3138A和UCD7138芯片组在快速数字控制 算法中采用体二极管电压信息来动态地优化死区时间,并可以补偿功率级组件变化,消除传统 MOSFET VDS ON 感测器件的信噪比难题,从而无需在批量生产中进行校准或筛选,提高了效率和可靠性。

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系统框图

数字电源市场是目前电源管理产业中增长最快的领域之一,而服务器和电信/数据通讯设备一直是其最大的单一市场,未来还有哪些领域值得期待?吴万邦表示, 除了服务器和通讯领域,PC、游戏机以及工业领域同样应用的比较多。而在汽车行业有越来越多的48V电源的应用,所以汽车行业也开始用UCD的解决方案。 另外,在消费电子以及医疗领域,数字电源市场同样会有快速的增长。