简化数字电源 - 第2节
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大家好！ 欢迎参加 本次演示， 我们将在本次演示中 讨论基于状态机架构的 控制器如何能够 简化开发数字 电源的过程。 这是议程。 我们将首先简短地 回顾一下电源执行的 不同任务，然后分析 以数字方式完成它们 所面临的挑战。 接下来，我们将 看看已经用于 实现电源的 不同类型的 控制器，并介绍 基于状态机的 器件架构与 以前使用的 其他方法相比 有什么不同。 然后，将详细介绍 和讨论德州仪器 (TI) 数字电源产品 组合提供的基于 状态机的控制器 UCD3138 器件。 将提供有关如何 能够使用独特的 增值功能 轻松实现 最常见的电源 拓扑的示例， 以演示 如何使用 状态机架构 简化数字电源。 让我们开始吧。 什么是电源？ 电源是一个 电子设备， 它连接到 能源并执行 为电子负载 提供经过良好 调节的电压、电流 或功率的任务。 例如，所讨论的 能源可能是 墙壁中的交流 电源插座，电源是 离线交流至 直流电源， 可为数据中心 提供经过调节的 直流电压。 再比如，能源 可能是电池， 电源是隔离式 直流至直流电信 模块，为电信网络 实现同样的功能。 接下来，如果 我们看看 电源内部发生的情况， 有两种基本的任务。 一方面，有基本的 电源控制任务， 这涉及到以安全的 方式为电子负载 提供经过调节的 电压、电流或功率。 另一方面，有内部 管理和系统通信 任务。 这些涉及到 热管理、风扇 速度控制、启用 特殊操作模式 以提高电源 在特殊 情况下的l 性能、遥测 以及与电源 外部的主机 MCU 进行通信 等功能。 现在可以将 先前介绍的 任务视作 高速或低速 功能，具体 取决于可供 电源控制器执行 这些任务的时间预算。 高速功能是 在现代电源 内部以几百 kHz 的频率 重复的 功能，因此 其时间预算 只有几微秒。 通常，这会是 电压调节，其中 涉及到 反馈环路 控制和 瞬态响应、 逐周期 保护以及 在电源的不同 状态之间进行 切换。 另一方面， 低速功能 具有几百毫秒或 更高的时间预算。 这些功能可能是 与主机、MCU 通信、 温度传感和风扇 速度控制以及 多个电源之间的 电流共享，这些 电源在同一个 系统中都是并联的。 这里要承认的 关键一点是， 电源控制器 承担着同时管理 不同电源功能的 繁重任务，每项 任务具有 不同的紧急 程度以及不同的 与其关联的时间预算。 在传统电源中， 先前介绍的 任务是使用专用 控制器进行管理的。 专用模拟电源 管理控制器 不可用于 管理所有 高速电源 功能，而通用 MCU 可用于内部 管理和系统 通信。 不过，对于 数字电源， 所追求的 目标是 拥有单个统一 数字电源控制器， 能够同时 管理这两种 功能，高速功能 和低速功能。 现在，让我们 后退一步， 看看电源控制器 架构的演变 过程。 在左侧，是 用于我们 刚才所说的 传统电源的 模拟控制器。 这些是简单的 器件，可用于 设计快速 上市的电源， 并提供高 电源带宽。 另一方面， 这些作为 特定于应用的 器件，趋向于 固定的功能，无法 用作用于实现不同 电源拓扑和架构的 平台解决方案。 此外，它们需要 很多外部组件， 用于实现专门的 功能和提供保护。 最后，正如我们 先前提到的， 它们需要 专用的通用 MCU，来实现 电源中所需的 所有内部管理 和通信功能。 对于数字 控制器， 我们可以在市场上 看到三种不同的产品。 右侧是 处理器 驱动的数字 控制器，其中 一个运行在 DSP 或高性能 MCU 上的软件 负责执行 电源的所有 高速和低速功能。 这些是非常 灵活的解决方案， 可用作用于 实现不同 控制架构的平台器件。 由于一切都是 在软件中实现的， 因此它们可用于支持 复杂的控制算法。 此外，提供 处理器 还有助于实现 内部管理和通信功能。 不过，因为 该软件必须 管理所有高速 和低速功能， 所以必须仔细地 设计该软件的架构。 这需要更多 开发工作。 第二，就提供 电源带宽而言， 处理器计算 带宽是最重要的 考虑因素， 更快的 处理器能够在 相同的时间内 执行更多的 时钟周期， 从而在实现更高的 电源带宽方面更有用。 中间是 称作硬件 实现的数字 电源控制器的 东西。 这些器件采用 专用的硬件 状态机来实现 高速电源功能。 这样做的 最大优势是 任何高速 功能都不 涉及处理器。 因此，处理器 计算功能 对电源带宽而言 不是一个问题。 就这些 基于 状态机硬件的 数字控制器而言， 有两种器件。 在左侧，我们有 这些不可编程 但可通过 GUI 进行配置的 固定功能器件。 这意味着 可以使用 GUI 来调节和微调 控制器的某些参数。 这些器件的 好处是电源 设计不 涉及任何 固件开发。 另一方面， 这些器件 具有固定的 功能，因此 不适用于平台 实现，此外，其中的 某些器件可能 包含一些通信 功能，它们 并不满足 大多数数字电源的 内部管理要求。 最后，我们 拥有基于 硬件状态机的 器件类别，它们 是完全可编程的， 并且还采用集成 MCU。 正如我们马上 要看到的，这些 器件配有某些 特定的硬件 电源外设，可以 轻松快速地 对其进行配置， 以实现不同的 电源拓扑和架构。 因此，它们是 灵活的器件。 它们可用作 平台解决方案。 在能够使用 这些器件方面 存在一个固件 开发要素，此时， 正如我们马上要看到的， 这主要涉及对某些 寄存器组进行 编程，作为基于 状态机的器件， 不存在电源带宽问题。 最后，由于提供了 集成 MCU，从而允许 电源设计 人员使用 该器件实现各种 内部管理功能。 另一方面， 就熟悉 该器件中的 硬件外设 而言，电源设计 人员涉及到一个 学习曲线。 第二，实现复杂 控制算法的 能力有点 受到器件 内部构建的 硬件外设的限制。 对于基于 处理器的 数字控制器的固件 开发任务，有一些需要 深入考虑的问题， 其中最重要的是， 是否为设计该具有 所述开关频率和带宽的 电源提供了 足够的计算能力？ 以用于设计具有 至少 20 kHz 带宽的 200 kHz 电源的 50Mps CPU 为例， 事实证明，仅有 大约 2.5 微秒 可用于在每个 开关周期中 需要完成的 关键补偿计算。 这意味着仅有 大约 125 条指令 可用于该功能。 那么，问题来了， 这足够吗？ 如果存在 嵌套循环 或独立控制环路， 需要使用双输出 电源进行控制， 那么事情会变得 更加复杂。 接下来的 问题是， 我是否应该 使用中断， 中断循环中 包含什么任务， 后台循环中 分配什么任务？ 然后，当需要 同时管理 多个时间 关键型任务时， 应该优先 考虑什么任务。 确定优先次序 绝对是必要的。 那么，器件架构中 有多少可用的 优先级？ 最后，最快的 功能可能 通常需要使用 汇编语言进行 编码，从而形成可由 处理器高效处理的 张紧线索。 因为较低级别的 编程注意事项，这将 面临进一步的挑战。 总之，开关 模式电源 硬件和固件设计 更加复杂地与 基于处理器的 控制器交织在一起。 固件开发 也变得 更多地涉及到 基于处理器的 数字控制器。 经过该讨论之后， 大家应该会 很清楚地看到， 具有集成 MCU 且 基于可编程状态机的 控制器类别拥有一些 独特的优势， 并且与其他 类别的数字 控制器相比， 显示出非常具有 吸引力的折衷。 那么，现在让我们 看看来自 TI 数字 电源产品组合的 一个器件，UCD3138， 它属于该类别。 这里显示的 是 UCD3138 数字 控制器的简化 高级别方框图。 该器件包含 两个部分。 上半部分表示 可编程硬件 状态机， 下半部分 表示通用 MCU。 正如前面所述， 该状态机 在不依赖 处理器的 情况下执行时间 关键型电源功能。 该状态机采用 支持升压 BFC、 谐振 LLC、 移相全桥、 硬件全桥、 降压等 最常见电源 拓扑的硬件 外设，以及其他 特殊功能，例如 峰值电流模式、 突发模式等。 在底部，有完全 可编程的 MCU，它 用于配置和 初始化状态机， 然后， 它主要 用于执行 电源的 内部管理、通信 和遥感功能。 话虽如此， 还为慢功率 因数校正、 电压环路 控制和电流 共享等所有 低速电源 功能提供了 MCU。 就优点而言， 该架构 最重要的优势是可以 轻松地进行固件开发。 为了对状态机 进行编程，设计 人员所要做的是， 熟悉器件中的 硬件外设， 然后为 特定的 寄存器 指定位值。 高速环路中 涉及的所有 补偿计算 都在高速 状态机 硬件中实现。 因此，无需 在低速功能 和高速功能之间 进行复杂的计算 资源时间分片。 第二个优点是， 该架构允许 设计人员开发 高带宽、高频率 数字电源。 凭借 CPU 的常规行 和较慢的固件决策， 有可能使用 硬件状态机 实现非常高 带宽的电源。 当开关周期 非常短时， 该优点在高频率 下变得更加明显和 引人注目，CPU 的 计算时间也是如此。 此外，当需要 同时控制 电压环路和电流 环路等多个环路时， 或者在电源中 存在多个输出 以及存在多个要控制的 功率级的情况下，该器件的 优点将 变得越来越 引人注目。 其他优点包括 器件通过硬件 状态机实现的 低功耗，以及 高级别的 系统集成， 因为没有一个器件 既能够控制电源， 又能够实现 内部管理和 通信功能。 总之，该架构 可以降低 开发人员开发数字 电源的进入壁垒， 并且能够 加快上市步伐。 现在，让我们 更深入地看看 UCD3138 器件的方框图。 左侧显示的 是从 UCD3138 产品说明书中 复制的器件 方框图的图片。 器件中的 状态机硬件 主要限于器件的 上半部分，位于 虚线的上方， 它包含用于 控制三个 同时运行的 反馈环路的硬件。 器件的底部是 通用微控制器， 它是 31.25 MHz 32 位 ARM7 控制器，它还采用 某些硬件组件， 例如快速模拟竞争电路。 现在，让我们放大， 看看硬件状态机 是如何用于同时 控制三个反馈环路的。 在 UCD3138 硬件 状态机中， 使用三个 基本组件 实现反馈 环路控制。 首先，有 前端块， 它是反馈电压 传感和标头生成 块。 接下来，有 数字补偿块， 它包含一个 2420 PID 样式补偿器。 最后，是 DPWM 或数字脉宽 调制器块，它负责 生成输出脉冲。 该块能够 实现脉冲 宽度调制、频率 调制甚至相移调制。 对于脉冲宽度 调制，该块的脉冲 分辨率是 250 皮秒，对于频率和 相位调制，其脉冲 分辨率是 4 纳秒。 利用这三个块， 可以控制单个 反馈环路，例如 电压环路或 电流环路。 在模拟控制器的 模拟世界中，前端 块将类似于 误差放大器。 数字补偿块 将非常类似于 具有补偿 网络中 使用的外部 R 和 C 的模拟控制器的 补偿引脚。 最后，DPWM 块 将类似于 模拟控制器中的 PWM 竞争电路。 UCD3138 中具有 三组这样的 基础环路控制块。 此外，还具有 第四个 DPWM 块， 用于生成 同步整流等 其他 控制信号。 接下来，在电源中， 将信号从一个控制 环路发送到另一个 控制环路是很常见的。 一个经典的示例是 平均电流模式控制， 其中外部电压环路 将命令信号发送到 内部电流环路。 为了实现 这些功能， UCD3138 器件具有 称为环路多路 复用器的硬件块， 它允许一个环路 嵌套在另一个环路内部。 最后，3138 中的 硬件状态机 还包含专用的 电源外设，用于 实现某些经常 需要的电源功能， 例如扬声器和 模式控制、恒定 功率恒定电流 调节和过载、 用于实现更佳 轻负载效率的 突发模式、启动期间 PWM 和 LLC 模式之间的 自动模式切换、 快速输入电压 前馈，等等。 接下来，让我们 深入地看一下 前端模块，它是 UCD3138 中的传感 和误差生成模块。 该块包含一个 接受来自电源的 反馈信号的 模拟差分 放大器，后跟一个 可调增益误差 放大器，其基准 由一个 DAC 进行驱动。 可通过 ARM7 微控制器 或电源中的不同 环路等各种输入源 对 DAC 进行编程。 在误差放大器 后面，有一个 速度极高的 ADC，它称为 误差 ADC 或误差 模数转换器， 执行将 放大器 输出处的模拟误差 信号数字化到 数字域中的任务。 值得注意的是， 在 UCD3138 器件中， 模拟域和数字域 之间的转换边界 在该 EADC 块处。 每个前端模块还 具有一个专用峰值 电流模式竞争 电路，其基准 由 DAC 进行驱动， 可通过该 DAC 实现 可编程慢补偿。 在每个前端模块中 提供了所有这些硬件 块。 请记住，UCD3138 器件中提供了 三个此类前端模块。 因此，UCD3138 器件 完全能够 独立控制三个 高速反馈环路。 此外，3138 器件中的 数字硬件能够 以高 速运行， 使其 可以支持 电源中高达 2 MHz 的开关频率。 现在转向方框图的 下半部分，让我们谈谈 该器件中的 保护硬件。 UCD3138 器件具有一组 高速模拟竞争 电路，共有七个， 它们可用于瞬时 关闭任何 DPWM 输出。 因此，这些竞争 电路可用于 逐周期 电流限制 等功能。 在这些竞争电路后面， 有一个称为故障 多路复用器的 高级故障管理块。 该块非常灵活， 具有从模拟 竞争电路、数字 竞争电路、外部 GPIO 等各种源 接受输入的功能， 并且能够启动 针对关闭任何 DPWM 模块的响应。 该块还具有 将某种滤波 添加到模拟 竞争电路的 输出的功能。 这是一种 数字滤波。 例如，故障最大块 可以从模拟竞争 电路之一 接受输入， 转到预先确定 数量的触发器， 然后启动对 DPWM 输出的响应。 这包括对 UCD3138 器件中硬件 状态机的介绍。 现在，让我们来谈谈 MCU。 正如前面所述， 该器件采用 32 位 ARM7 处理器， 通过编程闪存、 数据闪存、RAM 和 ROM 提供片上 存储器，还提供了 多个通信端口， 例如 UART、PMBus、 I-square-C 和 JTAG。 非常有趣的是， 该器件采用了 一个故障模数转换器。 为什么是故障？ 嗯，如果您回忆一下， 该器件采用了三个 前端模块，其中每个 前端模块具有一个 称为 EADC 的专用 高速误差模数转换器。 幻灯片中显示的 该模数转换器 是第四个模数 转换器，它是 速度较慢但 分辨率较高的块， 可用于 通用传感， 例如温度传感。 最后，该器件采用 其他常用的块， 开关计时器、采集 和电源监视器。 经过这些介绍 之后，让我们看看 如何使用 UCD3138 控制隔离式 直流到直流电源， 在本例中为移相 全桥转换器。 在初级侧， 有四个 全桥 MOSFET。 这里是电源 变压器和隔离边界、 次级侧上的 两个同步 MOSFET， 次级侧上 还有 US 器件， 使这成为次级侧 控制的数字电源的 一个示例。 为了调节 电源，会传感 输出电压 并将其呈现在 一个前端块中， 以进行电压环路调节。 同一信号 也会呈现到 一个模拟竞争电路中， 以进行过压保护。 对于电流环路， 使用电流互感器 传感初级侧 电流，并将其 呈现到第二个 前端块中，以实现 峰值电流 模式控制。 同一信号 也会呈现到 另一个模拟竞争 电路中，以实现 快速逐周期 过流保护。 最后，会传感 转换器中的 输出电流并 将其呈现到 第三个前端块中， 用于实现恒定 功率恒定 电流调节环路。 在电源在其 正常工作电流 范围之外运行， 从而导致超高 电压在基于输出 电流遇到过流 情况时回落 并最终关闭的 情况下，该环路生效。 同一信号 也会馈送到 ADC 输入中，以使用 ARM 处理器实现慢 电流共享功能。 此外，也可以 把同一输入 馈送到模拟 竞争电路中， 以基于该电源中的 过电流实现过电流 保护。 确定向哪些 硬件块呈现 哪些控制 信号后，对 数字控制器 进行编程 以控制该 电源的练习 就仅是按照 用于配置相应 寄存器的 方法进行操作， 以使用控制器 提供相应的功能。 就输出而言， DPWM 模块 2 和 3 用于控制 初级侧 MOSFET， 而 DPWM 模块 0 和 1 用于 控制次级侧上的 同步整流 MOSFET。 总之，这是一个 使用 UCD3138 控制器 通过状态机硬件 同时调节一个具有 几 kHz 带宽的 电压环路和 两个电流环路的示例。 此外，该器件中的 ARM 处理器现在 可用于使用 PMBus 或 I-square-C 与系统控制器 进行通信，以及 使用 UART 通过 隔离层与 控制路径 [听不清] 校正块的初级侧 数字控制器 进行通信。 接下来，让我们看看 如何使用控制器 来控制两相 交错式升压 功率因数校正 交流到直流转换器。 在本示例中， 感应交流线路 电压和直流 总线超高电压 并将其呈现在 ADC 的 输入上，这允许 ARM 处理器使用该信息 并将其进行数学计算， 以调节电压环路。 此外，电压 环路的一个 要素呈现到 硬件状态机中， 显示为电流环路的 一个命令信号。 使用电流和 互感器传感 电源中的 电流，并将其 呈现到两个 独立前端块中。 这允许独立使用 两个前端块和 两个硬件外设来 控制两个电流环路。 同一信号 也会呈现到 模拟竞争电路的 输入中，以提供 逐周期 电流保护。 就输出而言， 来自两个 DPWM 块的 输出信号 存在 180 度 相移，以控制 两个交错式 功率 MOSFET。 也可以选择使用 电流传感分流器 传感电感器电流， 并将其呈现到前端 模块，以使用状态机 硬件调节信号电流 回路。 当然，在该情况下， 您将无法选择 在两个电流 环路之间实现 良好的电流平衡。 总之，在本示例中， UCD 控制器控制 由状态机 硬件控制的 具有几 kHz 带宽的过快 电流环路。 此外，电流环路 嵌套在慢电压 环路内部，这有助于 实现平均电流模式控制。 当电压环路是 慢环路时，电流 环路通过硬件 实现，这通常 用于功率因数 校正转换器， 只能使用 ARM7 MCU 实现几十 赫兹的交叉频率。 因此，这是一个 可以使用 ARM7 控制器实现 慢电源功能的 示例。 让我们快速 查看第三个示例， 这是一个双输出 直流到直流转换器， 其中包含一个 可提供输出 之一的半桥 谐振 LLC 转换器， 后跟一个下游 降压转换器， 该转换器提供 第二个输出。 那么，在这里， 电源中的 控制器承担控制 两个功率级的任务， 一个是谐振 LLC， 另一个是降压功率级。 请记住， 这两种 功率级都能在 几百 kHz 的开关 频率下运行。 在本例中， LLC 转换器 由一个硬件 环路进行 控制，降压 转换器的 输出由另一个 硬件环路进行控制。 此外，由于提供了 第三个环路，因此 可以选择使用 分流器传感输出 电流，并实现恒定电流、 恒定功率、环路控制等 功能。 因此，在此示例中， 可以使用 UCD3138 器件的 状态机 硬件实现 几 kHz 和 几十 kHz 的 带宽和一个 电流环路。 这实际上是 一个提供支持 多个环路的 硬件以允许 单个数字电源控制器 管理整个电源的示例。 到目前为止， 我们已经 查看了控制器如何 用于实现常见的 电源。 现在，让我们看看 如何使用控制器 实现更多功能。 这里是一个有关 平均电流模式 控制的示例，其中 转换器根据负载 从 CCM 转到 DCM 操作。 在 CCM 操作期间， 位于电感器 电流上升沿 中点的电流 样本。 在该模式下，中点 表示电源转换器中的 平均电流。 不过，在 DCM 模式 操作中，同一个 中点会高估开关周期 和电源转换器中的 平均电流。 那么，我们如何 在 DCM 模式下传感和 获取更准确的 平均电流表示呢？ 这正是我们要 设法解决的问题。 利用 UCD3138 控制器，能够 以过采样 模式和硬件 平均模式在前端块中 启用 EADC 硬件。 这允许控制器 在相同的开关 周期中最多 收集的数量 八倍于这些样本，然后 可以对其进行平均， 以实现对电源中 平均电流更准确的 估计。 使该控制器 具有此独特 功能的，是 器件内部 数字状态机硬件的 高速计算功能。 凭借 65 kHz 开关 转换器上八倍的 采样，采样率 将高于 500 kHz， 这允许计算 时间少于 2 微秒。 正如前面所述， UCD3138 中的数字 状态机硬件 能够实现 高达 2 MHz 的 开关频率。 现在，可以方便地 在功率因数校正 应用中应用 这个很好的 功能，以实现极低的 电流失真，并将 iTHD 降低高达 4%。 通过在 DCM 模式下 使用 8X 过采用功能， 控制器能够 在 DCM 模式下 获取更好的 平均电流表示， 然后可以将其与 控制器内的电流 命令进行匹配，以便在功率 因数校正转换器中实现 非常好的电流整形。 接下来，这里是另一个 有关控制器帮助您实现 更多功能的示例。 在这里，我们 将讨论称为 电源的即时 固件升级的东西。 它的意思是 在不实际关闭 电源的 情况下 在电源中支持 和使用新的固件。 器件中的 硬件状态机 独立于处理器运行， 对电源进行控制。 这意味着，如果 处理器忙于执行 其他任务，状态机 仍会很高地调节 和保护电源。 另一方面， 独立于处理器 运行的状态机 可以释放处理器 以执行专门的 内部管理功能， 例如这些功能。 使用同一产品 系列中的 UCD3138064 器件实现 即时固件升级。 该器件是双 内存条架构器件。 该器件的独特之处 在于，当一个内存条 正在执行 当前固件时， 可以同时向 另一个块中 写入新固件。 升级过程通过一系列 系统化步骤完成。 首先，ARM 处理器 在主块，即块 1 执行当前 固件并且 状态机 控制电源时 将新固件 写入 冗余块， 即块 2 中。 然后，ARM 处理器 运行完整性检查， 确保已正确 写入固件。 接下来，处理器 从块 1 登台到 块 2，进行 实时执行切换。 最后，当时序 正确并且 已经保存 变量后， 处理器 执行实时 切换，这允许 电源的固件 进行即时升级。 即时固件升级的 主要优点是，它可以 帮助 IT 服务供应商 在必须使用新固件 升级开关模式 电源以进行 性能升级或错误 修复时减少服务器 数据中心中的停机时间。 这里是直流到 直流谐振 LLC 转换器中的即时 固件升级功能演示。 固件升级 实际上 涉及 电源操作。 在这里，添加了 一个恒定功率 调节功能，以实现 过载电流保护。 转换器中的 旧电流保护 从当前电源 固件中基于 输出电流的 方案替换为 基于直流到 直流转换器的 初级侧电流的方案。 底部的图片 显示了 升级电源 固件后的波形。 使一个 GPIO 在固件 切换时进行切换， 很明显，电源的 输出电压和 转换器的 谐振电流 完全没受到干扰。 由于输出 电压下降， 新固件 开始生效的 证据非常 明显，因为 该切换是在 电源过载 情况下执行的。 由于原始固件没有 恒定功率功能， 因此它会继续在 输出电压处进行调节。 在新固件 下降时， 输出电压显示 恒定功率功能 已经生效。 总之，让我们 快速看一下 基于状态机的 控制器和基于 处理器的控制器 之间的主要差异。 电压和电流 反馈环路等 主要高速功能 由数字状态机 硬件进行控制。 在基于处理器的 器件中，运行在 处理器上的软件 控制所有环路。 在制定关键 决策时不需要 处理器干预， 并且不存在延迟。 在基于处理器的 解决方案中，强大的 处理器有时甚至 是协处理器的可用性 是要制定的 每个决策的核心。 在基于 状态机的 器件中，对不同 电源拓扑的 支持很简单地 依赖于器件内部 配备的硬件。 这允许 尝试为 他的项目 确定控制器的 设计人员快速 制定决策。 另一方面， 对于基于 处理器的器件， 电源设计人员 和前工程师 必须预先 进行详细 计算，以确保 选择的处理器 能够满足电源要求。 对于使用 足够的硬件 进行设计 以独立控制 三个环路并且 不需要资源 共享的 UCD3138 等器件，可能的 [听不清] 支持许多 电源拓扑存在。 对于通常具有 一个或两个 数据转换器和 一个具有已知 功能的处理器且基于 CPU 的器件，固件设计人员和 电源设计人员必须 再次执行详细的预先 决策制定过程。 对于执行 繁重的电源 控制功能的 状态机硬件， 处理器完全 可用于内部 管理、通信、遥测 和其他专门的功能。 另一方面， 处理器必须 在电源控制和 内部管理功能 之间共享。 固件开发 仅涉及针对 所需的电源拓扑 配置状态机硬件 以及使用运行在 MCU 上的软件构建 低速功能。 另一方面， 必须在软件中 构建所需的 所有功能，并且 应适当关注高速和 低速功能之间的时序 和优先级。 总之，对于任何 设计数字开关 模式电源的人员 而言，基于状态机的 可编程数字电源控制 器体现了固件开发的 简单性、降低的 进入壁垒和很短的 上市时间。 现在，我邀请 大家访问 TI.com 以查看今天 提供的有关 数字电源 控制器的 信息。 这包括产品 说明书、演示 由数字控制器 控制的电源的 完整功能评估 模块、讨论即时 固件升级的 视频以及 演示使用 该控件实现的 高速功能的文档。 这包括该有关 数字开关模式 电源的演示。 谢谢观看。
大家好！ 欢迎参加 本次演示， 我们将在本次演示中 讨论基于状态机架构的 控制器如何能够 简化开发数字 电源的过程。 这是议程。 我们将首先简短地 回顾一下电源执行的 不同任务，然后分析 以数字方式完成它们 所面临的挑战。 接下来，我们将 看看已经用于 实现电源的 不同类型的 控制器，并介绍 基于状态机的 器件架构与 以前使用的 其他方法相比 有什么不同。 然后，将详细介绍 和讨论德州仪器 (TI) 数字电源产品 组合提供的基于 状态机的控制器 UCD3138 器件。 将提供有关如何 能够使用独特的 增值功能 轻松实现 最常见的电源 拓扑的示例， 以演示 如何使用 状态机架构 简化数字电源。 让我们开始吧。 什么是电源？ 电源是一个 电子设备， 它连接到 能源并执行 为电子负载 提供经过良好 调节的电压、电流 或功率的任务。 例如，所讨论的 能源可能是 墙壁中的交流 电源插座，电源是 离线交流至 直流电源， 可为数据中心 提供经过调节的 直流电压。 再比如，能源 可能是电池， 电源是隔离式 直流至直流电信 模块，为电信网络 实现同样的功能。 接下来，如果 我们看看 电源内部发生的情况， 有两种基本的任务。 一方面，有基本的 电源控制任务， 这涉及到以安全的 方式为电子负载 提供经过调节的 电压、电流或功率。 另一方面，有内部 管理和系统通信 任务。 这些涉及到 热管理、风扇 速度控制、启用 特殊操作模式 以提高电源 在特殊 情况下的l 性能、遥测 以及与电源 外部的主机 MCU 进行通信 等功能。 现在可以将 先前介绍的 任务视作 高速或低速 功能，具体 取决于可供 电源控制器执行 这些任务的时间预算。 高速功能是 在现代电源 内部以几百 kHz 的频率 重复的 功能，因此 其时间预算 只有几微秒。 通常，这会是 电压调节，其中 涉及到 反馈环路 控制和 瞬态响应、 逐周期 保护以及 在电源的不同 状态之间进行 切换。 另一方面， 低速功能 具有几百毫秒或 更高的时间预算。 这些功能可能是 与主机、MCU 通信、 温度传感和风扇 速度控制以及 多个电源之间的 电流共享，这些 电源在同一个 系统中都是并联的。 这里要承认的 关键一点是， 电源控制器 承担着同时管理 不同电源功能的 繁重任务，每项 任务具有 不同的紧急 程度以及不同的 与其关联的时间预算。 在传统电源中， 先前介绍的 任务是使用专用 控制器进行管理的。 专用模拟电源 管理控制器 不可用于 管理所有 高速电源 功能，而通用 MCU 可用于内部 管理和系统 通信。 不过，对于 数字电源， 所追求的 目标是 拥有单个统一 数字电源控制器， 能够同时 管理这两种 功能，高速功能 和低速功能。 现在，让我们 后退一步， 看看电源控制器 架构的演变 过程。 在左侧，是 用于我们 刚才所说的 传统电源的 模拟控制器。 这些是简单的 器件，可用于 设计快速 上市的电源， 并提供高 电源带宽。 另一方面， 这些作为 特定于应用的 器件，趋向于 固定的功能，无法 用作用于实现不同 电源拓扑和架构的 平台解决方案。 此外，它们需要 很多外部组件， 用于实现专门的 功能和提供保护。 最后，正如我们 先前提到的， 它们需要 专用的通用 MCU，来实现 电源中所需的 所有内部管理 和通信功能。 对于数字 控制器， 我们可以在市场上 看到三种不同的产品。 右侧是 处理器 驱动的数字 控制器，其中 一个运行在 DSP 或高性能 MCU 上的软件 负责执行 电源的所有 高速和低速功能。 这些是非常 灵活的解决方案， 可用作用于 实现不同 控制架构的平台器件。 由于一切都是 在软件中实现的， 因此它们可用于支持 复杂的控制算法。 此外，提供 处理器 还有助于实现 内部管理和通信功能。 不过，因为 该软件必须 管理所有高速 和低速功能， 所以必须仔细地 设计该软件的架构。 这需要更多 开发工作。 第二，就提供 电源带宽而言， 处理器计算 带宽是最重要的 考虑因素， 更快的 处理器能够在 相同的时间内 执行更多的 时钟周期， 从而在实现更高的 电源带宽方面更有用。 中间是 称作硬件 实现的数字 电源控制器的 东西。 这些器件采用 专用的硬件 状态机来实现 高速电源功能。 这样做的 最大优势是 任何高速 功能都不 涉及处理器。 因此，处理器 计算功能 对电源带宽而言 不是一个问题。 就这些 基于 状态机硬件的 数字控制器而言， 有两种器件。 在左侧，我们有 这些不可编程 但可通过 GUI 进行配置的 固定功能器件。 这意味着 可以使用 GUI 来调节和微调 控制器的某些参数。 这些器件的 好处是电源 设计不 涉及任何 固件开发。 另一方面， 这些器件 具有固定的 功能，因此 不适用于平台 实现，此外，其中的 某些器件可能 包含一些通信 功能，它们 并不满足 大多数数字电源的 内部管理要求。 最后，我们 拥有基于 硬件状态机的 器件类别，它们 是完全可编程的， 并且还采用集成 MCU。 正如我们马上 要看到的，这些 器件配有某些 特定的硬件 电源外设，可以 轻松快速地 对其进行配置， 以实现不同的 电源拓扑和架构。 因此，它们是 灵活的器件。 它们可用作 平台解决方案。 在能够使用 这些器件方面 存在一个固件 开发要素，此时， 正如我们马上要看到的， 这主要涉及对某些 寄存器组进行 编程，作为基于 状态机的器件， 不存在电源带宽问题。 最后，由于提供了 集成 MCU，从而允许 电源设计 人员使用 该器件实现各种 内部管理功能。 另一方面， 就熟悉 该器件中的 硬件外设 而言，电源设计 人员涉及到一个 学习曲线。 第二，实现复杂 控制算法的 能力有点 受到器件 内部构建的 硬件外设的限制。 对于基于 处理器的 数字控制器的固件 开发任务，有一些需要 深入考虑的问题， 其中最重要的是， 是否为设计该具有 所述开关频率和带宽的 电源提供了 足够的计算能力？ 以用于设计具有 至少 20 kHz 带宽的 200 kHz 电源的 50Mps CPU 为例， 事实证明，仅有 大约 2.5 微秒 可用于在每个 开关周期中 需要完成的 关键补偿计算。 这意味着仅有 大约 125 条指令 可用于该功能。 那么，问题来了， 这足够吗？ 如果存在 嵌套循环 或独立控制环路， 需要使用双输出 电源进行控制， 那么事情会变得 更加复杂。 接下来的 问题是， 我是否应该 使用中断， 中断循环中 包含什么任务， 后台循环中 分配什么任务？ 然后，当需要 同时管理 多个时间 关键型任务时， 应该优先 考虑什么任务。 确定优先次序 绝对是必要的。 那么，器件架构中 有多少可用的 优先级？ 最后，最快的 功能可能 通常需要使用 汇编语言进行 编码，从而形成可由 处理器高效处理的 张紧线索。 因为较低级别的 编程注意事项，这将 面临进一步的挑战。 总之，开关 模式电源 硬件和固件设计 更加复杂地与 基于处理器的 控制器交织在一起。 固件开发 也变得 更多地涉及到 基于处理器的 数字控制器。 经过该讨论之后， 大家应该会 很清楚地看到， 具有集成 MCU 且 基于可编程状态机的 控制器类别拥有一些 独特的优势， 并且与其他 类别的数字 控制器相比， 显示出非常具有 吸引力的折衷。 那么，现在让我们 看看来自 TI 数字 电源产品组合的 一个器件，UCD3138， 它属于该类别。 这里显示的 是 UCD3138 数字 控制器的简化 高级别方框图。 该器件包含 两个部分。 上半部分表示 可编程硬件 状态机， 下半部分 表示通用 MCU。 正如前面所述， 该状态机 在不依赖 处理器的 情况下执行时间 关键型电源功能。 该状态机采用 支持升压 BFC、 谐振 LLC、 移相全桥、 硬件全桥、 降压等 最常见电源 拓扑的硬件 外设，以及其他 特殊功能，例如 峰值电流模式、 突发模式等。 在底部，有完全 可编程的 MCU，它 用于配置和 初始化状态机， 然后， 它主要 用于执行 电源的 内部管理、通信 和遥感功能。 话虽如此， 还为慢功率 因数校正、 电压环路 控制和电流 共享等所有 低速电源 功能提供了 MCU。 就优点而言， 该架构 最重要的优势是可以 轻松地进行固件开发。 为了对状态机 进行编程，设计 人员所要做的是， 熟悉器件中的 硬件外设， 然后为 特定的 寄存器 指定位值。 高速环路中 涉及的所有 补偿计算 都在高速 状态机 硬件中实现。 因此，无需 在低速功能 和高速功能之间 进行复杂的计算 资源时间分片。 第二个优点是， 该架构允许 设计人员开发 高带宽、高频率 数字电源。 凭借 CPU 的常规行 和较慢的固件决策， 有可能使用 硬件状态机 实现非常高 带宽的电源。 当开关周期 非常短时， 该优点在高频率 下变得更加明显和 引人注目，CPU 的 计算时间也是如此。 此外，当需要 同时控制 电压环路和电流 环路等多个环路时， 或者在电源中 存在多个输出 以及存在多个要控制的 功率级的情况下，该器件的 优点将 变得越来越 引人注目。 其他优点包括 器件通过硬件 状态机实现的 低功耗，以及 高级别的 系统集成， 因为没有一个器件 既能够控制电源， 又能够实现 内部管理和 通信功能。 总之，该架构 可以降低 开发人员开发数字 电源的进入壁垒， 并且能够 加快上市步伐。 现在，让我们 更深入地看看 UCD3138 器件的方框图。 左侧显示的 是从 UCD3138 产品说明书中 复制的器件 方框图的图片。 器件中的 状态机硬件 主要限于器件的 上半部分，位于 虚线的上方， 它包含用于 控制三个 同时运行的 反馈环路的硬件。 器件的底部是 通用微控制器， 它是 31.25 MHz 32 位 ARM7 控制器，它还采用 某些硬件组件， 例如快速模拟竞争电路。 现在，让我们放大， 看看硬件状态机 是如何用于同时 控制三个反馈环路的。 在 UCD3138 硬件 状态机中， 使用三个 基本组件 实现反馈 环路控制。 首先，有 前端块， 它是反馈电压 传感和标头生成 块。 接下来，有 数字补偿块， 它包含一个 2420 PID 样式补偿器。 最后，是 DPWM 或数字脉宽 调制器块，它负责 生成输出脉冲。 该块能够 实现脉冲 宽度调制、频率 调制甚至相移调制。 对于脉冲宽度 调制，该块的脉冲 分辨率是 250 皮秒，对于频率和 相位调制，其脉冲 分辨率是 4 纳秒。 利用这三个块， 可以控制单个 反馈环路，例如 电压环路或 电流环路。 在模拟控制器的 模拟世界中，前端 块将类似于 误差放大器。 数字补偿块 将非常类似于 具有补偿 网络中 使用的外部 R 和 C 的模拟控制器的 补偿引脚。 最后，DPWM 块 将类似于 模拟控制器中的 PWM 竞争电路。 UCD3138 中具有 三组这样的 基础环路控制块。 此外，还具有 第四个 DPWM 块， 用于生成 同步整流等 其他 控制信号。 接下来，在电源中， 将信号从一个控制 环路发送到另一个 控制环路是很常见的。 一个经典的示例是 平均电流模式控制， 其中外部电压环路 将命令信号发送到 内部电流环路。 为了实现 这些功能， UCD3138 器件具有 称为环路多路 复用器的硬件块， 它允许一个环路 嵌套在另一个环路内部。 最后，3138 中的 硬件状态机 还包含专用的 电源外设，用于 实现某些经常 需要的电源功能， 例如扬声器和 模式控制、恒定 功率恒定电流 调节和过载、 用于实现更佳 轻负载效率的 突发模式、启动期间 PWM 和 LLC 模式之间的 自动模式切换、 快速输入电压 前馈，等等。 接下来，让我们 深入地看一下 前端模块，它是 UCD3138 中的传感 和误差生成模块。 该块包含一个 接受来自电源的 反馈信号的 模拟差分 放大器，后跟一个 可调增益误差 放大器，其基准 由一个 DAC 进行驱动。 可通过 ARM7 微控制器 或电源中的不同 环路等各种输入源 对 DAC 进行编程。 在误差放大器 后面，有一个 速度极高的 ADC，它称为 误差 ADC 或误差 模数转换器， 执行将 放大器 输出处的模拟误差 信号数字化到 数字域中的任务。 值得注意的是， 在 UCD3138 器件中， 模拟域和数字域 之间的转换边界 在该 EADC 块处。 每个前端模块还 具有一个专用峰值 电流模式竞争 电路，其基准 由 DAC 进行驱动， 可通过该 DAC 实现 可编程慢补偿。 在每个前端模块中 提供了所有这些硬件 块。 请记住，UCD3138 器件中提供了 三个此类前端模块。 因此，UCD3138 器件 完全能够 独立控制三个 高速反馈环路。 此外，3138 器件中的 数字硬件能够 以高 速运行， 使其 可以支持 电源中高达 2 MHz 的开关频率。 现在转向方框图的 下半部分，让我们谈谈 该器件中的 保护硬件。 UCD3138 器件具有一组 高速模拟竞争 电路，共有七个， 它们可用于瞬时 关闭任何 DPWM 输出。 因此，这些竞争 电路可用于 逐周期 电流限制 等功能。 在这些竞争电路后面， 有一个称为故障 多路复用器的 高级故障管理块。 该块非常灵活， 具有从模拟 竞争电路、数字 竞争电路、外部 GPIO 等各种源 接受输入的功能， 并且能够启动 针对关闭任何 DPWM 模块的响应。 该块还具有 将某种滤波 添加到模拟 竞争电路的 输出的功能。 这是一种 数字滤波。 例如，故障最大块 可以从模拟竞争 电路之一 接受输入， 转到预先确定 数量的触发器， 然后启动对 DPWM 输出的响应。 这包括对 UCD3138 器件中硬件 状态机的介绍。 现在，让我们来谈谈 MCU。 正如前面所述， 该器件采用 32 位 ARM7 处理器， 通过编程闪存、 数据闪存、RAM 和 ROM 提供片上 存储器，还提供了 多个通信端口， 例如 UART、PMBus、 I-square-C 和 JTAG。 非常有趣的是， 该器件采用了 一个故障模数转换器。 为什么是故障？ 嗯，如果您回忆一下， 该器件采用了三个 前端模块，其中每个 前端模块具有一个 称为 EADC 的专用 高速误差模数转换器。 幻灯片中显示的 该模数转换器 是第四个模数 转换器，它是 速度较慢但 分辨率较高的块， 可用于 通用传感， 例如温度传感。 最后，该器件采用 其他常用的块， 开关计时器、采集 和电源监视器。 经过这些介绍 之后，让我们看看 如何使用 UCD3138 控制隔离式 直流到直流电源， 在本例中为移相 全桥转换器。 在初级侧， 有四个 全桥 MOSFET。 这里是电源 变压器和隔离边界、 次级侧上的 两个同步 MOSFET， 次级侧上 还有 US 器件， 使这成为次级侧 控制的数字电源的 一个示例。 为了调节 电源，会传感 输出电压 并将其呈现在 一个前端块中， 以进行电压环路调节。 同一信号 也会呈现到 一个模拟竞争电路中， 以进行过压保护。 对于电流环路， 使用电流互感器 传感初级侧 电流，并将其 呈现到第二个 前端块中，以实现 峰值电流 模式控制。 同一信号 也会呈现到 另一个模拟竞争 电路中，以实现 快速逐周期 过流保护。 最后，会传感 转换器中的 输出电流并 将其呈现到 第三个前端块中， 用于实现恒定 功率恒定 电流调节环路。 在电源在其 正常工作电流 范围之外运行， 从而导致超高 电压在基于输出 电流遇到过流 情况时回落 并最终关闭的 情况下，该环路生效。 同一信号 也会馈送到 ADC 输入中，以使用 ARM 处理器实现慢 电流共享功能。 此外，也可以 把同一输入 馈送到模拟 竞争电路中， 以基于该电源中的 过电流实现过电流 保护。 确定向哪些 硬件块呈现 哪些控制 信号后，对 数字控制器 进行编程 以控制该 电源的练习 就仅是按照 用于配置相应 寄存器的 方法进行操作， 以使用控制器 提供相应的功能。 就输出而言， DPWM 模块 2 和 3 用于控制 初级侧 MOSFET， 而 DPWM 模块 0 和 1 用于 控制次级侧上的 同步整流 MOSFET。 总之，这是一个 使用 UCD3138 控制器 通过状态机硬件 同时调节一个具有 几 kHz 带宽的 电压环路和 两个电流环路的示例。 此外，该器件中的 ARM 处理器现在 可用于使用 PMBus 或 I-square-C 与系统控制器 进行通信，以及 使用 UART 通过 隔离层与 控制路径 [听不清] 校正块的初级侧 数字控制器 进行通信。 接下来，让我们看看 如何使用控制器 来控制两相 交错式升压 功率因数校正 交流到直流转换器。 在本示例中， 感应交流线路 电压和直流 总线超高电压 并将其呈现在 ADC 的 输入上，这允许 ARM 处理器使用该信息 并将其进行数学计算， 以调节电压环路。 此外，电压 环路的一个 要素呈现到 硬件状态机中， 显示为电流环路的 一个命令信号。 使用电流和 互感器传感 电源中的 电流，并将其 呈现到两个 独立前端块中。 这允许独立使用 两个前端块和 两个硬件外设来 控制两个电流环路。 同一信号 也会呈现到 模拟竞争电路的 输入中，以提供 逐周期 电流保护。 就输出而言， 来自两个 DPWM 块的 输出信号 存在 180 度 相移，以控制 两个交错式 功率 MOSFET。 也可以选择使用 电流传感分流器 传感电感器电流， 并将其呈现到前端 模块，以使用状态机 硬件调节信号电流 回路。 当然，在该情况下， 您将无法选择 在两个电流 环路之间实现 良好的电流平衡。 总之，在本示例中， UCD 控制器控制 由状态机 硬件控制的 具有几 kHz 带宽的过快 电流环路。 此外，电流环路 嵌套在慢电压 环路内部，这有助于 实现平均电流模式控制。 当电压环路是 慢环路时，电流 环路通过硬件 实现，这通常 用于功率因数 校正转换器， 只能使用 ARM7 MCU 实现几十 赫兹的交叉频率。 因此，这是一个 可以使用 ARM7 控制器实现 慢电源功能的 示例。 让我们快速 查看第三个示例， 这是一个双输出 直流到直流转换器， 其中包含一个 可提供输出 之一的半桥 谐振 LLC 转换器， 后跟一个下游 降压转换器， 该转换器提供 第二个输出。 那么，在这里， 电源中的 控制器承担控制 两个功率级的任务， 一个是谐振 LLC， 另一个是降压功率级。 请记住， 这两种 功率级都能在 几百 kHz 的开关 频率下运行。 在本例中， LLC 转换器 由一个硬件 环路进行 控制，降压 转换器的 输出由另一个 硬件环路进行控制。 此外，由于提供了 第三个环路，因此 可以选择使用 分流器传感输出 电流，并实现恒定电流、 恒定功率、环路控制等 功能。 因此，在此示例中， 可以使用 UCD3138 器件的 状态机 硬件实现 几 kHz 和 几十 kHz 的 带宽和一个 电流环路。 这实际上是 一个提供支持 多个环路的 硬件以允许 单个数字电源控制器 管理整个电源的示例。 到目前为止， 我们已经 查看了控制器如何 用于实现常见的 电源。 现在，让我们看看 如何使用控制器 实现更多功能。 这里是一个有关 平均电流模式 控制的示例，其中 转换器根据负载 从 CCM 转到 DCM 操作。 在 CCM 操作期间， 位于电感器 电流上升沿 中点的电流 样本。 在该模式下，中点 表示电源转换器中的 平均电流。 不过，在 DCM 模式 操作中，同一个 中点会高估开关周期 和电源转换器中的 平均电流。 那么，我们如何 在 DCM 模式下传感和 获取更准确的 平均电流表示呢？ 这正是我们要 设法解决的问题。 利用 UCD3138 控制器，能够 以过采样 模式和硬件 平均模式在前端块中 启用 EADC 硬件。 这允许控制器 在相同的开关 周期中最多 收集的数量 八倍于这些样本，然后 可以对其进行平均， 以实现对电源中 平均电流更准确的 估计。 使该控制器 具有此独特 功能的，是 器件内部 数字状态机硬件的 高速计算功能。 凭借 65 kHz 开关 转换器上八倍的 采样，采样率 将高于 500 kHz， 这允许计算 时间少于 2 微秒。 正如前面所述， UCD3138 中的数字 状态机硬件 能够实现 高达 2 MHz 的 开关频率。 现在，可以方便地 在功率因数校正 应用中应用 这个很好的 功能，以实现极低的 电流失真，并将 iTHD 降低高达 4%。 通过在 DCM 模式下 使用 8X 过采用功能， 控制器能够 在 DCM 模式下 获取更好的 平均电流表示， 然后可以将其与 控制器内的电流 命令进行匹配，以便在功率 因数校正转换器中实现 非常好的电流整形。 接下来，这里是另一个 有关控制器帮助您实现 更多功能的示例。 在这里，我们 将讨论称为 电源的即时 固件升级的东西。 它的意思是 在不实际关闭 电源的 情况下 在电源中支持 和使用新的固件。 器件中的 硬件状态机 独立于处理器运行， 对电源进行控制。 这意味着，如果 处理器忙于执行 其他任务，状态机 仍会很高地调节 和保护电源。 另一方面， 独立于处理器 运行的状态机 可以释放处理器 以执行专门的 内部管理功能， 例如这些功能。 使用同一产品 系列中的 UCD3138064 器件实现 即时固件升级。 该器件是双 内存条架构器件。 该器件的独特之处 在于，当一个内存条 正在执行 当前固件时， 可以同时向 另一个块中 写入新固件。 升级过程通过一系列 系统化步骤完成。 首先，ARM 处理器 在主块，即块 1 执行当前 固件并且 状态机 控制电源时 将新固件 写入 冗余块， 即块 2 中。 然后，ARM 处理器 运行完整性检查， 确保已正确 写入固件。 接下来，处理器 从块 1 登台到 块 2，进行 实时执行切换。 最后，当时序 正确并且 已经保存 变量后， 处理器 执行实时 切换，这允许 电源的固件 进行即时升级。 即时固件升级的 主要优点是，它可以 帮助 IT 服务供应商 在必须使用新固件 升级开关模式 电源以进行 性能升级或错误 修复时减少服务器 数据中心中的停机时间。 这里是直流到 直流谐振 LLC 转换器中的即时 固件升级功能演示。 固件升级 实际上 涉及 电源操作。 在这里，添加了 一个恒定功率 调节功能，以实现 过载电流保护。 转换器中的 旧电流保护 从当前电源 固件中基于 输出电流的 方案替换为 基于直流到 直流转换器的 初级侧电流的方案。 底部的图片 显示了 升级电源 固件后的波形。 使一个 GPIO 在固件 切换时进行切换， 很明显，电源的 输出电压和 转换器的 谐振电流 完全没受到干扰。 由于输出 电压下降， 新固件 开始生效的 证据非常 明显，因为 该切换是在 电源过载 情况下执行的。 由于原始固件没有 恒定功率功能， 因此它会继续在 输出电压处进行调节。 在新固件 下降时， 输出电压显示 恒定功率功能 已经生效。 总之，让我们 快速看一下 基于状态机的 控制器和基于 处理器的控制器 之间的主要差异。 电压和电流 反馈环路等 主要高速功能 由数字状态机 硬件进行控制。 在基于处理器的 器件中，运行在 处理器上的软件 控制所有环路。 在制定关键 决策时不需要 处理器干预， 并且不存在延迟。 在基于处理器的 解决方案中，强大的 处理器有时甚至 是协处理器的可用性 是要制定的 每个决策的核心。 在基于 状态机的 器件中，对不同 电源拓扑的 支持很简单地 依赖于器件内部 配备的硬件。 这允许 尝试为 他的项目 确定控制器的 设计人员快速 制定决策。 另一方面， 对于基于 处理器的器件， 电源设计人员 和前工程师 必须预先 进行详细 计算，以确保 选择的处理器 能够满足电源要求。 对于使用 足够的硬件 进行设计 以独立控制 三个环路并且 不需要资源 共享的 UCD3138 等器件，可能的 [听不清] 支持许多 电源拓扑存在。 对于通常具有 一个或两个 数据转换器和 一个具有已知 功能的处理器且基于 CPU 的器件，固件设计人员和 电源设计人员必须 再次执行详细的预先 决策制定过程。 对于执行 繁重的电源 控制功能的 状态机硬件， 处理器完全 可用于内部 管理、通信、遥测 和其他专门的功能。 另一方面， 处理器必须 在电源控制和 内部管理功能 之间共享。 固件开发 仅涉及针对 所需的电源拓扑 配置状态机硬件 以及使用运行在 MCU 上的软件构建 低速功能。 另一方面， 必须在软件中 构建所需的 所有功能，并且 应适当关注高速和 低速功能之间的时序 和优先级。 总之，对于任何 设计数字开关 模式电源的人员 而言，基于状态机的 可编程数字电源控制 器体现了固件开发的 简单性、降低的 进入壁垒和很短的 上市时间。 现在，我邀请 大家访问 TI.com 以查看今天 提供的有关 数字电源 控制器的 信息。 这包括产品 说明书、演示 由数字控制器 控制的电源的 完整功能评估 模块、讨论即时 固件升级的 视频以及 演示使用 该控件实现的 高速功能的文档。 这包括该有关 数字开关模式 电源的演示。 谢谢观看。
大家好！
欢迎参加 本次演示，
我们将在本次演示中 讨论基于状态机架构的
控制器如何能够 简化开发数字
电源的过程。
这是议程。
我们将首先简短地 回顾一下电源执行的
不同任务，然后分析 以数字方式完成它们
所面临的挑战。
接下来，我们将 看看已经用于
实现电源的 不同类型的
控制器，并介绍 基于状态机的
器件架构与 以前使用的
其他方法相比 有什么不同。
然后，将详细介绍 和讨论德州仪器 (TI)
数字电源产品 组合提供的基于
状态机的控制器 UCD3138 器件。
将提供有关如何 能够使用独特的
增值功能 轻松实现
最常见的电源 拓扑的示例，
以演示 如何使用
状态机架构 简化数字电源。
让我们开始吧。
什么是电源？
电源是一个 电子设备，
它连接到 能源并执行
为电子负载 提供经过良好
调节的电压、电流 或功率的任务。
例如，所讨论的 能源可能是
墙壁中的交流 电源插座，电源是
离线交流至 直流电源，
可为数据中心 提供经过调节的
直流电压。
再比如，能源 可能是电池，
电源是隔离式 直流至直流电信
模块，为电信网络 实现同样的功能。
接下来，如果 我们看看
电源内部发生的情况， 有两种基本的任务。
一方面，有基本的 电源控制任务，
这涉及到以安全的 方式为电子负载
提供经过调节的 电压、电流或功率。
另一方面，有内部 管理和系统通信
任务。
这些涉及到 热管理、风扇
速度控制、启用 特殊操作模式
以提高电源 在特殊
情况下的l 性能、遥测
以及与电源 外部的主机
MCU 进行通信 等功能。
现在可以将 先前介绍的
任务视作 高速或低速
功能，具体 取决于可供
电源控制器执行 这些任务的时间预算。
高速功能是 在现代电源
内部以几百 kHz 的频率
重复的 功能，因此
其时间预算 只有几微秒。
通常，这会是 电压调节，其中
涉及到 反馈环路
控制和 瞬态响应、
逐周期 保护以及
在电源的不同 状态之间进行
切换。
另一方面， 低速功能
具有几百毫秒或 更高的时间预算。
这些功能可能是 与主机、MCU 通信、
温度传感和风扇 速度控制以及
多个电源之间的 电流共享，这些
电源在同一个 系统中都是并联的。
这里要承认的 关键一点是，
电源控制器 承担着同时管理
不同电源功能的 繁重任务，每项
任务具有 不同的紧急
程度以及不同的 与其关联的时间预算。
在传统电源中， 先前介绍的
任务是使用专用 控制器进行管理的。
专用模拟电源 管理控制器
不可用于 管理所有
高速电源 功能，而通用
MCU 可用于内部 管理和系统
通信。
不过，对于 数字电源，
所追求的 目标是
拥有单个统一 数字电源控制器，
能够同时 管理这两种
功能，高速功能 和低速功能。
现在，让我们 后退一步，
看看电源控制器 架构的演变
过程。
在左侧，是 用于我们
刚才所说的 传统电源的
模拟控制器。
这些是简单的 器件，可用于
设计快速 上市的电源，
并提供高 电源带宽。
另一方面， 这些作为
特定于应用的 器件，趋向于
固定的功能，无法 用作用于实现不同
电源拓扑和架构的 平台解决方案。
此外，它们需要 很多外部组件，
用于实现专门的 功能和提供保护。
最后，正如我们 先前提到的，
它们需要 专用的通用
MCU，来实现 电源中所需的
所有内部管理 和通信功能。
对于数字 控制器，
我们可以在市场上 看到三种不同的产品。
右侧是 处理器
驱动的数字 控制器，其中
一个运行在 DSP 或高性能
MCU 上的软件 负责执行
电源的所有 高速和低速功能。
这些是非常 灵活的解决方案，
可用作用于 实现不同
控制架构的平台器件。
由于一切都是 在软件中实现的，
因此它们可用于支持 复杂的控制算法。
此外，提供 处理器
还有助于实现 内部管理和通信功能。
不过，因为 该软件必须
管理所有高速 和低速功能，
所以必须仔细地 设计该软件的架构。
这需要更多 开发工作。
第二，就提供 电源带宽而言，
处理器计算 带宽是最重要的
考虑因素， 更快的
处理器能够在 相同的时间内
执行更多的 时钟周期，
从而在实现更高的 电源带宽方面更有用。
中间是 称作硬件
实现的数字 电源控制器的
东西。
这些器件采用 专用的硬件
状态机来实现 高速电源功能。
这样做的 最大优势是
任何高速 功能都不
涉及处理器。
因此，处理器 计算功能
对电源带宽而言 不是一个问题。
就这些 基于
状态机硬件的 数字控制器而言，
有两种器件。
在左侧，我们有 这些不可编程
但可通过 GUI 进行配置的
固定功能器件。
这意味着 可以使用
GUI 来调节和微调 控制器的某些参数。
这些器件的 好处是电源
设计不 涉及任何
固件开发。
另一方面， 这些器件
具有固定的 功能，因此
不适用于平台 实现，此外，其中的
某些器件可能 包含一些通信
功能，它们 并不满足
大多数数字电源的 内部管理要求。
最后，我们 拥有基于
硬件状态机的 器件类别，它们
是完全可编程的， 并且还采用集成 MCU。
正如我们马上 要看到的，这些
器件配有某些 特定的硬件
电源外设，可以 轻松快速地
对其进行配置， 以实现不同的
电源拓扑和架构。
因此，它们是 灵活的器件。
它们可用作 平台解决方案。
在能够使用 这些器件方面
存在一个固件 开发要素，此时，
正如我们马上要看到的， 这主要涉及对某些
寄存器组进行 编程，作为基于
状态机的器件， 不存在电源带宽问题。
最后，由于提供了 集成 MCU，从而允许
电源设计 人员使用
该器件实现各种 内部管理功能。
另一方面， 就熟悉
该器件中的 硬件外设
而言，电源设计 人员涉及到一个
学习曲线。
第二，实现复杂 控制算法的
能力有点 受到器件
内部构建的 硬件外设的限制。
对于基于 处理器的
数字控制器的固件 开发任务，有一些需要
深入考虑的问题， 其中最重要的是，
是否为设计该具有 所述开关频率和带宽的
电源提供了 足够的计算能力？
以用于设计具有 至少 20 kHz 带宽的
200 kHz 电源的 50Mps CPU 为例，
事实证明，仅有 大约 2.5 微秒
可用于在每个 开关周期中
需要完成的 关键补偿计算。
这意味着仅有 大约 125 条指令
可用于该功能。
那么，问题来了， 这足够吗？
如果存在 嵌套循环
或独立控制环路， 需要使用双输出
电源进行控制， 那么事情会变得
更加复杂。
接下来的 问题是，
我是否应该 使用中断，
中断循环中 包含什么任务，
后台循环中 分配什么任务？
然后，当需要 同时管理
多个时间 关键型任务时，
应该优先 考虑什么任务。
确定优先次序 绝对是必要的。
那么，器件架构中 有多少可用的
优先级？
最后，最快的 功能可能
通常需要使用 汇编语言进行
编码，从而形成可由 处理器高效处理的
张紧线索。
因为较低级别的 编程注意事项，这将
面临进一步的挑战。
总之，开关 模式电源
硬件和固件设计 更加复杂地与
基于处理器的 控制器交织在一起。
固件开发 也变得
更多地涉及到 基于处理器的
数字控制器。
经过该讨论之后， 大家应该会
很清楚地看到， 具有集成 MCU 且
基于可编程状态机的 控制器类别拥有一些
独特的优势， 并且与其他
类别的数字 控制器相比，
显示出非常具有 吸引力的折衷。
那么，现在让我们 看看来自 TI 数字
电源产品组合的 一个器件，UCD3138，
它属于该类别。
这里显示的 是 UCD3138 数字
控制器的简化 高级别方框图。
该器件包含 两个部分。
上半部分表示 可编程硬件
状态机， 下半部分
表示通用 MCU。
正如前面所述， 该状态机
在不依赖 处理器的
情况下执行时间 关键型电源功能。
该状态机采用 支持升压 BFC、
谐振 LLC、 移相全桥、
硬件全桥、 降压等
最常见电源 拓扑的硬件
外设，以及其他 特殊功能，例如
峰值电流模式、 突发模式等。
在底部，有完全 可编程的 MCU，它
用于配置和 初始化状态机，
然后， 它主要
用于执行 电源的
内部管理、通信 和遥感功能。
话虽如此， 还为慢功率
因数校正、 电压环路
控制和电流 共享等所有
低速电源 功能提供了 MCU。
就优点而言， 该架构
最重要的优势是可以 轻松地进行固件开发。
为了对状态机 进行编程，设计
人员所要做的是， 熟悉器件中的
硬件外设， 然后为
特定的 寄存器
指定位值。
高速环路中 涉及的所有
补偿计算 都在高速
状态机 硬件中实现。
因此，无需 在低速功能
和高速功能之间 进行复杂的计算
资源时间分片。
第二个优点是， 该架构允许
设计人员开发 高带宽、高频率
数字电源。
凭借 CPU 的常规行 和较慢的固件决策，
有可能使用 硬件状态机
实现非常高 带宽的电源。
当开关周期 非常短时，
该优点在高频率 下变得更加明显和
引人注目，CPU 的 计算时间也是如此。
此外，当需要 同时控制
电压环路和电流 环路等多个环路时，
或者在电源中 存在多个输出
以及存在多个要控制的 功率级的情况下，该器件的
优点将 变得越来越
引人注目。
其他优点包括 器件通过硬件
状态机实现的 低功耗，以及
高级别的 系统集成，
因为没有一个器件 既能够控制电源，
又能够实现 内部管理和
通信功能。
总之，该架构 可以降低
开发人员开发数字 电源的进入壁垒，
并且能够 加快上市步伐。
现在，让我们 更深入地看看
UCD3138 器件的方框图。
左侧显示的 是从 UCD3138
产品说明书中 复制的器件
方框图的图片。
器件中的 状态机硬件
主要限于器件的 上半部分，位于
虚线的上方， 它包含用于
控制三个 同时运行的
反馈环路的硬件。
器件的底部是 通用微控制器，
它是 31.25 MHz 32 位 ARM7
控制器，它还采用 某些硬件组件，
例如快速模拟竞争电路。
现在，让我们放大， 看看硬件状态机
是如何用于同时 控制三个反馈环路的。
在 UCD3138 硬件 状态机中，
使用三个 基本组件
实现反馈 环路控制。
首先，有 前端块，
它是反馈电压 传感和标头生成
块。
接下来，有 数字补偿块，
它包含一个 2420 PID 样式补偿器。
最后，是 DPWM 或数字脉宽
调制器块，它负责 生成输出脉冲。
该块能够 实现脉冲
宽度调制、频率 调制甚至相移调制。
对于脉冲宽度 调制，该块的脉冲
分辨率是 250 皮秒，对于频率和
相位调制，其脉冲 分辨率是 4 纳秒。
利用这三个块， 可以控制单个
反馈环路，例如 电压环路或
电流环路。
在模拟控制器的 模拟世界中，前端
块将类似于 误差放大器。
数字补偿块 将非常类似于
具有补偿 网络中
使用的外部 R 和 C 的模拟控制器的
补偿引脚。
最后，DPWM 块 将类似于
模拟控制器中的 PWM 竞争电路。
UCD3138 中具有 三组这样的
基础环路控制块。
此外，还具有 第四个 DPWM 块，
用于生成 同步整流等
其他 控制信号。
接下来，在电源中， 将信号从一个控制
环路发送到另一个 控制环路是很常见的。
一个经典的示例是 平均电流模式控制，
其中外部电压环路 将命令信号发送到
内部电流环路。
为了实现 这些功能，
UCD3138 器件具有 称为环路多路
复用器的硬件块， 它允许一个环路
嵌套在另一个环路内部。
最后，3138 中的 硬件状态机
还包含专用的 电源外设，用于
实现某些经常 需要的电源功能，
例如扬声器和 模式控制、恒定
功率恒定电流 调节和过载、
用于实现更佳 轻负载效率的
突发模式、启动期间 PWM 和 LLC 模式之间的
自动模式切换、 快速输入电压
前馈，等等。
接下来，让我们 深入地看一下
前端模块，它是 UCD3138 中的传感
和误差生成模块。
该块包含一个 接受来自电源的
反馈信号的 模拟差分
放大器，后跟一个 可调增益误差
放大器，其基准 由一个 DAC 进行驱动。
可通过 ARM7 微控制器
或电源中的不同 环路等各种输入源
对 DAC 进行编程。
在误差放大器 后面，有一个
速度极高的 ADC，它称为
误差 ADC 或误差 模数转换器，
执行将 放大器
输出处的模拟误差 信号数字化到
数字域中的任务。
值得注意的是， 在 UCD3138 器件中，
模拟域和数字域 之间的转换边界
在该 EADC 块处。
每个前端模块还 具有一个专用峰值
电流模式竞争 电路，其基准
由 DAC 进行驱动， 可通过该 DAC 实现
可编程慢补偿。
在每个前端模块中 提供了所有这些硬件
块。
请记住，UCD3138 器件中提供了
三个此类前端模块。
因此，UCD3138 器件 完全能够
独立控制三个 高速反馈环路。
此外，3138 器件中的 数字硬件能够
以高 速运行，
使其 可以支持
电源中高达 2 MHz 的开关频率。
现在转向方框图的 下半部分，让我们谈谈
该器件中的 保护硬件。
UCD3138 器件具有一组 高速模拟竞争
电路，共有七个， 它们可用于瞬时
关闭任何 DPWM 输出。
因此，这些竞争 电路可用于
逐周期 电流限制
等功能。
在这些竞争电路后面， 有一个称为故障
多路复用器的 高级故障管理块。
该块非常灵活， 具有从模拟
竞争电路、数字 竞争电路、外部
GPIO 等各种源 接受输入的功能，
并且能够启动 针对关闭任何
DPWM 模块的响应。
该块还具有 将某种滤波
添加到模拟 竞争电路的
输出的功能。
这是一种 数字滤波。
例如，故障最大块 可以从模拟竞争
电路之一 接受输入，
转到预先确定 数量的触发器，
然后启动对 DPWM 输出的响应。
这包括对 UCD3138 器件中硬件
状态机的介绍。
现在，让我们来谈谈 MCU。
正如前面所述， 该器件采用
32 位 ARM7 处理器， 通过编程闪存、
数据闪存、RAM 和 ROM 提供片上
存储器，还提供了 多个通信端口，
例如 UART、PMBus、 I-square-C 和 JTAG。
非常有趣的是， 该器件采用了
一个故障模数转换器。
为什么是故障？
嗯，如果您回忆一下， 该器件采用了三个
前端模块，其中每个 前端模块具有一个
称为 EADC 的专用 高速误差模数转换器。
幻灯片中显示的 该模数转换器
是第四个模数 转换器，它是
速度较慢但 分辨率较高的块，
可用于 通用传感，
例如温度传感。
最后，该器件采用 其他常用的块，
开关计时器、采集 和电源监视器。
经过这些介绍 之后，让我们看看
如何使用 UCD3138 控制隔离式
直流到直流电源， 在本例中为移相
全桥转换器。
在初级侧， 有四个
全桥 MOSFET。
这里是电源 变压器和隔离边界、
次级侧上的 两个同步 MOSFET，
次级侧上 还有 US 器件，
使这成为次级侧 控制的数字电源的
一个示例。
为了调节 电源，会传感
输出电压 并将其呈现在
一个前端块中， 以进行电压环路调节。
同一信号 也会呈现到
一个模拟竞争电路中， 以进行过压保护。
对于电流环路， 使用电流互感器
传感初级侧 电流，并将其
呈现到第二个 前端块中，以实现
峰值电流 模式控制。
同一信号 也会呈现到
另一个模拟竞争 电路中，以实现
快速逐周期 过流保护。
最后，会传感 转换器中的
输出电流并 将其呈现到
第三个前端块中， 用于实现恒定
功率恒定 电流调节环路。
在电源在其 正常工作电流
范围之外运行， 从而导致超高
电压在基于输出 电流遇到过流
情况时回落 并最终关闭的
情况下，该环路生效。
同一信号 也会馈送到
ADC 输入中，以使用 ARM 处理器实现慢
电流共享功能。
此外，也可以 把同一输入
馈送到模拟 竞争电路中，
以基于该电源中的 过电流实现过电流
保护。
确定向哪些 硬件块呈现
哪些控制 信号后，对
数字控制器 进行编程
以控制该 电源的练习
就仅是按照 用于配置相应
寄存器的 方法进行操作，
以使用控制器 提供相应的功能。
就输出而言， DPWM 模块 2 和
3 用于控制 初级侧 MOSFET，
而 DPWM 模块 0 和 1 用于
控制次级侧上的 同步整流
MOSFET。
总之，这是一个 使用 UCD3138 控制器
通过状态机硬件 同时调节一个具有
几 kHz 带宽的 电压环路和
两个电流环路的示例。
此外，该器件中的 ARM 处理器现在
可用于使用 PMBus 或 I-square-C
与系统控制器 进行通信，以及
使用 UART 通过 隔离层与
控制路径 [听不清] 校正块的初级侧
数字控制器 进行通信。
接下来，让我们看看 如何使用控制器
来控制两相 交错式升压
功率因数校正 交流到直流转换器。
在本示例中， 感应交流线路
电压和直流 总线超高电压
并将其呈现在 ADC 的 输入上，这允许 ARM
处理器使用该信息 并将其进行数学计算，
以调节电压环路。
此外，电压 环路的一个
要素呈现到 硬件状态机中，
显示为电流环路的 一个命令信号。
使用电流和 互感器传感
电源中的 电流，并将其
呈现到两个 独立前端块中。
这允许独立使用 两个前端块和
两个硬件外设来 控制两个电流环路。
同一信号 也会呈现到
模拟竞争电路的 输入中，以提供
逐周期 电流保护。
就输出而言， 来自两个 DPWM 块的
输出信号 存在 180 度
相移，以控制 两个交错式
功率 MOSFET。
也可以选择使用 电流传感分流器
传感电感器电流， 并将其呈现到前端
模块，以使用状态机 硬件调节信号电流
回路。
当然，在该情况下， 您将无法选择
在两个电流 环路之间实现
良好的电流平衡。
总之，在本示例中， UCD 控制器控制
由状态机 硬件控制的
具有几 kHz 带宽的过快
电流环路。
此外，电流环路 嵌套在慢电压
环路内部，这有助于 实现平均电流模式控制。
当电压环路是 慢环路时，电流
环路通过硬件 实现，这通常
用于功率因数 校正转换器，
只能使用 ARM7 MCU 实现几十
赫兹的交叉频率。
因此，这是一个 可以使用 ARM7
控制器实现 慢电源功能的
示例。
让我们快速 查看第三个示例，
这是一个双输出 直流到直流转换器，
其中包含一个 可提供输出
之一的半桥 谐振 LLC 转换器，
后跟一个下游 降压转换器，
该转换器提供 第二个输出。
那么，在这里， 电源中的
控制器承担控制 两个功率级的任务，
一个是谐振 LLC， 另一个是降压功率级。
请记住， 这两种
功率级都能在 几百 kHz 的开关
频率下运行。
在本例中， LLC 转换器
由一个硬件 环路进行
控制，降压 转换器的
输出由另一个 硬件环路进行控制。
此外，由于提供了 第三个环路，因此
可以选择使用 分流器传感输出
电流，并实现恒定电流、 恒定功率、环路控制等
功能。
因此，在此示例中， 可以使用 UCD3138
器件的 状态机
硬件实现 几 kHz 和
几十 kHz 的 带宽和一个
电流环路。
这实际上是 一个提供支持
多个环路的 硬件以允许
单个数字电源控制器 管理整个电源的示例。
到目前为止， 我们已经
查看了控制器如何 用于实现常见的
电源。
现在，让我们看看 如何使用控制器
实现更多功能。
这里是一个有关 平均电流模式
控制的示例，其中 转换器根据负载
从 CCM 转到 DCM 操作。
在 CCM 操作期间， 位于电感器
电流上升沿 中点的电流
样本。
在该模式下，中点 表示电源转换器中的
平均电流。
不过，在 DCM 模式 操作中，同一个
中点会高估开关周期 和电源转换器中的
平均电流。
那么，我们如何 在 DCM 模式下传感和
获取更准确的 平均电流表示呢？
这正是我们要 设法解决的问题。
利用 UCD3138 控制器，能够
以过采样 模式和硬件
平均模式在前端块中 启用 EADC 硬件。
这允许控制器 在相同的开关
周期中最多 收集的数量
八倍于这些样本，然后 可以对其进行平均，
以实现对电源中 平均电流更准确的
估计。
使该控制器 具有此独特
功能的，是 器件内部
数字状态机硬件的 高速计算功能。
凭借 65 kHz 开关 转换器上八倍的
采样，采样率 将高于 500 kHz，
这允许计算 时间少于 2 微秒。
正如前面所述， UCD3138 中的数字
状态机硬件 能够实现
高达 2 MHz 的 开关频率。
现在，可以方便地 在功率因数校正
应用中应用 这个很好的
功能，以实现极低的 电流失真，并将 iTHD
降低高达 4%。
通过在 DCM 模式下 使用 8X 过采用功能，
控制器能够 在 DCM 模式下
获取更好的 平均电流表示，
然后可以将其与 控制器内的电流
命令进行匹配，以便在功率 因数校正转换器中实现
非常好的电流整形。
接下来，这里是另一个 有关控制器帮助您实现
更多功能的示例。
在这里，我们 将讨论称为
电源的即时 固件升级的东西。
它的意思是 在不实际关闭
电源的 情况下
在电源中支持 和使用新的固件。
器件中的 硬件状态机
独立于处理器运行， 对电源进行控制。
这意味着，如果 处理器忙于执行
其他任务，状态机 仍会很高地调节
和保护电源。
另一方面， 独立于处理器
运行的状态机 可以释放处理器
以执行专门的 内部管理功能，
例如这些功能。
使用同一产品 系列中的 UCD3138064
器件实现 即时固件升级。
该器件是双 内存条架构器件。
该器件的独特之处 在于，当一个内存条
正在执行 当前固件时，
可以同时向 另一个块中
写入新固件。
升级过程通过一系列 系统化步骤完成。
首先，ARM 处理器 在主块，即块 1
执行当前 固件并且
状态机 控制电源时
将新固件 写入
冗余块， 即块 2 中。
然后，ARM 处理器 运行完整性检查，
确保已正确 写入固件。
接下来，处理器 从块 1 登台到
块 2，进行 实时执行切换。
最后，当时序 正确并且
已经保存 变量后，
处理器 执行实时
切换，这允许 电源的固件
进行即时升级。
即时固件升级的 主要优点是，它可以
帮助 IT 服务供应商 在必须使用新固件
升级开关模式 电源以进行
性能升级或错误 修复时减少服务器
数据中心中的停机时间。
这里是直流到 直流谐振 LLC
转换器中的即时 固件升级功能演示。
固件升级 实际上
涉及 电源操作。
在这里，添加了 一个恒定功率
调节功能，以实现 过载电流保护。
转换器中的 旧电流保护
从当前电源 固件中基于
输出电流的 方案替换为
基于直流到 直流转换器的
初级侧电流的方案。
底部的图片 显示了
升级电源 固件后的波形。
使一个 GPIO 在固件 切换时进行切换，
很明显，电源的 输出电压和
转换器的 谐振电流
完全没受到干扰。
由于输出 电压下降，
新固件 开始生效的
证据非常 明显，因为
该切换是在 电源过载
情况下执行的。
由于原始固件没有 恒定功率功能，
因此它会继续在 输出电压处进行调节。
在新固件 下降时，
输出电压显示 恒定功率功能
已经生效。
总之，让我们 快速看一下
基于状态机的 控制器和基于
处理器的控制器 之间的主要差异。
电压和电流 反馈环路等
主要高速功能 由数字状态机
硬件进行控制。
在基于处理器的 器件中，运行在
处理器上的软件 控制所有环路。
在制定关键 决策时不需要
处理器干预， 并且不存在延迟。
在基于处理器的 解决方案中，强大的
处理器有时甚至 是协处理器的可用性
是要制定的 每个决策的核心。
在基于 状态机的
器件中，对不同 电源拓扑的
支持很简单地 依赖于器件内部
配备的硬件。
这允许 尝试为
他的项目 确定控制器的
设计人员快速 制定决策。
另一方面， 对于基于
处理器的器件， 电源设计人员
和前工程师 必须预先
进行详细 计算，以确保
选择的处理器 能够满足电源要求。
对于使用 足够的硬件
进行设计 以独立控制
三个环路并且 不需要资源
共享的 UCD3138 等器件，可能的
[听不清] 支持许多 电源拓扑存在。
对于通常具有 一个或两个
数据转换器和 一个具有已知
功能的处理器且基于 CPU 的器件，固件设计人员和
电源设计人员必须 再次执行详细的预先
决策制定过程。
对于执行 繁重的电源
控制功能的 状态机硬件，
处理器完全 可用于内部
管理、通信、遥测 和其他专门的功能。
另一方面， 处理器必须
在电源控制和 内部管理功能
之间共享。
固件开发 仅涉及针对
所需的电源拓扑 配置状态机硬件
以及使用运行在 MCU 上的软件构建
低速功能。
另一方面， 必须在软件中
构建所需的 所有功能，并且
应适当关注高速和 低速功能之间的时序
和优先级。
总之，对于任何 设计数字开关
模式电源的人员 而言，基于状态机的
可编程数字电源控制 器体现了固件开发的
简单性、降低的 进入壁垒和很短的
上市时间。
现在，我邀请 大家访问 TI.com
以查看今天 提供的有关
数字电源 控制器的
信息。
这包括产品 说明书、演示
由数字控制器 控制的电源的
完整功能评估 模块、讨论即时
固件升级的 视频以及
演示使用 该控件实现的
高速功能的文档。
这包括该有关 数字开关模式
电源的演示。
谢谢观看。
大家好！ 欢迎参加 本次演示， 我们将在本次演示中 讨论基于状态机架构的 控制器如何能够 简化开发数字 电源的过程。 这是议程。 我们将首先简短地 回顾一下电源执行的 不同任务，然后分析 以数字方式完成它们 所面临的挑战。 接下来，我们将 看看已经用于 实现电源的 不同类型的 控制器，并介绍 基于状态机的 器件架构与 以前使用的 其他方法相比 有什么不同。 然后，将详细介绍 和讨论德州仪器 (TI) 数字电源产品 组合提供的基于 状态机的控制器 UCD3138 器件。 将提供有关如何 能够使用独特的 增值功能 轻松实现 最常见的电源 拓扑的示例， 以演示 如何使用 状态机架构 简化数字电源。 让我们开始吧。 什么是电源？ 电源是一个 电子设备， 它连接到 能源并执行 为电子负载 提供经过良好 调节的电压、电流 或功率的任务。 例如，所讨论的 能源可能是 墙壁中的交流 电源插座，电源是 离线交流至 直流电源， 可为数据中心 提供经过调节的 直流电压。 再比如，能源 可能是电池， 电源是隔离式 直流至直流电信 模块，为电信网络 实现同样的功能。 接下来，如果 我们看看 电源内部发生的情况， 有两种基本的任务。 一方面，有基本的 电源控制任务， 这涉及到以安全的 方式为电子负载 提供经过调节的 电压、电流或功率。 另一方面，有内部 管理和系统通信 任务。 这些涉及到 热管理、风扇 速度控制、启用 特殊操作模式 以提高电源 在特殊 情况下的l 性能、遥测 以及与电源 外部的主机 MCU 进行通信 等功能。 现在可以将 先前介绍的 任务视作 高速或低速 功能，具体 取决于可供 电源控制器执行 这些任务的时间预算。 高速功能是 在现代电源 内部以几百 kHz 的频率 重复的 功能，因此 其时间预算 只有几微秒。 通常，这会是 电压调节，其中 涉及到 反馈环路 控制和 瞬态响应、 逐周期 保护以及 在电源的不同 状态之间进行 切换。 另一方面， 低速功能 具有几百毫秒或 更高的时间预算。 这些功能可能是 与主机、MCU 通信、 温度传感和风扇 速度控制以及 多个电源之间的 电流共享，这些 电源在同一个 系统中都是并联的。 这里要承认的 关键一点是， 电源控制器 承担着同时管理 不同电源功能的 繁重任务，每项 任务具有 不同的紧急 程度以及不同的 与其关联的时间预算。 在传统电源中， 先前介绍的 任务是使用专用 控制器进行管理的。 专用模拟电源 管理控制器 不可用于 管理所有 高速电源 功能，而通用 MCU 可用于内部 管理和系统 通信。 不过，对于 数字电源， 所追求的 目标是 拥有单个统一 数字电源控制器， 能够同时 管理这两种 功能，高速功能 和低速功能。 现在，让我们 后退一步， 看看电源控制器 架构的演变 过程。 在左侧，是 用于我们 刚才所说的 传统电源的 模拟控制器。 这些是简单的 器件，可用于 设计快速 上市的电源， 并提供高 电源带宽。 另一方面， 这些作为 特定于应用的 器件，趋向于 固定的功能，无法 用作用于实现不同 电源拓扑和架构的 平台解决方案。 此外，它们需要 很多外部组件， 用于实现专门的 功能和提供保护。 最后，正如我们 先前提到的， 它们需要 专用的通用 MCU，来实现 电源中所需的 所有内部管理 和通信功能。 对于数字 控制器， 我们可以在市场上 看到三种不同的产品。 右侧是 处理器 驱动的数字 控制器，其中 一个运行在 DSP 或高性能 MCU 上的软件 负责执行 电源的所有 高速和低速功能。 这些是非常 灵活的解决方案， 可用作用于 实现不同 控制架构的平台器件。 由于一切都是 在软件中实现的， 因此它们可用于支持 复杂的控制算法。 此外，提供 处理器 还有助于实现 内部管理和通信功能。 不过，因为 该软件必须 管理所有高速 和低速功能， 所以必须仔细地 设计该软件的架构。 这需要更多 开发工作。 第二，就提供 电源带宽而言， 处理器计算 带宽是最重要的 考虑因素， 更快的 处理器能够在 相同的时间内 执行更多的 时钟周期， 从而在实现更高的 电源带宽方面更有用。 中间是 称作硬件 实现的数字 电源控制器的 东西。 这些器件采用 专用的硬件 状态机来实现 高速电源功能。 这样做的 最大优势是 任何高速 功能都不 涉及处理器。 因此，处理器 计算功能 对电源带宽而言 不是一个问题。 就这些 基于 状态机硬件的 数字控制器而言， 有两种器件。 在左侧，我们有 这些不可编程 但可通过 GUI 进行配置的 固定功能器件。 这意味着 可以使用 GUI 来调节和微调 控制器的某些参数。 这些器件的 好处是电源 设计不 涉及任何 固件开发。 另一方面， 这些器件 具有固定的 功能，因此 不适用于平台 实现，此外，其中的 某些器件可能 包含一些通信 功能，它们 并不满足 大多数数字电源的 内部管理要求。 最后，我们 拥有基于 硬件状态机的 器件类别，它们 是完全可编程的， 并且还采用集成 MCU。 正如我们马上 要看到的，这些 器件配有某些 特定的硬件 电源外设，可以 轻松快速地 对其进行配置， 以实现不同的 电源拓扑和架构。 因此，它们是 灵活的器件。 它们可用作 平台解决方案。 在能够使用 这些器件方面 存在一个固件 开发要素，此时， 正如我们马上要看到的， 这主要涉及对某些 寄存器组进行 编程，作为基于 状态机的器件， 不存在电源带宽问题。 最后，由于提供了 集成 MCU，从而允许 电源设计 人员使用 该器件实现各种 内部管理功能。 另一方面， 就熟悉 该器件中的 硬件外设 而言，电源设计 人员涉及到一个 学习曲线。 第二，实现复杂 控制算法的 能力有点 受到器件 内部构建的 硬件外设的限制。 对于基于 处理器的 数字控制器的固件 开发任务，有一些需要 深入考虑的问题， 其中最重要的是， 是否为设计该具有 所述开关频率和带宽的 电源提供了 足够的计算能力？ 以用于设计具有 至少 20 kHz 带宽的 200 kHz 电源的 50Mps CPU 为例， 事实证明，仅有 大约 2.5 微秒 可用于在每个 开关周期中 需要完成的 关键补偿计算。 这意味着仅有 大约 125 条指令 可用于该功能。 那么，问题来了， 这足够吗？ 如果存在 嵌套循环 或独立控制环路， 需要使用双输出 电源进行控制， 那么事情会变得 更加复杂。 接下来的 问题是， 我是否应该 使用中断， 中断循环中 包含什么任务， 后台循环中 分配什么任务？ 然后，当需要 同时管理 多个时间 关键型任务时， 应该优先 考虑什么任务。 确定优先次序 绝对是必要的。 那么，器件架构中 有多少可用的 优先级？ 最后，最快的 功能可能 通常需要使用 汇编语言进行 编码，从而形成可由 处理器高效处理的 张紧线索。 因为较低级别的 编程注意事项，这将 面临进一步的挑战。 总之，开关 模式电源 硬件和固件设计 更加复杂地与 基于处理器的 控制器交织在一起。 固件开发 也变得 更多地涉及到 基于处理器的 数字控制器。 经过该讨论之后， 大家应该会 很清楚地看到， 具有集成 MCU 且 基于可编程状态机的 控制器类别拥有一些 独特的优势， 并且与其他 类别的数字 控制器相比， 显示出非常具有 吸引力的折衷。 那么，现在让我们 看看来自 TI 数字 电源产品组合的 一个器件，UCD3138， 它属于该类别。 这里显示的 是 UCD3138 数字 控制器的简化 高级别方框图。 该器件包含 两个部分。 上半部分表示 可编程硬件 状态机， 下半部分 表示通用 MCU。 正如前面所述， 该状态机 在不依赖 处理器的 情况下执行时间 关键型电源功能。 该状态机采用 支持升压 BFC、 谐振 LLC、 移相全桥、 硬件全桥、 降压等 最常见电源 拓扑的硬件 外设，以及其他 特殊功能，例如 峰值电流模式、 突发模式等。 在底部，有完全 可编程的 MCU，它 用于配置和 初始化状态机， 然后， 它主要 用于执行 电源的 内部管理、通信 和遥感功能。 话虽如此， 还为慢功率 因数校正、 电压环路 控制和电流 共享等所有 低速电源 功能提供了 MCU。 就优点而言， 该架构 最重要的优势是可以 轻松地进行固件开发。 为了对状态机 进行编程，设计 人员所要做的是， 熟悉器件中的 硬件外设， 然后为 特定的 寄存器 指定位值。 高速环路中 涉及的所有 补偿计算 都在高速 状态机 硬件中实现。 因此，无需 在低速功能 和高速功能之间 进行复杂的计算 资源时间分片。 第二个优点是， 该架构允许 设计人员开发 高带宽、高频率 数字电源。 凭借 CPU 的常规行 和较慢的固件决策， 有可能使用 硬件状态机 实现非常高 带宽的电源。 当开关周期 非常短时， 该优点在高频率 下变得更加明显和 引人注目，CPU 的 计算时间也是如此。 此外，当需要 同时控制 电压环路和电流 环路等多个环路时， 或者在电源中 存在多个输出 以及存在多个要控制的 功率级的情况下，该器件的 优点将 变得越来越 引人注目。 其他优点包括 器件通过硬件 状态机实现的 低功耗，以及 高级别的 系统集成， 因为没有一个器件 既能够控制电源， 又能够实现 内部管理和 通信功能。 总之，该架构 可以降低 开发人员开发数字 电源的进入壁垒， 并且能够 加快上市步伐。 现在，让我们 更深入地看看 UCD3138 器件的方框图。 左侧显示的 是从 UCD3138 产品说明书中 复制的器件 方框图的图片。 器件中的 状态机硬件 主要限于器件的 上半部分，位于 虚线的上方， 它包含用于 控制三个 同时运行的 反馈环路的硬件。 器件的底部是 通用微控制器， 它是 31.25 MHz 32 位 ARM7 控制器，它还采用 某些硬件组件， 例如快速模拟竞争电路。 现在，让我们放大， 看看硬件状态机 是如何用于同时 控制三个反馈环路的。 在 UCD3138 硬件 状态机中， 使用三个 基本组件 实现反馈 环路控制。 首先，有 前端块， 它是反馈电压 传感和标头生成 块。 接下来，有 数字补偿块， 它包含一个 2420 PID 样式补偿器。 最后，是 DPWM 或数字脉宽 调制器块，它负责 生成输出脉冲。 该块能够 实现脉冲 宽度调制、频率 调制甚至相移调制。 对于脉冲宽度 调制，该块的脉冲 分辨率是 250 皮秒，对于频率和 相位调制，其脉冲 分辨率是 4 纳秒。 利用这三个块， 可以控制单个 反馈环路，例如 电压环路或 电流环路。 在模拟控制器的 模拟世界中，前端 块将类似于 误差放大器。 数字补偿块 将非常类似于 具有补偿 网络中 使用的外部 R 和 C 的模拟控制器的 补偿引脚。 最后，DPWM 块 将类似于 模拟控制器中的 PWM 竞争电路。 UCD3138 中具有 三组这样的 基础环路控制块。 此外，还具有 第四个 DPWM 块， 用于生成 同步整流等 其他 控制信号。 接下来，在电源中， 将信号从一个控制 环路发送到另一个 控制环路是很常见的。 一个经典的示例是 平均电流模式控制， 其中外部电压环路 将命令信号发送到 内部电流环路。 为了实现 这些功能， UCD3138 器件具有 称为环路多路 复用器的硬件块， 它允许一个环路 嵌套在另一个环路内部。 最后，3138 中的 硬件状态机 还包含专用的 电源外设，用于 实现某些经常 需要的电源功能， 例如扬声器和 模式控制、恒定 功率恒定电流 调节和过载、 用于实现更佳 轻负载效率的 突发模式、启动期间 PWM 和 LLC 模式之间的 自动模式切换、 快速输入电压 前馈，等等。 接下来，让我们 深入地看一下 前端模块，它是 UCD3138 中的传感 和误差生成模块。 该块包含一个 接受来自电源的 反馈信号的 模拟差分 放大器，后跟一个 可调增益误差 放大器，其基准 由一个 DAC 进行驱动。 可通过 ARM7 微控制器 或电源中的不同 环路等各种输入源 对 DAC 进行编程。 在误差放大器 后面，有一个 速度极高的 ADC，它称为 误差 ADC 或误差 模数转换器， 执行将 放大器 输出处的模拟误差 信号数字化到 数字域中的任务。 值得注意的是， 在 UCD3138 器件中， 模拟域和数字域 之间的转换边界 在该 EADC 块处。 每个前端模块还 具有一个专用峰值 电流模式竞争 电路，其基准 由 DAC 进行驱动， 可通过该 DAC 实现 可编程慢补偿。 在每个前端模块中 提供了所有这些硬件 块。 请记住，UCD3138 器件中提供了 三个此类前端模块。 因此，UCD3138 器件 完全能够 独立控制三个 高速反馈环路。 此外，3138 器件中的 数字硬件能够 以高 速运行， 使其 可以支持 电源中高达 2 MHz 的开关频率。 现在转向方框图的 下半部分，让我们谈谈 该器件中的 保护硬件。 UCD3138 器件具有一组 高速模拟竞争 电路，共有七个， 它们可用于瞬时 关闭任何 DPWM 输出。 因此，这些竞争 电路可用于 逐周期 电流限制 等功能。 在这些竞争电路后面， 有一个称为故障 多路复用器的 高级故障管理块。 该块非常灵活， 具有从模拟 竞争电路、数字 竞争电路、外部 GPIO 等各种源 接受输入的功能， 并且能够启动 针对关闭任何 DPWM 模块的响应。 该块还具有 将某种滤波 添加到模拟 竞争电路的 输出的功能。 这是一种 数字滤波。 例如，故障最大块 可以从模拟竞争 电路之一 接受输入， 转到预先确定 数量的触发器， 然后启动对 DPWM 输出的响应。 这包括对 UCD3138 器件中硬件 状态机的介绍。 现在，让我们来谈谈 MCU。 正如前面所述， 该器件采用 32 位 ARM7 处理器， 通过编程闪存、 数据闪存、RAM 和 ROM 提供片上 存储器，还提供了 多个通信端口， 例如 UART、PMBus、 I-square-C 和 JTAG。 非常有趣的是， 该器件采用了 一个故障模数转换器。 为什么是故障？ 嗯，如果您回忆一下， 该器件采用了三个 前端模块，其中每个 前端模块具有一个 称为 EADC 的专用 高速误差模数转换器。 幻灯片中显示的 该模数转换器 是第四个模数 转换器，它是 速度较慢但 分辨率较高的块， 可用于 通用传感， 例如温度传感。 最后，该器件采用 其他常用的块， 开关计时器、采集 和电源监视器。 经过这些介绍 之后，让我们看看 如何使用 UCD3138 控制隔离式 直流到直流电源， 在本例中为移相 全桥转换器。 在初级侧， 有四个 全桥 MOSFET。 这里是电源 变压器和隔离边界、 次级侧上的 两个同步 MOSFET， 次级侧上 还有 US 器件， 使这成为次级侧 控制的数字电源的 一个示例。 为了调节 电源，会传感 输出电压 并将其呈现在 一个前端块中， 以进行电压环路调节。 同一信号 也会呈现到 一个模拟竞争电路中， 以进行过压保护。 对于电流环路， 使用电流互感器 传感初级侧 电流，并将其 呈现到第二个 前端块中，以实现 峰值电流 模式控制。 同一信号 也会呈现到 另一个模拟竞争 电路中，以实现 快速逐周期 过流保护。 最后，会传感 转换器中的 输出电流并 将其呈现到 第三个前端块中， 用于实现恒定 功率恒定 电流调节环路。 在电源在其 正常工作电流 范围之外运行， 从而导致超高 电压在基于输出 电流遇到过流 情况时回落 并最终关闭的 情况下，该环路生效。 同一信号 也会馈送到 ADC 输入中，以使用 ARM 处理器实现慢 电流共享功能。 此外，也可以 把同一输入 馈送到模拟 竞争电路中， 以基于该电源中的 过电流实现过电流 保护。 确定向哪些 硬件块呈现 哪些控制 信号后，对 数字控制器 进行编程 以控制该 电源的练习 就仅是按照 用于配置相应 寄存器的 方法进行操作， 以使用控制器 提供相应的功能。 就输出而言， DPWM 模块 2 和 3 用于控制 初级侧 MOSFET， 而 DPWM 模块 0 和 1 用于 控制次级侧上的 同步整流 MOSFET。 总之，这是一个 使用 UCD3138 控制器 通过状态机硬件 同时调节一个具有 几 kHz 带宽的 电压环路和 两个电流环路的示例。 此外，该器件中的 ARM 处理器现在 可用于使用 PMBus 或 I-square-C 与系统控制器 进行通信，以及 使用 UART 通过 隔离层与 控制路径 [听不清] 校正块的初级侧 数字控制器 进行通信。 接下来，让我们看看 如何使用控制器 来控制两相 交错式升压 功率因数校正 交流到直流转换器。 在本示例中， 感应交流线路 电压和直流 总线超高电压 并将其呈现在 ADC 的 输入上，这允许 ARM 处理器使用该信息 并将其进行数学计算， 以调节电压环路。 此外，电压 环路的一个 要素呈现到 硬件状态机中， 显示为电流环路的 一个命令信号。 使用电流和 互感器传感 电源中的 电流，并将其 呈现到两个 独立前端块中。 这允许独立使用 两个前端块和 两个硬件外设来 控制两个电流环路。 同一信号 也会呈现到 模拟竞争电路的 输入中，以提供 逐周期 电流保护。 就输出而言， 来自两个 DPWM 块的 输出信号 存在 180 度 相移，以控制 两个交错式 功率 MOSFET。 也可以选择使用 电流传感分流器 传感电感器电流， 并将其呈现到前端 模块，以使用状态机 硬件调节信号电流 回路。 当然，在该情况下， 您将无法选择 在两个电流 环路之间实现 良好的电流平衡。 总之，在本示例中， UCD 控制器控制 由状态机 硬件控制的 具有几 kHz 带宽的过快 电流环路。 此外，电流环路 嵌套在慢电压 环路内部，这有助于 实现平均电流模式控制。 当电压环路是 慢环路时，电流 环路通过硬件 实现，这通常 用于功率因数 校正转换器， 只能使用 ARM7 MCU 实现几十 赫兹的交叉频率。 因此，这是一个 可以使用 ARM7 控制器实现 慢电源功能的 示例。 让我们快速 查看第三个示例， 这是一个双输出 直流到直流转换器， 其中包含一个 可提供输出 之一的半桥 谐振 LLC 转换器， 后跟一个下游 降压转换器， 该转换器提供 第二个输出。 那么，在这里， 电源中的 控制器承担控制 两个功率级的任务， 一个是谐振 LLC， 另一个是降压功率级。 请记住， 这两种 功率级都能在 几百 kHz 的开关 频率下运行。 在本例中， LLC 转换器 由一个硬件 环路进行 控制，降压 转换器的 输出由另一个 硬件环路进行控制。 此外，由于提供了 第三个环路，因此 可以选择使用 分流器传感输出 电流，并实现恒定电流、 恒定功率、环路控制等 功能。 因此，在此示例中， 可以使用 UCD3138 器件的 状态机 硬件实现 几 kHz 和 几十 kHz 的 带宽和一个 电流环路。 这实际上是 一个提供支持 多个环路的 硬件以允许 单个数字电源控制器 管理整个电源的示例。 到目前为止， 我们已经 查看了控制器如何 用于实现常见的 电源。 现在，让我们看看 如何使用控制器 实现更多功能。 这里是一个有关 平均电流模式 控制的示例，其中 转换器根据负载 从 CCM 转到 DCM 操作。 在 CCM 操作期间， 位于电感器 电流上升沿 中点的电流 样本。 在该模式下，中点 表示电源转换器中的 平均电流。 不过，在 DCM 模式 操作中，同一个 中点会高估开关周期 和电源转换器中的 平均电流。 那么，我们如何 在 DCM 模式下传感和 获取更准确的 平均电流表示呢？ 这正是我们要 设法解决的问题。 利用 UCD3138 控制器，能够 以过采样 模式和硬件 平均模式在前端块中 启用 EADC 硬件。 这允许控制器 在相同的开关 周期中最多 收集的数量 八倍于这些样本，然后 可以对其进行平均， 以实现对电源中 平均电流更准确的 估计。 使该控制器 具有此独特 功能的，是 器件内部 数字状态机硬件的 高速计算功能。 凭借 65 kHz 开关 转换器上八倍的 采样，采样率 将高于 500 kHz， 这允许计算 时间少于 2 微秒。 正如前面所述， UCD3138 中的数字 状态机硬件 能够实现 高达 2 MHz 的 开关频率。 现在，可以方便地 在功率因数校正 应用中应用 这个很好的 功能，以实现极低的 电流失真，并将 iTHD 降低高达 4%。 通过在 DCM 模式下 使用 8X 过采用功能， 控制器能够 在 DCM 模式下 获取更好的 平均电流表示， 然后可以将其与 控制器内的电流 命令进行匹配，以便在功率 因数校正转换器中实现 非常好的电流整形。 接下来，这里是另一个 有关控制器帮助您实现 更多功能的示例。 在这里，我们 将讨论称为 电源的即时 固件升级的东西。 它的意思是 在不实际关闭 电源的 情况下 在电源中支持 和使用新的固件。 器件中的 硬件状态机 独立于处理器运行， 对电源进行控制。 这意味着，如果 处理器忙于执行 其他任务，状态机 仍会很高地调节 和保护电源。 另一方面， 独立于处理器 运行的状态机 可以释放处理器 以执行专门的 内部管理功能， 例如这些功能。 使用同一产品 系列中的 UCD3138064 器件实现 即时固件升级。 该器件是双 内存条架构器件。 该器件的独特之处 在于，当一个内存条 正在执行 当前固件时， 可以同时向 另一个块中 写入新固件。 升级过程通过一系列 系统化步骤完成。 首先，ARM 处理器 在主块，即块 1 执行当前 固件并且 状态机 控制电源时 将新固件 写入 冗余块， 即块 2 中。 然后，ARM 处理器 运行完整性检查， 确保已正确 写入固件。 接下来，处理器 从块 1 登台到 块 2，进行 实时执行切换。 最后，当时序 正确并且 已经保存 变量后， 处理器 执行实时 切换，这允许 电源的固件 进行即时升级。 即时固件升级的 主要优点是，它可以 帮助 IT 服务供应商 在必须使用新固件 升级开关模式 电源以进行 性能升级或错误 修复时减少服务器 数据中心中的停机时间。 这里是直流到 直流谐振 LLC 转换器中的即时 固件升级功能演示。 固件升级 实际上 涉及 电源操作。 在这里，添加了 一个恒定功率 调节功能，以实现 过载电流保护。 转换器中的 旧电流保护 从当前电源 固件中基于 输出电流的 方案替换为 基于直流到 直流转换器的 初级侧电流的方案。 底部的图片 显示了 升级电源 固件后的波形。 使一个 GPIO 在固件 切换时进行切换， 很明显，电源的 输出电压和 转换器的 谐振电流 完全没受到干扰。 由于输出 电压下降， 新固件 开始生效的 证据非常 明显，因为 该切换是在 电源过载 情况下执行的。 由于原始固件没有 恒定功率功能， 因此它会继续在 输出电压处进行调节。 在新固件 下降时， 输出电压显示 恒定功率功能 已经生效。 总之，让我们 快速看一下 基于状态机的 控制器和基于 处理器的控制器 之间的主要差异。 电压和电流 反馈环路等 主要高速功能 由数字状态机 硬件进行控制。 在基于处理器的 器件中，运行在 处理器上的软件 控制所有环路。 在制定关键 决策时不需要 处理器干预， 并且不存在延迟。 在基于处理器的 解决方案中，强大的 处理器有时甚至 是协处理器的可用性 是要制定的 每个决策的核心。 在基于 状态机的 器件中，对不同 电源拓扑的 支持很简单地 依赖于器件内部 配备的硬件。 这允许 尝试为 他的项目 确定控制器的 设计人员快速 制定决策。 另一方面， 对于基于 处理器的器件， 电源设计人员 和前工程师 必须预先 进行详细 计算，以确保 选择的处理器 能够满足电源要求。 对于使用 足够的硬件 进行设计 以独立控制 三个环路并且 不需要资源 共享的 UCD3138 等器件，可能的 [听不清] 支持许多 电源拓扑存在。 对于通常具有 一个或两个 数据转换器和 一个具有已知 功能的处理器且基于 CPU 的器件，固件设计人员和 电源设计人员必须 再次执行详细的预先 决策制定过程。 对于执行 繁重的电源 控制功能的 状态机硬件， 处理器完全 可用于内部 管理、通信、遥测 和其他专门的功能。 另一方面， 处理器必须 在电源控制和 内部管理功能 之间共享。 固件开发 仅涉及针对 所需的电源拓扑 配置状态机硬件 以及使用运行在 MCU 上的软件构建 低速功能。 另一方面， 必须在软件中 构建所需的 所有功能，并且 应适当关注高速和 低速功能之间的时序 和优先级。 总之，对于任何 设计数字开关 模式电源的人员 而言，基于状态机的 可编程数字电源控制 器体现了固件开发的 简单性、降低的 进入壁垒和很短的 上市时间。 现在，我邀请 大家访问 TI.com 以查看今天 提供的有关 数字电源 控制器的 信息。 这包括产品 说明书、演示 由数字控制器 控制的电源的 完整功能评估 模块、讨论即时 固件升级的 视频以及 演示使用 该控件实现的 高速功能的文档。 这包括该有关 数字开关模式 电源的演示。 谢谢观看。
大家好！
欢迎参加 本次演示，
我们将在本次演示中 讨论基于状态机架构的
控制器如何能够 简化开发数字
电源的过程。
这是议程。
我们将首先简短地 回顾一下电源执行的
不同任务，然后分析 以数字方式完成它们
所面临的挑战。
接下来，我们将 看看已经用于
实现电源的 不同类型的
控制器，并介绍 基于状态机的
器件架构与 以前使用的
其他方法相比 有什么不同。
然后，将详细介绍 和讨论德州仪器 (TI)
数字电源产品 组合提供的基于
状态机的控制器 UCD3138 器件。
将提供有关如何 能够使用独特的
增值功能 轻松实现
最常见的电源 拓扑的示例，
以演示 如何使用
状态机架构 简化数字电源。
让我们开始吧。
什么是电源？
电源是一个 电子设备，
它连接到 能源并执行
为电子负载 提供经过良好
调节的电压、电流 或功率的任务。
例如，所讨论的 能源可能是
墙壁中的交流 电源插座，电源是
离线交流至 直流电源，
可为数据中心 提供经过调节的
直流电压。
再比如，能源 可能是电池，
电源是隔离式 直流至直流电信
模块，为电信网络 实现同样的功能。
接下来，如果 我们看看
电源内部发生的情况， 有两种基本的任务。
一方面，有基本的 电源控制任务，
这涉及到以安全的 方式为电子负载
提供经过调节的 电压、电流或功率。
另一方面，有内部 管理和系统通信
任务。
这些涉及到 热管理、风扇
速度控制、启用 特殊操作模式
以提高电源 在特殊
情况下的l 性能、遥测
以及与电源 外部的主机
MCU 进行通信 等功能。
现在可以将 先前介绍的
任务视作 高速或低速
功能，具体 取决于可供
电源控制器执行 这些任务的时间预算。
高速功能是 在现代电源
内部以几百 kHz 的频率
重复的 功能，因此
其时间预算 只有几微秒。
通常，这会是 电压调节，其中
涉及到 反馈环路
控制和 瞬态响应、
逐周期 保护以及
在电源的不同 状态之间进行
切换。
另一方面， 低速功能
具有几百毫秒或 更高的时间预算。
这些功能可能是 与主机、MCU 通信、
温度传感和风扇 速度控制以及
多个电源之间的 电流共享，这些
电源在同一个 系统中都是并联的。
这里要承认的 关键一点是，
电源控制器 承担着同时管理
不同电源功能的 繁重任务，每项
任务具有 不同的紧急
程度以及不同的 与其关联的时间预算。
在传统电源中， 先前介绍的
任务是使用专用 控制器进行管理的。
专用模拟电源 管理控制器
不可用于 管理所有
高速电源 功能，而通用
MCU 可用于内部 管理和系统
通信。
不过，对于 数字电源，
所追求的 目标是
拥有单个统一 数字电源控制器，
能够同时 管理这两种
功能，高速功能 和低速功能。
现在，让我们 后退一步，
看看电源控制器 架构的演变
过程。
在左侧，是 用于我们
刚才所说的 传统电源的
模拟控制器。
这些是简单的 器件，可用于
设计快速 上市的电源，
并提供高 电源带宽。
另一方面， 这些作为
特定于应用的 器件，趋向于
固定的功能，无法 用作用于实现不同
电源拓扑和架构的 平台解决方案。
此外，它们需要 很多外部组件，
用于实现专门的 功能和提供保护。
最后，正如我们 先前提到的，
它们需要 专用的通用
MCU，来实现 电源中所需的
所有内部管理 和通信功能。
对于数字 控制器，
我们可以在市场上 看到三种不同的产品。
右侧是 处理器
驱动的数字 控制器，其中
一个运行在 DSP 或高性能
MCU 上的软件 负责执行
电源的所有 高速和低速功能。
这些是非常 灵活的解决方案，
可用作用于 实现不同
控制架构的平台器件。
由于一切都是 在软件中实现的，
因此它们可用于支持 复杂的控制算法。
此外，提供 处理器
还有助于实现 内部管理和通信功能。
不过，因为 该软件必须
管理所有高速 和低速功能，
所以必须仔细地 设计该软件的架构。
这需要更多 开发工作。
第二，就提供 电源带宽而言，
处理器计算 带宽是最重要的
考虑因素， 更快的
处理器能够在 相同的时间内
执行更多的 时钟周期，
从而在实现更高的 电源带宽方面更有用。
中间是 称作硬件
实现的数字 电源控制器的
东西。
这些器件采用 专用的硬件
状态机来实现 高速电源功能。
这样做的 最大优势是
任何高速 功能都不
涉及处理器。
因此，处理器 计算功能
对电源带宽而言 不是一个问题。
就这些 基于
状态机硬件的 数字控制器而言，
有两种器件。
在左侧，我们有 这些不可编程
但可通过 GUI 进行配置的
固定功能器件。
这意味着 可以使用
GUI 来调节和微调 控制器的某些参数。
这些器件的 好处是电源
设计不 涉及任何
固件开发。
另一方面， 这些器件
具有固定的 功能，因此
不适用于平台 实现，此外，其中的
某些器件可能 包含一些通信
功能，它们 并不满足
大多数数字电源的 内部管理要求。
最后，我们 拥有基于
硬件状态机的 器件类别，它们
是完全可编程的， 并且还采用集成 MCU。
正如我们马上 要看到的，这些
器件配有某些 特定的硬件
电源外设，可以 轻松快速地
对其进行配置， 以实现不同的
电源拓扑和架构。
因此，它们是 灵活的器件。
它们可用作 平台解决方案。
在能够使用 这些器件方面
存在一个固件 开发要素，此时，
正如我们马上要看到的， 这主要涉及对某些
寄存器组进行 编程，作为基于
状态机的器件， 不存在电源带宽问题。
最后，由于提供了 集成 MCU，从而允许
电源设计 人员使用
该器件实现各种 内部管理功能。
另一方面， 就熟悉
该器件中的 硬件外设
而言，电源设计 人员涉及到一个
学习曲线。
第二，实现复杂 控制算法的
能力有点 受到器件
内部构建的 硬件外设的限制。
对于基于 处理器的
数字控制器的固件 开发任务，有一些需要
深入考虑的问题， 其中最重要的是，
是否为设计该具有 所述开关频率和带宽的
电源提供了 足够的计算能力？
以用于设计具有 至少 20 kHz 带宽的
200 kHz 电源的 50Mps CPU 为例，
事实证明，仅有 大约 2.5 微秒
可用于在每个 开关周期中
需要完成的 关键补偿计算。
这意味着仅有 大约 125 条指令
可用于该功能。
那么，问题来了， 这足够吗？
如果存在 嵌套循环
或独立控制环路， 需要使用双输出
电源进行控制， 那么事情会变得
更加复杂。
接下来的 问题是，
我是否应该 使用中断，
中断循环中 包含什么任务，
后台循环中 分配什么任务？
然后，当需要 同时管理
多个时间 关键型任务时，
应该优先 考虑什么任务。
确定优先次序 绝对是必要的。
那么，器件架构中 有多少可用的
优先级？
最后，最快的 功能可能
通常需要使用 汇编语言进行
编码，从而形成可由 处理器高效处理的
张紧线索。
因为较低级别的 编程注意事项，这将
面临进一步的挑战。
总之，开关 模式电源
硬件和固件设计 更加复杂地与
基于处理器的 控制器交织在一起。
固件开发 也变得
更多地涉及到 基于处理器的
数字控制器。
经过该讨论之后， 大家应该会
很清楚地看到， 具有集成 MCU 且
基于可编程状态机的 控制器类别拥有一些
独特的优势， 并且与其他
类别的数字 控制器相比，
显示出非常具有 吸引力的折衷。
那么，现在让我们 看看来自 TI 数字
电源产品组合的 一个器件，UCD3138，
它属于该类别。
这里显示的 是 UCD3138 数字
控制器的简化 高级别方框图。
该器件包含 两个部分。
上半部分表示 可编程硬件
状态机， 下半部分
表示通用 MCU。
正如前面所述， 该状态机
在不依赖 处理器的
情况下执行时间 关键型电源功能。
该状态机采用 支持升压 BFC、
谐振 LLC、 移相全桥、
硬件全桥、 降压等
最常见电源 拓扑的硬件
外设，以及其他 特殊功能，例如
峰值电流模式、 突发模式等。
在底部，有完全 可编程的 MCU，它
用于配置和 初始化状态机，
然后， 它主要
用于执行 电源的
内部管理、通信 和遥感功能。
话虽如此， 还为慢功率
因数校正、 电压环路
控制和电流 共享等所有
低速电源 功能提供了 MCU。
就优点而言， 该架构
最重要的优势是可以 轻松地进行固件开发。
为了对状态机 进行编程，设计
人员所要做的是， 熟悉器件中的
硬件外设， 然后为
特定的 寄存器
指定位值。
高速环路中 涉及的所有
补偿计算 都在高速
状态机 硬件中实现。
因此，无需 在低速功能
和高速功能之间 进行复杂的计算
资源时间分片。
第二个优点是， 该架构允许
设计人员开发 高带宽、高频率
数字电源。
凭借 CPU 的常规行 和较慢的固件决策，
有可能使用 硬件状态机
实现非常高 带宽的电源。
当开关周期 非常短时，
该优点在高频率 下变得更加明显和
引人注目，CPU 的 计算时间也是如此。
此外，当需要 同时控制
电压环路和电流 环路等多个环路时，
或者在电源中 存在多个输出
以及存在多个要控制的 功率级的情况下，该器件的
优点将 变得越来越
引人注目。
其他优点包括 器件通过硬件
状态机实现的 低功耗，以及
高级别的 系统集成，
因为没有一个器件 既能够控制电源，
又能够实现 内部管理和
通信功能。
总之，该架构 可以降低
开发人员开发数字 电源的进入壁垒，
并且能够 加快上市步伐。
现在，让我们 更深入地看看
UCD3138 器件的方框图。
左侧显示的 是从 UCD3138
产品说明书中 复制的器件
方框图的图片。
器件中的 状态机硬件
主要限于器件的 上半部分，位于
虚线的上方， 它包含用于
控制三个 同时运行的
反馈环路的硬件。
器件的底部是 通用微控制器，
它是 31.25 MHz 32 位 ARM7
控制器，它还采用 某些硬件组件，
例如快速模拟竞争电路。
现在，让我们放大， 看看硬件状态机
是如何用于同时 控制三个反馈环路的。
在 UCD3138 硬件 状态机中，
使用三个 基本组件
实现反馈 环路控制。
首先，有 前端块，
它是反馈电压 传感和标头生成
块。
接下来，有 数字补偿块，
它包含一个 2420 PID 样式补偿器。
最后，是 DPWM 或数字脉宽
调制器块，它负责 生成输出脉冲。
该块能够 实现脉冲
宽度调制、频率 调制甚至相移调制。
对于脉冲宽度 调制，该块的脉冲
分辨率是 250 皮秒，对于频率和
相位调制，其脉冲 分辨率是 4 纳秒。
利用这三个块， 可以控制单个
反馈环路，例如 电压环路或
电流环路。
在模拟控制器的 模拟世界中，前端
块将类似于 误差放大器。
数字补偿块 将非常类似于
具有补偿 网络中
使用的外部 R 和 C 的模拟控制器的
补偿引脚。
最后，DPWM 块 将类似于
模拟控制器中的 PWM 竞争电路。
UCD3138 中具有 三组这样的
基础环路控制块。
此外，还具有 第四个 DPWM 块，
用于生成 同步整流等
其他 控制信号。
接下来，在电源中， 将信号从一个控制
环路发送到另一个 控制环路是很常见的。
一个经典的示例是 平均电流模式控制，
其中外部电压环路 将命令信号发送到
内部电流环路。
为了实现 这些功能，
UCD3138 器件具有 称为环路多路
复用器的硬件块， 它允许一个环路
嵌套在另一个环路内部。
最后，3138 中的 硬件状态机
还包含专用的 电源外设，用于
实现某些经常 需要的电源功能，
例如扬声器和 模式控制、恒定
功率恒定电流 调节和过载、
用于实现更佳 轻负载效率的
突发模式、启动期间 PWM 和 LLC 模式之间的
自动模式切换、 快速输入电压
前馈，等等。
接下来，让我们 深入地看一下
前端模块，它是 UCD3138 中的传感
和误差生成模块。
该块包含一个 接受来自电源的
反馈信号的 模拟差分
放大器，后跟一个 可调增益误差
放大器，其基准 由一个 DAC 进行驱动。
可通过 ARM7 微控制器
或电源中的不同 环路等各种输入源
对 DAC 进行编程。
在误差放大器 后面，有一个
速度极高的 ADC，它称为
误差 ADC 或误差 模数转换器，
执行将 放大器
输出处的模拟误差 信号数字化到
数字域中的任务。
值得注意的是， 在 UCD3138 器件中，
模拟域和数字域 之间的转换边界
在该 EADC 块处。
每个前端模块还 具有一个专用峰值
电流模式竞争 电路，其基准
由 DAC 进行驱动， 可通过该 DAC 实现
可编程慢补偿。
在每个前端模块中 提供了所有这些硬件
块。
请记住，UCD3138 器件中提供了
三个此类前端模块。
因此，UCD3138 器件 完全能够
独立控制三个 高速反馈环路。
此外，3138 器件中的 数字硬件能够
以高 速运行，
使其 可以支持
电源中高达 2 MHz 的开关频率。
现在转向方框图的 下半部分，让我们谈谈
该器件中的 保护硬件。
UCD3138 器件具有一组 高速模拟竞争
电路，共有七个， 它们可用于瞬时
关闭任何 DPWM 输出。
因此，这些竞争 电路可用于
逐周期 电流限制
等功能。
在这些竞争电路后面， 有一个称为故障
多路复用器的 高级故障管理块。
该块非常灵活， 具有从模拟
竞争电路、数字 竞争电路、外部
GPIO 等各种源 接受输入的功能，
并且能够启动 针对关闭任何
DPWM 模块的响应。
该块还具有 将某种滤波
添加到模拟 竞争电路的
输出的功能。
这是一种 数字滤波。
例如，故障最大块 可以从模拟竞争
电路之一 接受输入，
转到预先确定 数量的触发器，
然后启动对 DPWM 输出的响应。
这包括对 UCD3138 器件中硬件
状态机的介绍。
现在，让我们来谈谈 MCU。
正如前面所述， 该器件采用
32 位 ARM7 处理器， 通过编程闪存、
数据闪存、RAM 和 ROM 提供片上
存储器，还提供了 多个通信端口，
例如 UART、PMBus、 I-square-C 和 JTAG。
非常有趣的是， 该器件采用了
一个故障模数转换器。
为什么是故障？
嗯，如果您回忆一下， 该器件采用了三个
前端模块，其中每个 前端模块具有一个
称为 EADC 的专用 高速误差模数转换器。
幻灯片中显示的 该模数转换器
是第四个模数 转换器，它是
速度较慢但 分辨率较高的块，
可用于 通用传感，
例如温度传感。
最后，该器件采用 其他常用的块，
开关计时器、采集 和电源监视器。
经过这些介绍 之后，让我们看看
如何使用 UCD3138 控制隔离式
直流到直流电源， 在本例中为移相
全桥转换器。
在初级侧， 有四个
全桥 MOSFET。
这里是电源 变压器和隔离边界、
次级侧上的 两个同步 MOSFET，
次级侧上 还有 US 器件，
使这成为次级侧 控制的数字电源的
一个示例。
为了调节 电源，会传感
输出电压 并将其呈现在
一个前端块中， 以进行电压环路调节。
同一信号 也会呈现到
一个模拟竞争电路中， 以进行过压保护。
对于电流环路， 使用电流互感器
传感初级侧 电流，并将其
呈现到第二个 前端块中，以实现
峰值电流 模式控制。
同一信号 也会呈现到
另一个模拟竞争 电路中，以实现
快速逐周期 过流保护。
最后，会传感 转换器中的
输出电流并 将其呈现到
第三个前端块中， 用于实现恒定
功率恒定 电流调节环路。
在电源在其 正常工作电流
范围之外运行， 从而导致超高
电压在基于输出 电流遇到过流
情况时回落 并最终关闭的
情况下，该环路生效。
同一信号 也会馈送到
ADC 输入中，以使用 ARM 处理器实现慢
电流共享功能。
此外，也可以 把同一输入
馈送到模拟 竞争电路中，
以基于该电源中的 过电流实现过电流
保护。
确定向哪些 硬件块呈现
哪些控制 信号后，对
数字控制器 进行编程
以控制该 电源的练习
就仅是按照 用于配置相应
寄存器的 方法进行操作，
以使用控制器 提供相应的功能。
就输出而言， DPWM 模块 2 和
3 用于控制 初级侧 MOSFET，
而 DPWM 模块 0 和 1 用于
控制次级侧上的 同步整流
MOSFET。
总之，这是一个 使用 UCD3138 控制器
通过状态机硬件 同时调节一个具有
几 kHz 带宽的 电压环路和
两个电流环路的示例。
此外，该器件中的 ARM 处理器现在
可用于使用 PMBus 或 I-square-C
与系统控制器 进行通信，以及
使用 UART 通过 隔离层与
控制路径 [听不清] 校正块的初级侧
数字控制器 进行通信。
接下来，让我们看看 如何使用控制器
来控制两相 交错式升压
功率因数校正 交流到直流转换器。
在本示例中， 感应交流线路
电压和直流 总线超高电压
并将其呈现在 ADC 的 输入上，这允许 ARM
处理器使用该信息 并将其进行数学计算，
以调节电压环路。
此外，电压 环路的一个
要素呈现到 硬件状态机中，
显示为电流环路的 一个命令信号。
使用电流和 互感器传感
电源中的 电流，并将其
呈现到两个 独立前端块中。
这允许独立使用 两个前端块和
两个硬件外设来 控制两个电流环路。
同一信号 也会呈现到
模拟竞争电路的 输入中，以提供
逐周期 电流保护。
就输出而言， 来自两个 DPWM 块的
输出信号 存在 180 度
相移，以控制 两个交错式
功率 MOSFET。
也可以选择使用 电流传感分流器
传感电感器电流， 并将其呈现到前端
模块，以使用状态机 硬件调节信号电流
回路。
当然，在该情况下， 您将无法选择
在两个电流 环路之间实现
良好的电流平衡。
总之，在本示例中， UCD 控制器控制
由状态机 硬件控制的
具有几 kHz 带宽的过快
电流环路。
此外，电流环路 嵌套在慢电压
环路内部，这有助于 实现平均电流模式控制。
当电压环路是 慢环路时，电流
环路通过硬件 实现，这通常
用于功率因数 校正转换器，
只能使用 ARM7 MCU 实现几十
赫兹的交叉频率。
因此，这是一个 可以使用 ARM7
控制器实现 慢电源功能的
示例。
让我们快速 查看第三个示例，
这是一个双输出 直流到直流转换器，
其中包含一个 可提供输出
之一的半桥 谐振 LLC 转换器，
后跟一个下游 降压转换器，
该转换器提供 第二个输出。
那么，在这里， 电源中的
控制器承担控制 两个功率级的任务，
一个是谐振 LLC， 另一个是降压功率级。
请记住， 这两种
功率级都能在 几百 kHz 的开关
频率下运行。
在本例中， LLC 转换器
由一个硬件 环路进行
控制，降压 转换器的
输出由另一个 硬件环路进行控制。
此外，由于提供了 第三个环路，因此
可以选择使用 分流器传感输出
电流，并实现恒定电流、 恒定功率、环路控制等
功能。
因此，在此示例中， 可以使用 UCD3138
器件的 状态机
硬件实现 几 kHz 和
几十 kHz 的 带宽和一个
电流环路。
这实际上是 一个提供支持
多个环路的 硬件以允许
单个数字电源控制器 管理整个电源的示例。
到目前为止， 我们已经
查看了控制器如何 用于实现常见的
电源。
现在，让我们看看 如何使用控制器
实现更多功能。
这里是一个有关 平均电流模式
控制的示例，其中 转换器根据负载
从 CCM 转到 DCM 操作。
在 CCM 操作期间， 位于电感器
电流上升沿 中点的电流
样本。
在该模式下，中点 表示电源转换器中的
平均电流。
不过，在 DCM 模式 操作中，同一个
中点会高估开关周期 和电源转换器中的
平均电流。
那么，我们如何 在 DCM 模式下传感和
获取更准确的 平均电流表示呢？
这正是我们要 设法解决的问题。
利用 UCD3138 控制器，能够
以过采样 模式和硬件
平均模式在前端块中 启用 EADC 硬件。
这允许控制器 在相同的开关
周期中最多 收集的数量
八倍于这些样本，然后 可以对其进行平均，
以实现对电源中 平均电流更准确的
估计。
使该控制器 具有此独特
功能的，是 器件内部
数字状态机硬件的 高速计算功能。
凭借 65 kHz 开关 转换器上八倍的
采样，采样率 将高于 500 kHz，
这允许计算 时间少于 2 微秒。
正如前面所述， UCD3138 中的数字
状态机硬件 能够实现
高达 2 MHz 的 开关频率。
现在，可以方便地 在功率因数校正
应用中应用 这个很好的
功能，以实现极低的 电流失真，并将 iTHD
降低高达 4%。
通过在 DCM 模式下 使用 8X 过采用功能，
控制器能够 在 DCM 模式下
获取更好的 平均电流表示，
然后可以将其与 控制器内的电流
命令进行匹配，以便在功率 因数校正转换器中实现
非常好的电流整形。
接下来，这里是另一个 有关控制器帮助您实现
更多功能的示例。
在这里，我们 将讨论称为
电源的即时 固件升级的东西。
它的意思是 在不实际关闭
电源的 情况下
在电源中支持 和使用新的固件。
器件中的 硬件状态机
独立于处理器运行， 对电源进行控制。
这意味着，如果 处理器忙于执行
其他任务，状态机 仍会很高地调节
和保护电源。
另一方面， 独立于处理器
运行的状态机 可以释放处理器
以执行专门的 内部管理功能，
例如这些功能。
使用同一产品 系列中的 UCD3138064
器件实现 即时固件升级。
该器件是双 内存条架构器件。
该器件的独特之处 在于，当一个内存条
正在执行 当前固件时，
可以同时向 另一个块中
写入新固件。
升级过程通过一系列 系统化步骤完成。
首先，ARM 处理器 在主块，即块 1
执行当前 固件并且
状态机 控制电源时
将新固件 写入
冗余块， 即块 2 中。
然后，ARM 处理器 运行完整性检查，
确保已正确 写入固件。
接下来，处理器 从块 1 登台到
块 2，进行 实时执行切换。
最后，当时序 正确并且
已经保存 变量后，
处理器 执行实时
切换，这允许 电源的固件
进行即时升级。
即时固件升级的 主要优点是，它可以
帮助 IT 服务供应商 在必须使用新固件
升级开关模式 电源以进行
性能升级或错误 修复时减少服务器
数据中心中的停机时间。
这里是直流到 直流谐振 LLC
转换器中的即时 固件升级功能演示。
固件升级 实际上
涉及 电源操作。
在这里，添加了 一个恒定功率
调节功能，以实现 过载电流保护。
转换器中的 旧电流保护
从当前电源 固件中基于
输出电流的 方案替换为
基于直流到 直流转换器的
初级侧电流的方案。
底部的图片 显示了
升级电源 固件后的波形。
使一个 GPIO 在固件 切换时进行切换，
很明显，电源的 输出电压和
转换器的 谐振电流
完全没受到干扰。
由于输出 电压下降，
新固件 开始生效的
证据非常 明显，因为
该切换是在 电源过载
情况下执行的。
由于原始固件没有 恒定功率功能，
因此它会继续在 输出电压处进行调节。
在新固件 下降时，
输出电压显示 恒定功率功能
已经生效。
总之，让我们 快速看一下
基于状态机的 控制器和基于
处理器的控制器 之间的主要差异。
电压和电流 反馈环路等
主要高速功能 由数字状态机
硬件进行控制。
在基于处理器的 器件中，运行在
处理器上的软件 控制所有环路。
在制定关键 决策时不需要
处理器干预， 并且不存在延迟。
在基于处理器的 解决方案中，强大的
处理器有时甚至 是协处理器的可用性
是要制定的 每个决策的核心。
在基于 状态机的
器件中，对不同 电源拓扑的
支持很简单地 依赖于器件内部
配备的硬件。
这允许 尝试为
他的项目 确定控制器的
设计人员快速 制定决策。
另一方面， 对于基于
处理器的器件， 电源设计人员
和前工程师 必须预先
进行详细 计算，以确保
选择的处理器 能够满足电源要求。
对于使用 足够的硬件
进行设计 以独立控制
三个环路并且 不需要资源
共享的 UCD3138 等器件，可能的
[听不清] 支持许多 电源拓扑存在。
对于通常具有 一个或两个
数据转换器和 一个具有已知
功能的处理器且基于 CPU 的器件，固件设计人员和
电源设计人员必须 再次执行详细的预先
决策制定过程。
对于执行 繁重的电源
控制功能的 状态机硬件，
处理器完全 可用于内部
管理、通信、遥测 和其他专门的功能。
另一方面， 处理器必须
在电源控制和 内部管理功能
之间共享。
固件开发 仅涉及针对
所需的电源拓扑 配置状态机硬件
以及使用运行在 MCU 上的软件构建
低速功能。
另一方面， 必须在软件中
构建所需的 所有功能，并且
应适当关注高速和 低速功能之间的时序
和优先级。
总之，对于任何 设计数字开关
模式电源的人员 而言，基于状态机的
可编程数字电源控制 器体现了固件开发的
简单性、降低的 进入壁垒和很短的
上市时间。
现在，我邀请 大家访问 TI.com
以查看今天 提供的有关
数字电源 控制器的
信息。
这包括产品 说明书、演示
由数字控制器 控制的电源的
完整功能评估 模块、讨论即时
固件升级的 视频以及
演示使用 该控件实现的
高速功能的文档。
这包括该有关 数字开关模式
电源的演示。
谢谢观看。
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未学习 简化数字电源 - 第2节
00:38:08
播放中
视频简介
简化数字电源 - 第2节
所属课程：简化数字电源
发布时间：2019.03.11
视频集数：1
本节视频时长：00:38:08
随着电源设计人员接受从基于模拟到数字控制器的解决方案的转变，最重要的是制定固件的挑战，该固件将使用具有明确但有限的计算能力的处理器来完成所有电源任务。 一种流行的思想观念认为将电源中的时间关键任务与其他不太重要的任务分开，并使用运行处理器自主运行的专用硬件块来执行这些任务。 这大大简化了固件开发工作，并提供了使用处理器完成更多工作的机会。 以德州仪器（TI）的产品组合为例，该网络研讨会介绍了上述方法，并分享了有关实施的详细信息，以说明如何简化数字电源的所有功能。
