【導讀】數字控製方案因具有靈活
、高集成度
、智能控製等特點，目前已經廣泛地應用於低壓大電流DC/DC、大功率通信服務器AC/DC開關電源。然而目前仍以模擬控製器占主導的低成本中小功率AC/DC應用中，數字電源控製是否也能發揮其在大功率應用中的同等優勢呢？

數字控製方案因具有靈活
、高集成度、智能控製等特點
，目前已經廣泛地應用於低壓大電流DC/DC、大功率通信服務器AC/DC開關電源。然而目前仍以模擬控製器占主導的低成本中小功率AC/DC應用中，數字電源控製是否也能發揮其在大功率應用中的同等優勢呢？

本文對英飛淩的數字電源平台以及如何利用數字控製的特點在高效率、高功率密度、低元器件成本、低製造成本
、易用性方麵進行簡單的介紹。

英飛淩數字電源平台

中小功率(100W-300W)開關電源通常應用於消費類和某些工業類產品。由於終端用電設備和應用場景的不同，造成了對各自電源要求的差異。

大多數在這個領域中的產品對緊湊型、設計周期
、設計/生產製造/yijishouhouweihuchengbenyouzhejiaoweiyangedeyaoqiu。shejirenyuantongchanghuimianlinzaiyouxiandekaifashijianhechengbenxia，caiyongduokuanzhuanyongmonikongzhiqizengjiayixiexianluqushiyinggezhongyaoqiudewenti。

數字控製器通常可以靈活地采用相應的算法解決平台化問題。那麼選擇通用的MCU/DSP在這個市場是否合適？

簡單想像：如果采用通用MCU/DSP作為控製器，方案中需要額外增加用以驅動功率器件的驅動器；電源板上需要幾個不同的電壓
，所謂電源軌：有的用於MCU/DSP內核供電，有的用於外圍I/O，還有的用於驅動MOSFET。因此需要額外的電源轉換線路。

tongshikekaoxingfangmianxuyaokaolvzairuanjianpaofeidengyichangzhuangkuangxiadeyingjianbaohuxianlu。zaixuyaoqingzaihuokongzaixiaolvdechanghe，kenenghaixuyaodandudefuzhudianyuanhuoxiangguanxianluqukongzhisunhao
；此外還需要考慮設計尺寸、成本、算法可行性等。最終可能會因開發時間、成本
、複雜性、可靠性等約束而放棄。

英飛淩在中小功率AC/DC中提出的數字平台概念是怎樣的呢？它在效率
、小型化
、成本、靈活性方麵是怎樣考慮的呢？

硬件方麵
，平台應具備硬件高集成的同時也應考慮拓撲延展的可能。英飛淩將高壓側驅動器(無鐵芯變壓器)、高壓啟動單元、以及自主研製的nanoDSP全部集成在一個DSO-16的窄體封裝內，為電源產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


；高壓側驅動可以讓平台構建出橋式拓撲
，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閉達到降低損耗的效果），低壓側驅動線路
，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
，比如驅動電平及驅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動電阻
，當然也可作為改善EMI的一種調節手段。還有一些單元，比如AC檢測單元
，一經配置它就可以獨立工作
，直到被程序所讀取。這樣就充分地結合了模擬和數字各自的優勢，降低了程序管理的複雜性。

在小型化方麵，盡可能去除模擬方案中用於配置的外圍元件。一個係統中根據複雜程度
，通常可省去20-30個阻容。在實際PCBbujuzhongshengqujishigezuronghuirangshejigongzuobiandeqingsong，ranggonglvmidutigaochengweikeneng。shengqudewangwangbuzhishiyuanjianchengben
，yebaokuoleguzhangdianxiaochudehouqiweihuchengben。

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動的芯片,它充分結合了數字和模擬各自的優勢協同工作。控製方法構成相應的程序被存儲於OTP或成本更低的ROM之中。

不同的設計要求可以以參數形式傳遞給程序
，這些參數通常會保存於指定的OTP空間
，提供給設計人員進行參數的配置。

有了良好的硬件平台，還需要相應的控製算法才能最終讓平台性能得以充分發揮。算法和程序編寫需要大量的經驗，因此單純提供MCU/DSP硬件平台而程序由用戶自行編寫的方式短期內並不現實；而如果采用ASIC、CSP單一特定功能或者客戶定製方式可能也不太經濟。

因此對於這個市場，英飛淩率先提出了ASSP(Application Specific Standard Product)概念：jichengxumanzuzhegeshichangdabufendeyingyongyaoqiu，youyingfeilingjinxingchengxusheji
，tongshiliuchuyidingdepeizhixuanxiangzuoweishejiziyouduyiyingduishaoshutedingyingyongdeyaoqiu。

顯然，不同的結構和控製算法會衍生出不同的產品。對於中小功率市場，考慮到功率因數及諧波要求
，需要加入PFC環節。由於功率範圍不大，同時綜合成本
，臨界模式PFC是一種不錯的選擇。LLC因為其全負載範圍內具備的軟開關特性，寬增益範圍以及窄頻工作特點已被行業廣泛采用
，我們主功率環節采用LLC。這個產品就是針對中小功率開關電源控製器：IDP2308

IDP2308介紹

IDP2308是一個以全數字方式實現的集成PFC和LLC控製功能及啟動單元和驅動的控製器。它可以實現完整的保護功能。

封裝和引腳布局：

為了用戶PCB布線方便
，PFC相關管腳與LLC管腳分別放置於芯片兩側。左側除Vcc、GND外，GD0
、CS0、ZCD和VS均為PFC所需引腳。

可以注意到，PFC部分並沒有一般模擬控製器中的補償相關引腳。這是因為IDP2308將一個2型補償以數字的方式集成到了程序當中，P
、I、T1以參數配置的形式提供給客戶進行修改；除了省去外部補償線路
，這種形式另一個優點是：可以在係統的不同階段對PIT1參數進行調整。

比如：係統因為成本或空間限製選擇較小的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
，而穩態時又將環路帶寬降低，從而滿足包括整體係統的啟動時間的要求；左側還有一個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
；右側包括LLC下管驅動GD1,電流采樣CS1和高壓側的驅動信號。

LLC的反饋引腳為HBFB
；MFIO或者稱為UART引腳

，可完成參數的配置燒寫
、調試以及在故障狀態下對外發出故障碼，即所謂“黑匣子”功能。

這zhe個ge功gong能neng有you時shi非fei常chang有you用yong
，比bi如ru很hen多duo電dian源yuan已yi嵌qian入ru整zheng機ji運yun行xing的de場chang合he，如ru果guo發fa生sheng了le故gu障zhang，而er示shi波bo器qi探tan頭tou無wu法fa進jin入ru
，這zhe時shi我wo們men可ke以yi簡jian單dan地di利li用yong這zhe個ge引yin腳jiao發fa出chu的de信xin號hao進jin行xing判pan斷duan。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
，它可以被複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。英飛淩這個小尺寸封裝是業界集成PFC和LLC功能控製器的第一個廠家。

效率方麵考慮：

係統效率是一個綜合問題。包括係統工作點的選取
，腔體的合理設計

，被動元件的選擇等眾多因素。其中也包括了合適的控製算法。PFC方麵，由於是基於臨界模式，通常采用穀底開通的方式去緩解MOSFET的開通損耗
，但輕載後由於開關頻率升高而開關損耗將上升的問題未能很好的解決。

針對這個問題，IDP2308中采用了多穀底開通的方式，通過增加穀底數使頻率降低從而改善了輕載的效率。

gudishudeduoshao，gudiqiehuandefazedengbiyaotiaojiandouyicanshudexingshitigonggeiyonghugenjushijiqingkuangjinxingpeizhi。zheli
，xianrandanchunzengjiagudidexiangfabingbunanxiangdao，zaiputongdezhunxiezhenfanjidianyuanzhongshichangjianshouduan。

問題在於：PFC中如果采用多穀底，那麼電流平均值和輸入電壓的跟隨關係就會丟失。因此，算法中需要對此進行必要的運算，以補償THD諧波。這其實也是數字處理器的優勢。

LLC效率方麵主要集中在輕載時Burst控製方式。穩態情況下，通常LLC效率高度依賴於腔體設計和工作點的選擇，關於這方麵的話題，我們將在以後的文章中進行探討。

內部集成了高壓啟動單元和可控的用於不同功能塊的電源軌
，為係統在待機模式時的低損耗創造了硬件條件。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後，nanoDSP如果仍以工作時的頻率在運行，那麼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對係統進行喚醒。

這些喚醒行為本身需要通過硬件實現，這也是為什麼單純采用通用MCU/DSP較難實現的部分原因。進入Burst後
，我們采用固定開通時間內配合給定的預設頻率的方式實現。預設頻率部分包括了軟啟動、軟結束和核心頻率幾個組成部分。

如果僅考慮效率，那麼顯然是開通時間很短，放電時間很長
，係統在充分短的時間內可使輸出達到紋波上限，然後進入休眠。

而實際中，由於LLC腔體增益在輕載或空載時由於寄生活雜散參數的影響產生的不確定性
，比如增益上翹
，增益振蕩等，我們把內部的核心頻率、啟動、結束頻率以及開通時間等全部作為參數提供給用戶在實際調試中進行調整。

退出Burst用什麼方式呢
？除了采用FB進行判斷外
，IDP2308還采用了Burst off短於某個設定時間進行判斷。

因為負載越重
，Burst off就越短。這種方式有什麼意義呢
？如果用FB進行判斷，那麼對於輕載或空載


，FB電壓高度依賴於補償環，一旦出現TL431飽和或光耦飽和
，那麼FB和輸出將失去函數關係。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時的功率對應的Burst off時間，然後將其設為配置值即可。Burst是係統行為，PFC在Burst中也會跟隨運行，這時係統可以根據實際的損耗情況去調整母線電壓的高低。

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實際情況進行選擇。

可靠性方麵的考慮：

IDP2308在軟件算法上采用了分任務時間片方式，從程序結構上相較於中斷搶占方式較容易管理：

IDP2308具備完整的係統保護功能。比如，PFC限流、PFC母線過壓、欠壓，最小頻率限製
，最大開通時間限製…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，由於ZCD信號的丟失而造成係統進入CCM方式。

針對這種情況，我們引入了CCMP

；再比如，如果VS腳，FB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。為了消除用戶對於純軟件保護的顧慮，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實際要求進行調整的。

比如：有的設計要求出現母線過壓時
，係統馬上停止工作進入重啟
；而有些可能要求LLC後級應繼續工作，從而能夠讓過壓事件盡快消除…有些設計發生LLC過流時，可能希望係統馬上進入重啟
，不要繼續工作
，或者推高頻率，哪怕輸出電壓已經出現嚴重跌落後級用電器進入欠壓；而有的設計是希望繼續堅持工作，不可能讓後級“感受”到前級的影響…

實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)不(bu)同(tong)的(de)要(yao)求(qiu)
，造(zao)成(cheng)了(le)這(zhe)些(xie)選(xuan)項(xiang)不(bu)可(ke)能(neng)做(zuo)到(dao)唯(wei)一(yi)固(gu)定(ding)的(de)配(pei)置(zhi)參(can)數(shu)。如(ru)同(tong)一(yi)個(ge)手(shou)機(ji)屏(ping)幕(mu)有(you)人(ren)喜(xi)歡(huan)暖(nuan)色(se)，有(you)人(ren)偏(pian)愛(ai)冷(leng)色(se)，最(zui)終(zhong)可(ke)能(neng)廠(chang)家(jia)隻(zhi)能(neng)把(ba)配(pei)色(se)作(zuo)為(wei)一(yi)個(ge)選(xuan)項(xiang)提(ti)供(gong)給(gei)用(yong)戶(hu)自(zi)己(ji)選(xuan)擇(ze)，IDP2308也是類似。同時，也可以想象如果一個模擬控製器去應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。

軟件實現的一個優點是可以根據不同的狀態去設定保護門限。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(zhong)可(ke)以(yi)分(fen)別(bie)設(she)置(zhi)不(bu)同(tong)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)中(zhong)的(de)過(guo)流(liu)門(men)限(xian)。更(geng)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)，在(zai)進(jin)入(ru)重(zhong)啟(qi)保(bao)護(hu)模(mo)式(shi)時(shi)，係(xi)統(tong)會(hui)發(fa)出(chu)故(gu)障(zhang)代(dai)碼(ma)，用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)對(dui)故(gu)障(zhang)進(jin)行(xing)定(ding)位(wei)。重(zhong)啟(qi)的(de)時(shi)間(jian)也(ye)是(shi)選(xuan)項(xiang)
，模(mo)擬(ni)控(kong)製(zhi)器(qi)往(wang)往(wang)僅(jin)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)固(gu)定(ding)時(shi)間(jian)
，在(zai)長(chang)期(qi)短(duan)路(lu)測(ce)試(shi)時(shi)往(wang)往(wang)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)會(hui)存(cun)在(zai)發(fa)熱(re)
，可(ke)調(tiao)節(jie)的(de)重(zhong)啟(qi)時(shi)間(jian)可(ke)以(yi)簡(jian)單(dan)解(jie)決(jue)類(lei)似(si)問(wen)題(ti)。

靈活性方麵的考慮：

開關電源總是存在各種各樣的狀態。比如啟動
，穩態，動態… rangrentoutengdeshiqingwangwangshichuliwanzhegewenti，lingyigewentiyouhuichuxian。youxiekenenggengweijishou，jiyaokekaoyouyaodichengbenbuyunxuzengjiaewaixianlu。zuoweikongzhisuanfa
，womenjinkenengditigongyixieziyoudugeiyonghuyiyingduiyishangdeyixiewenti。zhelibufangjujigexiaolizi：

關於啟動，一方麵需要關心輸出電壓的形態（過衝？負斜率
？）還需要關心啟動時間以及係統中的電壓電流應力。

我們知道LLC啟(qi)動(dong)時(shi)勵(li)磁(ci)電(dian)感(gan)和(he)諧(xie)振(zhen)電(dian)容(rong)電(dian)壓(ya)都(dou)為(wei)零(ling)，為(wei)了(le)避(bi)免(mian)高(gao)電(dian)流(liu)應(ying)力(li)和(he)容(rong)性(xing)狀(zhuang)態(tai)所(suo)以(yi)普(pu)遍(bian)需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)高(gao)頻(pin)啟(qi)動(dong)，這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)通(tong)常(chang)是(shi)開(kai)環(huan)完(wan)成(cheng)的(de)。這(zhe)裏(li)用(yong)到(dao)了(le)一(yi)個(ge)頻(pin)率(lv)曲(qu)線(xian)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？

這裏其實是個複雜的過程: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ru果guo恒heng流liu負fu載zai，那na麼me其qi實shi爬pa升sheng的de軌gui跡ji就jiu是shi不bu斷duan的de跨kua越yue不bu同tong負fu載zai的de增zeng益yi線xian，因yin為wei等deng效xiao負fu載zai是shi在zai不bu斷duan地di降jiang低di。因yin此ci，這zhe個ge向xiang下xia掃sao頻pin的de軌gui跡ji就jiu可ke能neng不bu是shi一yi根gen直zhi線xian。

在此
，IDP2308提供了頻率起點、變化斜率、bianhuabuchangdengkepeizhilianggeiyonghujinxingtiaozheng，zuizhongrangshuchuquxiandadaomubiao。xianran，youshixuyaoqidongxundusuwomenjiukeyibapinlvxiajiangxielvjiakuai，youshixuyaoyizhikaijidianliumaichong，womenkeyiduizuigaopinlvjinxingtiaozheng。zhexiecanshupeizhitigonglezaiwaibuqiangtijibuchanghuanbubiandeqiantixia，tongguofeixianxingTCO來降低設計難度。

除了TCO外，IDP2308還有一根用於頻率控製的VCO曲線，即通過反饋電壓去調節頻率。模擬控製器通常采用線性的方式
，因此由反饋到頻率的增益固定，這裏的主要影響在小信號方麵。

而IDP2308選擇了非線性，通過四點參數的選定重構出VCO規律。同樣的輸出誤差根據不同的穩態工作點可以對應不同幅度的頻率變化
，相當於調整了功率平麵的增益。

顯然它可以直接幹預係統的帶寬，在補償環設計中增加了一個可控的增益環節。當VCO兩側的頻率變陡，通常可以實現負載切換時的頻率快速跳躍
，相當於動態時係統帶寬增加。

還有些高速動態負載的場景，如頻率突然下降極快，這時PFC母線可能有相當程度的墜落，有可能超出了當初設計時的條件
，這時可能會出現不希望出現的過流保護。

IDP2308可ke以yi采cai用yong一yi個ge偵zhen測ce反fan饋kui變bian化hua斜xie率lv的de數shu字zi濾lv波bo器qi去qu應ying對dui，相xiang當dang於yu給gei係xi統tong在zai這zhe種zhong工gong況kuang下xia增zeng加jia一yi個ge極ji點dian實shi現xian濾lv波bo。也ye可ke以yi理li解jie為wei當dang速su度du過guo快kuai時shi，可ke以yi適shi當dang“刹車”。類似地，數字濾波的方式在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。有時這些噪聲由於探頭阻抗匹配問題不一定容易準確測量定位。

這時，可以用簡單的數字濾波就可以抑製這種幹擾。緊湊型設計中，反複修改外圍小封裝阻容而造成虛焊漏焊等情況並不少見，在IDP2308的調試中可能僅改動一個參數就可以解決問題而無需對外圍硬件進行改動。

關於參數和燒寫

IDP2308大概提供了超過100個參數選項，覆蓋PFC、LLC和係統方麵。出廠時芯片內已有默認參數，當有需要更改時，可以通過UART進行修改。調試過程並不消耗OTP參數空間。批量生產時，可以在板燒寫也可以卷帶自動化燒寫。

由於參數OTP空間較大，某些機型已燒寫過的芯片
，也可能輕鬆的再次為其他機型燒寫，從而避免形成庫存。

很hen多duo客ke戶hu對dui於yu自zi行xing燒shao寫xie芯xin片pian不bu太tai適shi應ying，因yin為wei傳chuan統tong的de模mo擬ni芯xin片pian不bu需xu要yao燒shao寫xie。因yin而er采cai用yong了le一yi套tao完wan全quan固gu定ding的de參can數shu去qu應ying對dui所suo有you的de要yao求qiu，當dang性xing能neng不bu滿man足zu時shi不bu合he適shi時shi可ke能neng就jiu放fang棄qi了le這zhe個ge平ping台tai。一yi個ge相xiang對dui新xin的de設she計ji方fang式shi需xu要yao一yi個ge接jie受shou過guo程cheng。

ziyoumadeyifubuyidingnengzhenzhengziyou，jishitongyigerenzaibutongjieduankenengyebuyidingdouhechuan。youyitianruguofaxianqishichuleziyoumayiwaihaiyoubiedechimakegongxuanze，naweishenmeyaojujuene
？zhongxiaogonglvkaiguandianyuanxiangdangyumouyidiyuderen，tamendeshencaixiangjin，dankenengyebicibutong。

當生活水平提高，一件衣服已經無法滿足需求時
，服裝設計人員可能就需要在基本結構不變的基礎上增加款式、尺碼以適應市場需要。參數配置正是提供了這種可能性和創造性。

(來源：英飛淩
，作者：柏鵬程，英飛淩電源與傳感係統事業部首席應用工程師）

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