电源驱动芯片UCD9222的数字电源设计的探讨

摘  要：数字电源的设计与应用优势较好，所以对其进行设计有着较高的现实价值，需要相关人员重点关注。基于此，本文设计了一款电源驱动芯片UCD9222的数字电源，对其总体设计、硬件系统设计与软件系统的设计进行了说明。同时，阐述了应用UCD7242电源转换芯片以及跟踪环路的重要性。分析结果显示，该数字電源达到了预期的设计目标。

关键词：UCD9222;数字电源;电源转换芯片;跟踪环路

中图分类号：TN86      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）07-0045-02

Abstract：The design and application advantages of digital power supply are good，so the design of digital power supply has a higher practical value，which needs the attention of relevant personnel. Based on this，this paper designs a digital power supply for power driver chip UCD9222，and describes its overall design，hardware system design and software system design. At the same time，the importance of applying UCD7242 power conversion chip and tracking loop is expounded. The analysis results show that the digital power supply achieves the expected design goals.

Keywords：UCD9222;digital power supply;power conversion chip;tracking loop

0  引  言

近几年来，电子器件及相关技术不断发展，高性能芯片被开发出来，并得到了逐步的推广应用。对于高性能芯片来说，其运行需要高稳定性的电源提供基础保障。而随着数字信号处理技术的不断发展，电源设计中也引入了数字控制技术，相比于模拟系统来说，这种数字电源有着设计周期短、容易实现模块化管理、灵活性强、消除电磁干扰等优势。可以看出，设计数字电源具有较高的现实价值。本文主要设计了电源驱动芯片UCD9222的数字电源。

1  电源驱动芯片UCD9222数字电源的总体设计

在笔者设计的电源驱动芯片UCD9222的数字电源中，主要包含着负载设备、感容网络、UCD9222以及UCD7242。在这样的设计中，能够提供两种路线的电源输出，同时，这两路电源完全独立，所以相互之间并不能产生影响。在这一数字电源中，电压控制在0.5-1.0V的范围内，每一路电源的电流最高可以达到10A。在对其硬件系统进行设置时，主要使用了图像化编程软件，并结合PMBus总线，将经过编程后的数据转移至硬盘处完成运行。在完成一次设置后，第二次启动时并不需要再次进行设置。

2  电源驱动芯片UCD9222数字电源的硬件设计

2.1  硬件系统的总体设计

在该数字电源中，硬件系统主要由UCD9222以及UCD 7242构成。其中，UCD9222能够提供两路多相同步的数字PWM控制信号，作为一种数字PWM波形控制器存在。对于这两路数字PWM控制信号来说，其环路保持一致。在UCD9222结构中，电压跟踪环、温度跟踪环、电流跟踪环产生的三路信号（VinMon、Templ、LinMon）构成了PWM信号。对于这三路信号来说，会先经过A/D转换器（12位分辨率），在260ksps频率下完成采样;接着，经过比较器，实现对补偿滤波器IIR的控制;补偿滤波器在ARM的控制下，会输出具有较高分辨率的PWM波形，结合对其波形的改变，完成对UCD7242的控制。此时，UCD7242的输出电流与电压会发生改变，实现了整个的电源数字控制过程。

2.2  UCD9222的内部设计

UCD9222在进行输出电压EAP1/EAN1的反馈跟踪时，主要依托了内部包含的低速A/D转换器（6位）实现。同时，内部存在的温度感应器可以实现对芯片温度变化的监测，一旦温度超过了设定范围，则输出功率关断。利用这样的设计，能够避免输出功率过高造成器件损坏。

对于UCD9222芯片的管理来说，主要依托于内部APM核实现。对于用户来说，其可以调整UCD9222的各种配置参数，但是不能对APM核进行操作，这主要是由于APM核使用了程序固定。用户使用UCD9222中的软件配置工具即能够完成相关参数的配置，可操作的参数包括多种控制参数、输出的电流以及电压。当完成参数的配置后，软件会利用PMBus总线接口，将参数传输至UCD9222内部。APM核会读取这些参数，并完成芯片配置以及输出电流电压的控制。

在UCD9222中，包含着一个VID接口，能够对设备在静态以及动态情况下的功耗展开检测[1]。由于UCD9222本质属于PWM波形控制芯片，所以并不具备电源转换的功能。为了弥补这一功能缺陷，笔者将UCD9222外接了电源转换芯片UCD7242，为UCD9222提供了两路输出电压。在这样的设计方式下，该数字电源具备了电路转换的功能，有着更好的使用稳定性。

2.3  UCD9222的硬件电路设计

在PMBus中包含着四根总线，在设计中，要将所有的总线连接，为UCD9222软件设计提供硬件条件。在UCD9222与电源转换芯片UCD7242的连接中，对每路输出电压设置了三个引脚，包括Isense-1A、FF-1A、PWM-1A。其中，Isense-1A为电流监控引脚;FF-1A为电压监控引脚。当电流与电压超过了设定的数值时，两引脚能够有效识别，并关断UCD9222的输出，实现对电路的保护。PWM-1A为PWM的电压控制信号，主要参考输入与输出电压、工作电流完成波形设置。

当电流或电压小于设定数值时，PWM的占空比会提升，实现了更大功率地提供，避免负载电压降低，维持系统运行状态的正常。如果在系统的负载芯片中包含VID接口时，也可以将UCD9222直接与该接口连接。此时，负载芯片作为处理器，实现了对电流与电压的检测，能够自动利用VID接口将控制参数传输至UCD9222中，完成对电流与电压变化的控制。

2.4  UCD7242的硬件电路设计

由于UCD9222并不具备电源转换功能，所以需要加设UCD7242电源转换芯片。在UCD7242的硬件电路中，由于数字电源提供的电压处理芯片要求较高，例如：多核处理器、DDR3等等。所以，笔者在电压的输出引脚附近设置了不同封装以及不同容值的电容，包括VDD1V0、CVDD等等。

在进行负载电感以及负载电容的计算中，可以使用以下公式：L=[（Vin-Vout）/I]×（1/12fs）、C=I/（8VPPQ×fs）[2]。其中，Vin和Vout分别代表输入与输出电压;I代表输出电流;fs代表开关频率;VPPQ代表输出的纹波电压。

在本次电源驱动芯片UCD9222数字电源的设计中，设定的参数具体如下：输出的纹波电压小于等于10mV;两路输出电流分别为8A及5A;开关频率为750kHz;输入电压为12V;两路输出电压均为1V;CVDD的负载电感与负载电容分别为0.152μH和133.3μF;VDD1V0的负载电感与负载电容分别为0.243μH和83.3μF。

在进行UCD7242的硬件电路设计中，也可以通过对负载电感、负载电容、开关频率等进行修改，以实现对输出纹波电压的有效条件。此时需要相关人员注意的是，上述计算负载电感以及负载电容的两个公式仅只表达了UCD7242的正常工作曲线，若是当纹波电压的设置低于芯片的工作范围时，则纹波电压不受上述公式的控制。

3  电源驱动芯片UCD9222数字电源的软件设计

3.1  软件系统的总体设计

对于该数字电源的软件系统设计来说，其主要工作就是完成UCD9222的参数配置。笔者主要使用了PMBus总线完成了相應的参数配置，这要求用户对UCD9222寄存器设置十分熟悉。在这一过程中，可以通过Fusion Digitial Power Designer System的下载与安装，结合USB接口转PMBus接口数据线，即能够实现对UCD9222寄存器的读写、编程以及设置等工作[3]。在完成电源驱动芯片UCD9222数字电源的软件系统设计后，能够获取相关的电流、电压、相位等参数的曲线图，也能够获得输出相频特性曲线、输出幅频特性曲线等。在本次电源驱动芯片UCD9222数字电源的软件系统设计中，设置的参数具体为：输出电流8A、输出电压1V、输入电压12V。

3.2  补偿器

结合由上述设计完成后得出的基于比较补偿器的输出幅频特性曲线能够看出，在不同的频率段中，补偿器的直接输出所反映出来的幅度存在差异。结合输出相频特性曲线能够看出，在低频段（即低于1kHz的区间）中，线性相位关系较好;一旦超过1kHz，则会表现出十分明显的超调现象。

对于电压来说，其在各个频段都有着较为明显的幅度变化，同时，在不同的频段中也均具有非线性的相位，所以会对电路中其他器件的性能产生一定的影响，例如：对A/D转换器的转换精度产生影响;对FIR滤波器的幅频特性产生影响等等。

3.3  跟踪环路

结合上述的分析能够发现，电压会对电路中的其他器件产生影响。为了避免这一现象的发生，笔者在电源驱动芯片UCD9222数字电源中加入了跟踪环路。通过这样的方式，能够实现对电压变化的实时跟踪。此时，输出曲线能够紧贴信号的相位变化与幅度变化，仅仅存在一个固定的比例。此时，幅度与相位的变化极为稳定，电压对系统的影响明显降低，确保反馈控制能够更加迅速、精准地展开。

4  结  论

数字电源有着设计周期短、容易实现模块化管理、灵活性强、消除电磁干扰等优势，所以，设计数字电源具有较高的现实价值。通过加入UCD7242电源转换芯片，结合负载设备、感容网络、UCD9222以及跟踪环路等的应用，实现了电源驱动芯片UCD9222数字电源的设计。在该数字电源中，由于使用了UCD7242电源转换芯片，所以具备两路电源;同时，由于使用了跟踪环路，所以降低了电压对系统器件的影响，提升了反馈控制的准确性与迅速程度。经过检验发现，该数字电源达到了预期的设计目标，具有较高的使用价值。

参考文献：

[1] 吕贵勇.基于DSP的大功率数字电源的设计与实现 [D].长沙：湖南大学，2016.

[2] 巴俊皓，黄芝平.高性能多核DSP的电源方案设计与调试 [J].单片机与嵌入式系统应用，2015，15（11）：56-58+61.

[3] 蔡湘平.电源驱动芯片UCD9222的数字电源设计 [J].单片机与嵌入式系统应用，2013，13（1）：45-47+51.

作者简介：黄俏（1984.01-），男，汉族，广东龙川人，中级职称，硕士，研究方向：SOC芯片设计。