【導讀】數字控制方案因具有靈活、高集成度、智能控制等特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛地應用于低壓大電流DC/DC、大功率通信服務(wù)器AC/DC開(kāi)關(guān)電源。然而目前仍以模擬控制器占主導的低成本中小功率AC/DC應用中，數字電源控制是否也能發(fā)揮其在大功率應用中的同等優(yōu)勢呢？
數字控制方案因具有靈活、高集成度、智能控制等特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛地應用于低壓大電流DC/DC、大功率通信服務(wù)器AC/DC開(kāi)關(guān)電源。然而目前仍以模擬控制器占主導的低成本中小功率AC/DC應用中，數字電源控制是否也能發(fā)揮其在大功率應用中的同等優(yōu)勢呢？
本文對英飛凌的數字電源平臺以及如何利用數字控制的特點(diǎn)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(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。
英飛凌數字電源平臺
中小功率(100W-300W)開(kāi)關(guān)電源通常應用于消費類(lèi)和某些工業(yè)類(lèi)產(chǎn)品。由于終端用電設備和應用場(chǎng)景的不同，造成了對各自電源要求的差異。
大多數在這個(gè)領(lǐng)域中的產(chǎn)品對緊湊型、設計周期、設計/生產(chǎn)制造/以及售后維護成本有著(zhù)較為嚴格的要求。設計人員通常會(huì )面臨在有限的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本下，采用多款專(zhuān)用模擬控制器增加一些線(xiàn)路去適應各種要求的問(wèn)題。
數字控制器通?？梢造`活地采用相應的算法解決平臺化問(wèn)題。那么選擇通用的MCU/DSP在這個(gè)市場(chǎng)是否合適？
簡(jiǎn)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動(dòng)功率器件的驅動(dòng)器；電源板上需要幾個(gè)不同的電壓，所謂電源軌：有的用于MCU/DSP內核供電，有的用于外圍I/O，還有的用于驅動(dòng)MOSFET。因此需要額外的電源轉換線(xiàn)路。
同時(shí)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(xiàn)路。在需要輕載或空載效率的場(chǎng)合，可能還需要單獨的輔助電源或相關(guān)線(xiàn)路去控制損耗；此外還需要考慮設計尺寸、成本、算法可行性等。最終可能會(huì )因開(kāi)發(fā)時(shí)間、成本、復雜性、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，平臺應具備硬件高集成的同時(shí)也應考慮拓撲延展的可能。英飛凌將高壓側驅動(dòng)器(無(wú)鐵芯變壓器)、高壓?jiǎn)?dòng)單元、以及自主研制的nanoDSP全部集成在一個(gè)DSO-16的窄體封裝內，為電源產(chǎn)品的小型化提供了可能。
高壓?jiǎn)?dòng)單元可以完成啟動(dòng)、待機、輸入的檢測和X電容放電等功能；高壓側驅動(dòng)可以讓平臺構建出橋式拓撲，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(xiàn)路（電源軌的存在才能夠在待機時(shí)對某些功能單元關(guān)閉達到降低損耗的效果），低壓側驅動(dòng)線(xiàn)路，硬件保護線(xiàn)路，ESD線(xiàn)路以及許多專(zhuān)用功能的硬件模塊（專(zhuān)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(dòng)電平及驅動(dòng)電流可以通過(guò)配置寄存器改變。
這樣通常就可以讓外部省去了驅動(dòng)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(jīng)配置它就可以獨立工作，直到被程序所讀取。這樣就充分地結合了模擬和數字各自的優(yōu)勢，降低了程序管理的復雜性。
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(gè)系統中根據復雜程度，通?？墒∪?0-30個(gè)阻容。在實(shí)際PCB布局中省去幾十個(gè)阻容會(huì )讓設計工作變得輕松，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(diǎn)消除的后期維護成本。
簡(jiǎn)單的說(shuō)，它是一個(gè)處理器疊加了專(zhuān)用的混合信號和功率驅動(dòng)的芯片,它充分結合了數字和模擬各自的優(yōu)勢協(xié)同工作?？刂品椒嫵上鄳某绦虮淮鎯τ贠TP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(huì )保存于指定的OTP空間，提供給設計人員進(jìn)行參數的配置。
有了良好的硬件平臺，還需要相應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(xiě)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(hù)自行編寫(xiě)的方式短期內并不現實(shí)；而如果采用ASIC、CSP單一特定功能或者客戶(hù)定制方式可能也不太經(jīng)濟。
因此對于這個(gè)市場(chǎng)，英飛凌率先提出了ASSP(Application Specific Standard Product)概念：即程序滿(mǎn)足這個(gè)市場(chǎng)大部分的應用要求，由英飛凌進(jìn)行程序設計，同時(shí)留出一定的配置選項作為設計自由度以應對少數特定應用的要求。
顯然，不同的結構和控制算法會(huì )衍生出不同的產(chǎn)品。對于中小功率市場(chǎng)，考慮到功率因數及諧波要求，需要加入PFC環(huán)節。由于功率范圍不大，同時(shí)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具備的軟開(kāi)關(guān)特性，寬增益范圍以及窄頻工作特點(diǎn)已被行業(yè)廣泛采用，我們主功率環(huán)節采用LLC。這個(gè)產(chǎn)品就是針對中小功率開(kāi)關(guān)電源控制器：IDP2308
IDP2308介紹
IDP2308是一個(gè)以全數字方式實(shí)現的集成PFC和LLC控制功能及啟動(dòng)單元和驅動(dòng)的控制器。它可以實(shí)現完整的保護功能。
封裝和引腳布局：
為了用戶(hù)PCB布線(xiàn)方便，PFC相關(guān)管腳與LLC管腳分別放置于芯片兩側。左側除Vcc、GND外，GD0、CS0、ZCD和VS均為PFC所需引腳。
可以注意到，PFC部分并沒(méi)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(gè)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(hù)進(jìn)行修改；除了省去外部補償線(xiàn)路，這種形式另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：可以在系統的不同階段對PIT1參數進(jìn)行調整。
比如：系統因為成本或空間限制選擇較小的Vcc電容，在啟動(dòng)階段可以選擇更快速的PIT1組合使PFC母線(xiàn)快速達到目標，而穩態(tài)時(shí)又將環(huán)路帶寬降低，從而滿(mǎn)足包括整體系統的啟動(dòng)時(shí)間的要求；左側還有一個(gè)HV高壓?jiǎn)?dòng)引腳，IDP2308可以完成啟動(dòng)、AC檢測（Brownin/out）以及X電容放電等功能；右側包括LLC下管驅動(dòng)GD1,電流采樣CS1和高壓側的驅動(dòng)信號。
LLC的反饋引腳為HBFB；MFIO或者稱(chēng)為UART引腳，可完成參數的配置燒寫(xiě)、調試以及在故障狀態(tài)下對外發(fā)出故障碼，即所謂“黑匣子”功能。
這個(gè)功能有時(shí)非常有用，比如很多電源已嵌入整機運行的場(chǎng)合，如果發(fā)生了故障，而示波器探頭無(wú)法進(jìn)入，這時(shí)我們可以簡(jiǎn)單地利用這個(gè)引腳發(fā)出的信號進(jìn)行判斷。UART引腳是一個(gè)半雙工的引腳，同時(shí)也是一個(gè)I/O引腳，在有對PFB母線(xiàn)需要第二級保護的場(chǎng)合，它可以被復用為母線(xiàn)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(jìn)行跳除，從而形成了DSO-14腳。英飛凌這個(gè)小尺寸封裝是業(yè)界集成PFC和LLC功能控制器的第一個(gè)廠(chǎng)家。
效率方面考慮：
系統效率是一個(gè)綜合問(wèn)題。包括系統工作點(diǎn)的選取，腔體的合理設計，被動(dòng)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(kāi)通的方式去緩解MOSFET的開(kāi)通損耗，但輕載后由于開(kāi)關(guān)頻率升高而開(kāi)關(guān)損耗將上升的問(wèn)題未能很好的解決。
針對這個(gè)問(wèn)題，IDP2308中采用了多谷底開(kāi)通的方式，通過(guò)增加谷底數使頻率降低從而改善了輕載的效率。
谷底數的多少，谷底切換的法則等必要條件都以參數的形式提供給用戶(hù)根據實(shí)際情況進(jìn)行配置。這里，顯然單純增加谷底的想法并不難想到，在普通的準諧振反激電源中是常見(jiàn)手段。
問(wèn)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(huì )丟失。因此，算法中需要對此進(jìn)行必要的運算，以補償THD諧波。這其實(shí)也是數字處理器的優(yōu)勢。
LLC效率方面主要集中在輕載時(shí)Burst控制方式。穩態(tài)情況下，通常LLC效率高度依賴(lài)于腔體設計和工作點(diǎn)的選擇，關(guān)于這方面的話(huà)題，我們將在以后的文章中進(jìn)行探討。
內部集成了高壓?jiǎn)?dòng)單元和可控的用于不同功能塊的電源軌，為系統在待機模式時(shí)的低損耗創(chuàng )造了硬件條件。IDP2308在輕載時(shí)，程序通過(guò)對頻率的判斷決定是否進(jìn)入Burst（間歇）模式。
進(jìn)入Burst后，nanoDSP如果仍以工作時(shí)的頻率在運行，那么自身的損耗將會(huì )增加。所以這時(shí)DSP工作頻率要下降，同時(shí)也需要通過(guò)FB對系統進(jìn)行喚醒。
這些喚醒行為本身需要通過(guò)硬件實(shí)現，這也是為什么單純采用通用MCU/DSP較難實(shí)現的部分原因。進(jìn)入Burst后，我們采用固定開(kāi)通時(shí)間內配合給定的預設頻率的方式實(shí)現。預設頻率部分包括了軟啟動(dòng)、軟結束和核心頻率幾個(gè)組成部分。
如果僅考慮效率，那么顯然是開(kāi)通時(shí)間很短，放電時(shí)間很長(cháng)，系統在充分短的時(shí)間內可使輸出達到紋波上限，然后進(jìn)入休眠。
而實(shí)際中，由于LLC腔體增益在輕載或空載時(shí)由于寄生活雜散參數的影響產(chǎn)生的不確定性，比如增益上翹，增益振蕩等，我們把內部的核心頻率、啟動(dòng)、結束頻率以及開(kāi)通時(shí)間等全部作為參數提供給用戶(hù)在實(shí)際調試中進(jìn)行調整。
退出Burst用什么方式呢？除了采用FB進(jìn)行判斷外，IDP2308還采用了Burst off短于某個(gè)設定時(shí)間進(jìn)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(jìn)行判斷，那么對于輕載或空載，FB電壓高度依賴(lài)于補償環(huán)，一旦出現TL431飽和或光耦飽和，那么FB和輸出將失去函數關(guān)系。而采用Burst off方式退出就可以簡(jiǎn)單解決這類(lèi)問(wèn)題。
我們可以簡(jiǎn)單測出需要退出Burst時(shí)的功率對應的Burst off時(shí)間，然后將其設為配置值即可。Burst是系統行為，PFC在Burst中也會(huì )跟隨運行，這時(shí)系統可以根據實(shí)際的損耗情況去調整母線(xiàn)電壓的高低。
比如工程上是否有可能在低電壓母線(xiàn)配合一個(gè)LLC相對高頻的組合？這種情況可以由使用者根據實(shí)際情況進(jìn)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(shí)間片方式，從程序結構上相較于中斷搶占方式較容易管理：
IDP2308具備完整的系統保護功能。比如，PFC限流、PFC母線(xiàn)過(guò)壓、欠壓，最小頻率限制，最大開(kāi)通時(shí)間限制…LLC的光耦開(kāi)路保護，過(guò)載保護，兩級的過(guò)流保護等。此外，還有很多獨特的保護。比如PFC在啟動(dòng)時(shí)或者極高電壓輸入時(shí)，由于ZCD信號的丟失而造成系統進(jìn)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(kāi)路或者短路，或者某兩個(gè)腳粘連，如ZCD-VS，芯片可以進(jìn)入保護。為了消除用戶(hù)對于純軟件保護的顧慮，IDP2308在PFC母線(xiàn)過(guò)壓和LLC過(guò)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(guò)測試。還有些保護是需要根據實(shí)際要求進(jìn)行調整的。
比如：有的設計要求出現母線(xiàn)過(guò)壓時(shí)，系統馬上停止工作進(jìn)入重啟；而有些可能要求LLC后級應繼續工作，從而能夠讓過(guò)壓事件盡快消除…有些設計發(fā)生LLC過(guò)流時(shí)，可能希望系統馬上進(jìn)入重啟，不要繼續工作，或者推高頻率，哪怕輸出電壓已經(jīng)出現嚴重跌落后級用電器進(jìn)入欠壓；而有的設計是希望繼續堅持工作，不可能讓后級“感受”到前級的影響…
實(shí)際應用中不同的要求，造成了這些選項不可能做到唯一固定的配置參數。如同一個(gè)手機屏幕有人喜歡暖色，有人偏愛(ài)冷色，最終可能廠(chǎng)家只能把配色作為一個(gè)選項提供給用戶(hù)自己選擇，IDP2308也是類(lèi)似。同時(shí)，也可以想象如果一個(gè)模擬控制器去應對很多彼此不同甚至矛盾的要求，付出的外圍線(xiàn)路代價(jià)是較高的。
軟件實(shí)現的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以根據不同的狀態(tài)去設定保護門(mén)限。我們知道，LLC啟動(dòng)時(shí)或者在Burst中的腔電流往往較大。
因此在IDP2308中可以分別設置不同工作狀態(tài)中的過(guò)流門(mén)限。更為重要的是，在進(jìn)入重啟保護模式時(shí)，系統會(huì )發(fā)出故障代碼，用戶(hù)可以輕松對故障進(jìn)行定位。重啟的時(shí)間也是選項，模擬控制器往往僅提供一個(gè)固定時(shí)間，在長(cháng)期短路測試時(shí)往往功率器件會(huì )存在發(fā)熱，可調節的重啟時(shí)間可以簡(jiǎn)單解決類(lèi)似問(wèn)題。
靈活性方面的考慮：
開(kāi)關(guān)電源總是存在各種各樣的狀態(tài)。比如啟動(dòng)，穩態(tài)，動(dòng)態(tài)… 讓人頭疼的事情往往是處理完這個(gè)問(wèn)題，另一個(gè)問(wèn)題又會(huì )出現。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(xiàn)路。作為控制算法，我們盡可能地提供一些自由度給用戶(hù)以應對以上的一些問(wèn)題。這里不妨舉幾個(gè)小例子：
關(guān)于啟動(dòng)，一方面需要關(guān)心輸出電壓的形態(tài)（過(guò)沖？負斜率？）還需要關(guān)心啟動(dòng)時(shí)間以及系統中的電壓電流應力。
我們知道LLC啟動(dòng)時(shí)勵磁電感和諧振電容電壓都為零，為了避免高電流應力和容性狀態(tài)所以普遍需要采用高頻啟動(dòng)，這個(gè)過(guò)程通常是開(kāi)環(huán)完成的。這里用到了一個(gè)頻率曲線(xiàn)TCO，頻率隨時(shí)間變化而變低；但是隨時(shí)間怎樣變化呢？多長(cháng)時(shí)間變化多少呢？
這里其實(shí)是個(gè)復雜的過(guò)程:因為如果恒阻負載啟動(dòng)，電壓爬升是沿著(zhù)一個(gè)固定的增益線(xiàn)上升；如果恒流負載，那么其實(shí)爬升的軌跡就是不斷的跨越不同負載的增益線(xiàn)，因為等效負載是在不斷地降低。因此，這個(gè)向下掃頻的軌跡就可能不是一根直線(xiàn)。
在此，IDP2308提供了頻率起點(diǎn)、變化斜率、變化步長(cháng)等可配置量給用戶(hù)進(jìn)行調整，最終讓輸出曲線(xiàn)達到目標。顯然，有時(shí)需要啟動(dòng)迅度速我們就可以把頻率下降斜率加快，有時(shí)需要抑制開(kāi)機電流脈沖，我們可以對最高頻率進(jìn)行調整。這些參數配置提供了在外部腔體及補償環(huán)不變的前提下，通過(guò)非線(xiàn)性TCO來(lái)降低設計難度。
除了TCO外，IDP2308還有一根用于頻率控制的VCO曲線(xiàn)，即通過(guò)反饋電壓去調節頻率。模擬控制器通常采用線(xiàn)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(xiàn)性，通過(guò)四點(diǎn)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(tài)工作點(diǎn)可以對應不同幅度的頻率變化，相當于調整了功率平面的增益。
顯然它可以直接干預系統的帶寬，在補償環(huán)設計中增加了一個(gè)可控的增益環(huán)節。當VCO兩側的頻率變陡，通?？梢詫?shí)現負載切換時(shí)的頻率快速跳躍，相當于動(dòng)態(tài)時(shí)系統帶寬增加。
還有些高速動(dòng)態(tài)負載的場(chǎng)景，如頻率突然下降極快，這時(shí)PFC母線(xiàn)可能有相當程度的墜落，有可能超出了當初設計時(shí)的條件，這時(shí)可能會(huì )出現不希望出現的過(guò)流保護。
IDP2308可以采用一個(gè)偵測反饋變化斜率的數字濾波器去應對，相當于給系統在這種工況下增加一個(gè)極點(diǎn)實(shí)現濾波。也可以理解為當速度過(guò)快時(shí)，可以適當“剎車(chē)”。類(lèi)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(xiàn)路自身阻抗較高，容易耦合一些噪聲，造成誤開(kāi)通。有時(shí)這些噪聲由于探頭阻抗匹配問(wèn)題不一定容易準確測量定位。
這時(shí)，可以用簡(jiǎn)單的數字濾波就可以抑制這種干擾。緊湊型設計中，反復修改外圍小封裝阻容而造成虛焊漏焊等情況并不少見(jiàn)，在IDP2308的調試中可能僅改動(dòng)一個(gè)參數就可以解決問(wèn)題而無(wú)需對外圍硬件進(jìn)行改動(dòng)。
關(guān)于參數和燒寫(xiě)
IDP2308大概提供了超過(guò)100個(gè)參數選項，覆蓋PFC、LLC和系統方面。出廠(chǎng)時(shí)芯片內已有默認參數，當有需要更改時(shí)，可以通過(guò)UART進(jìn)行修改。調試過(guò)程并不消耗OTP參數空間。批量生產(chǎn)時(shí)，可以在板燒寫(xiě)也可以卷帶自動(dòng)化燒寫(xiě)。
由于參數OTP空間較大，某些機型已燒寫(xiě)過(guò)的芯片，也可能輕松的再次為其他機型燒寫(xiě)，從而避免形成庫存。
很多客戶(hù)對于自行燒寫(xiě)芯片不太適應，因為傳統的模擬芯片不需要燒寫(xiě)。因而采用了一套完全固定的參數去應對所有的要求，當性能不滿(mǎn)足時(shí)不合適時(shí)可能就放棄了這個(gè)平臺。一個(gè)相對新的設計方式需要一個(gè)接受過(guò)程。
自由碼的衣服不一定能真正自由，即使同一個(gè)人在不同階段可能也不一定都合穿。有一天如果發(fā)現其實(shí)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(kāi)關(guān)電源相當于某一地域的人，他們的身材相近，但可能也彼此不同。
當生活水平提高，一件衣服已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求時(shí)，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(chǎng)需要。參數配置正是提供了這種可能性和創(chuàng )造性。
(來(lái)源：英飛凌，作者：柏鵬程，英飛凌電源與傳感系統事業(yè)部首席應用工程師）
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