500W超小型双向变换器设计-TIDA-00705

这里我们将介绍一款超小型的 非隔离双向直流变换器设计

其功率密度达到了 480W每立方英吋

这是TIDA-00705的总体介绍

从左边的图中可以看出 两个服务器电源挂在交流母线上

输出12V直流 而橘色框中的AOES

是每个服务器电源的子系统

TIDA-00705又是AOES的一部分

如红圈所示

右下角的图是 TIDA-00705内部结构框图

它左边连接电池组 右边接12V直流母线

它由两项半桥交错并联构成 每项半桥开关频率为700KHz

它既可以工作在电池充电的升压模式 又可以工作在电池放电的降压模式

最大可以500W放电两分钟

并且两种模式间的 切换时间小于一微秒

基本实现了平滑过渡

TIDA-00705的设计采用了 
TI高集成度的控制器UCD3138A

TIDA-00705同时实现了 高效率和高功率密度

从左边波形可以​​看出 其在电池放电模式下

峰值效率超过了97%

在轻载下也保持了较高的效率值

从中间波形可以看出 其从12V直流母线给电池充电时

峰值效率超过了95%

该页的最右边是 TIDA-00705的实际照片

它的尺寸只有
 25.4mm x 25.4mm x 12.5mm

不含散热片

包含散热片的话 它的尺寸是 
25.4mm x 25.4mm x 25.4mm

也就是一立方英吋

这是TIDA-00705从电池充电模式 向电池放电模式切换的波形

测试是在12V直流母线

10A负载以及1000uF电容 的情况下进行的

红色的是12V直流电压 绿色的是12V母线电流

蓝色的是UCD3138A内部调适信号

大家可以看到当电路
 从电池俯冲状态切换到电池放电时

12V直流母线电流反向快速上升

该过程中12V直流母线电压 
峰峰值波动只有630毫伏

整个服务系统运行未受到任何干扰

这是TIDA-00705从电池放电模式 向电池充电模式切换的波形

褐色的是电池电压

红色的是12V直流电压 绿色的是12V母线电流

蓝色的是UCD3138A内部调适信号

大家可以看到当电路
从 电池放电状态切换到电池充电状态时

12V直流母线电流反向快速下降

该过程中12V直流母线电压
 峰峰值波动只有440毫伏

电池实现了正常充电而且 服务器系统也保持了正常运行

TIDA-00705方案的实现 是由如下关键器件来保证的

第一个是TI 25V DualCool Mos管 其1.6毫欧的Rds(on)和18nC的QG

以及允许双面散热的设计 是实现高功率密度设计的关键之一

详见右图中四个红圈的位置 第二个是TI的半桥Mos管驱动器

它的Source和Sink电流各自高达4A 并能耐受-18V的电压毛刺

从而保证Mos管的快速可靠通断运行

详见右图中两个橘色圈的位置

第三个是UCD3138A数字电源控制器 它是该方案的核心控制部分

后续两页我们将着重对它进行介绍 见右图黄圈的位置所示

UCD3138A是TI的一款 针对数字电源的控制器

可以支持不同的电源拓扑 包括boost PFC 无桥PFC

LLC 移项全桥 双管[听不清] 硬开关全桥等等

UCD3138A包括三个 独立的硬件反馈回路

支持电压型 峰值电流型 和平均电流型控制

UCD3138A拥有16MHz的误差ADC

用作反馈回路的误差信号检测

同时拥有14位的DAC 可以设置反馈回路的基准电压

UCD3138A内部的环路补偿器 可以配制成（单铃单级 双铃单级 双铃双级？）的结构

UCD3138A有八个高精度的 DPWM输出 分辨率可以达到250ps

最高开关频率可以达到2MHz

此外UCD3138A还拥有丰富的资源 保证电源的状态监控 通信和故障保护

UCD3138A拥有12位的通用ADC 多达14个通道

多达七个模拟比较器 可以实现逐波限流的保护

延迟时间只有50ns UCD3138A的供电也非常简单

整个IC只需要3.3V供电

这一页是关于UCD3138A
 内部功能模块的详细介绍

UCD3138A共有三个独立的误差ADC

分辨率最高可达一毫伏每LSB

可以有效地降低输出电压纹波

和误差ADC相连的是PID补偿器 配置简单

只需要在软件中配置 KP KI KD KA的值

就可以得到（单铃单级 双铃单级 或双铃双级？）的补偿器

和PID补偿器连接的是DPWM模块

可实现不同DPWM模块的切换

和burst模式

此外 UCD3138A还有其他的功能模块

也是对开关电源非常有用

比如均流模块 恒功率恒电流模块 频率同步模块 防止偏磁的模块

UCD3138A的ADC是12位的 内部集成温度传感器

可实现对ADC转换结果的平均处理

UCD3138A是基于On7的数字IC 支持在线升级软件

PMBus UART和SPI通信

在我们对UCD3138A 有了一定的了解后

下面我们要介绍如何用UCD3138A 实现开关电源的控制

如前面所讲 一个双向DCDC转换器

需要三个反馈环路实现控制

一个是电流环 另外两个是12V和48V的电压环

分别在buck模式或boost模式下使用 屏幕上的功能框图

展示了UCD3138A和功率集的连接

UCD3138A有四对DPWM 每一对可以控制一项同步buck

如果是硬开关控制 UCD3138A的控制回路

会产生固定开关频率的驱动信号

当然也可以实现软开关控制

UCD3138A会检测电感的负向电流 检测到的负向电流

和UCD3138A设定的阀值进行比较

当检测到的负向电流 超过
UCD3138A设定的阀值

比较器的输出会发出一个同步信号

此同步信号会复位 DPWM的周期指数值

让UCD3138A开始一个新的PWM开关周期

这样的控制完全 不需要多余软件的处理

这是UCD3138A 和通用DSP的一个区别

这是UCC27211A 
Mos管驱动器的介绍

UCC27211A是一个高速双通道 可以实现半桥驱动的一体化Driver

它自带120V启动 Source和Sink电流可达4A

它内置的ESD设计可以使其耐受 高的电压尖峰 可靠运行

它的双通道结构非常灵活 可以支持全桥半桥

有元前位和高压buck等不同应用

这里我们将介绍一款超小型的 非隔离双向直流变换器设计

其功率密度达到了 480W每立方英吋

这是TIDA-00705的总体介绍

从左边的图中可以看出 两个服务器电源挂在交流母线上

输出12V直流 而橘色框中的AOES

是每个服务器电源的子系统

TIDA-00705又是AOES的一部分

如红圈所示

右下角的图是 TIDA-00705内部结构框图

它左边连接电池组 右边接12V直流母线

它由两项半桥交错并联构成 每项半桥开关频率为700KHz

它既可以工作在电池充电的升压模式 又可以工作在电池放电的降压模式

最大可以500W放电两分钟

并且两种模式间的 切换时间小于一微秒

基本实现了平滑过渡

TIDA-00705的设计采用了 
TI高集成度的控制器UCD3138A

TIDA-00705同时实现了 高效率和高功率密度

从左边波形可以​​看出 其在电池放电模式下

峰值效率超过了97%

在轻载下也保持了较高的效率值

从中间波形可以看出 其从12V直流母线给电池充电时

峰值效率超过了95%

该页的最右边是 TIDA-00705的实际照片

它的尺寸只有
 25.4mm x 25.4mm x 12.5mm

不含散热片

包含散热片的话 它的尺寸是 
25.4mm x 25.4mm x 25.4mm

也就是一立方英吋

这是TIDA-00705从电池充电模式 向电池放电模式切换的波形

测试是在12V直流母线

10A负载以及1000uF电容 的情况下进行的

红色的是12V直流电压 绿色的是12V母线电流

蓝色的是UCD3138A内部调适信号

大家可以看到当电路
 从电池俯冲状态切换到电池放电时

12V直流母线电流反向快速上升

该过程中12V直流母线电压 
峰峰值波动只有630毫伏

整个服务系统运行未受到任何干扰

这是TIDA-00705从电池放电模式 向电池充电模式切换的波形

褐色的是电池电压

红色的是12V直流电压 绿色的是12V母线电流

蓝色的是UCD3138A内部调适信号

大家可以看到当电路
从 电池放电状态切换到电池充电状态时

12V直流母线电流反向快速下降

该过程中12V直流母线电压
 峰峰值波动只有440毫伏

电池实现了正常充电而且 服务器系统也保持了正常运行

TIDA-00705方案的实现 是由如下关键器件来保证的

第一个是TI 25V DualCool Mos管 其1.6毫欧的Rds(on)和18nC的QG

以及允许双面散热的设计 是实现高功率密度设计的关键之一

详见右图中四个红圈的位置 第二个是TI的半桥Mos管驱动器

它的Source和Sink电流各自高达4A 并能耐受-18V的电压毛刺

从而保证Mos管的快速可靠通断运行

详见右图中两个橘色圈的位置

第三个是UCD3138A数字电源控制器 它是该方案的核心控制部分

后续两页我们将着重对它进行介绍 见右图黄圈的位置所示

UCD3138A是TI的一款 针对数字电源的控制器

可以支持不同的电源拓扑 包括boost PFC 无桥PFC

LLC 移项全桥 双管[听不清] 硬开关全桥等等

UCD3138A包括三个 独立的硬件反馈回路

支持电压型 峰值电流型 和平均电流型控制

UCD3138A拥有16MHz的误差ADC

用作反馈回路的误差信号检测

同时拥有14位的DAC 可以设置反馈回路的基准电压

UCD3138A内部的环路补偿器 可以配制成（单铃单级 双铃单级 双铃双级？）的结构

UCD3138A有八个高精度的 DPWM输出 分辨率可以达到250ps

最高开关频率可以达到2MHz

此外UCD3138A还拥有丰富的资源 保证电源的状态监控 通信和故障保护

UCD3138A拥有12位的通用ADC 多达14个通道

多达七个模拟比较器 可以实现逐波限流的保护

延迟时间只有50ns UCD3138A的供电也非常简单

整个IC只需要3.3V供电

这一页是关于UCD3138A
 内部功能模块的详细介绍

UCD3138A共有三个独立的误差ADC

分辨率最高可达一毫伏每LSB

可以有效地降低输出电压纹波

和误差ADC相连的是PID补偿器 配置简单

只需要在软件中配置 KP KI KD KA的值

就可以得到（单铃单级 双铃单级 或双铃双级？）的补偿器

和PID补偿器连接的是DPWM模块

可实现不同DPWM模块的切换

和burst模式

此外 UCD3138A还有其他的功能模块

也是对开关电源非常有用

比如均流模块 恒功率恒电流模块 频率同步模块 防止偏磁的模块

UCD3138A的ADC是12位的 内部集成温度传感器

可实现对ADC转换结果的平均处理

UCD3138A是基于On7的数字IC 支持在线升级软件

PMBus UART和SPI通信

在我们对UCD3138A 有了一定的了解后

下面我们要介绍如何用UCD3138A 实现开关电源的控制

如前面所讲 一个双向DCDC转换器

需要三个反馈环路实现控制

一个是电流环 另外两个是12V和48V的电压环

分别在buck模式或boost模式下使用 屏幕上的功能框图

展示了UCD3138A和功率集的连接

UCD3138A有四对DPWM 每一对可以控制一项同步buck

如果是硬开关控制 UCD3138A的控制回路

会产生固定开关频率的驱动信号

当然也可以实现软开关控制

UCD3138A会检测电感的负向电流 检测到的负向电流

和UCD3138A设定的阀值进行比较

当检测到的负向电流 超过
UCD3138A设定的阀值

比较器的输出会发出一个同步信号

此同步信号会复位 DPWM的周期指数值

让UCD3138A开始一个新的PWM开关周期

这样的控制完全 不需要多余软件的处理

这是UCD3138A 和通用DSP的一个区别

这是UCC27211A 
Mos管驱动器的介绍

UCC27211A是一个高速双通道 可以实现半桥驱动的一体化Driver

它自带120V启动 Source和Sink电流可达4A

它内置的ESD设计可以使其耐受 高的电压尖峰 可靠运行

它的双通道结构非常灵活 可以支持全桥半桥

有元前位和高压buck等不同应用