我以德州儀器 (TI) 的UCD3138為例介紹了如何設計數(shù)字電源 ，并重點介紹了硬件設計。在本期中，我將解釋如何編寫固件以使其工作。

固件

與模擬電源轉換器設計通過硬件控制一切不同，固件是數(shù)字控制的“靈魂”；幾乎所有主要功能都是通過代碼實現(xiàn)的。由于代碼受到實時限制，中央處理器 (CPU) 帶寬有限，因此具有組織良好的固件結構非常重要。

我們可以將 CPU 處理的任務分為兩類：時間關鍵型和非時間關鍵型。時間關鍵任務包括 ADC 測量、環(huán)路控制、系統(tǒng)保護和狀態(tài)機。非時間關鍵任務通常包括 PMBus/通用異步接收器/發(fā)送器 (UART) 通信、故障記錄等。

基于這兩類，固件分為兩個主要部分：中斷循環(huán)，處理時間關鍵的任務；以及處理非時間關鍵任務的后臺循環(huán)。圖 1 說明了固件結構：

圖 1：固件結構

后臺循環(huán)的框圖很簡單：系統(tǒng)初始化后，CPU進入無限循環(huán)。所有非時間關鍵的任務都在這個循環(huán)中執(zhí)行。同時，定時器會產生固定頻率的中斷。如果任何時候有中斷，CPU 會停止它正在做的事情，存儲所有相關數(shù)據(jù)并跳轉到中斷程序。一旦中斷例程完成，CPU 就會回到后臺循環(huán)并從它停止的地方繼續(xù)。

中斷循環(huán)更復雜。它測量 ADC 輸入、控制轉換器并負責系統(tǒng)保護。中斷循環(huán)的關鍵部分是狀態(tài)機，它指示轉換器的當前狀態(tài)，轉換器在這個狀態(tài)下需要做什么，轉換器接下來應該做什么。圖 2 是一個簡單的狀態(tài)機示例：

圖 2：狀態(tài)機圖

CPU 繼續(xù)監(jiān)視輸入電壓。一旦輸入電壓超過預定義閾值，轉換器就會開啟并開始執(zhí)行軟啟動，而輸出電壓會線性增加，直到達到設定點。一旦輸出電壓達到該設定點，轉換器就會進入調節(jié)模式，它將一直停留到發(fā)生故障或被命令關閉。如果在任何時候發(fā)生故障，轉換器將關閉并鎖定，除非被命令重新啟動。

使用圖形用戶界面

TI 的 Fusion Digital Power Designer 圖形用戶界面 (GUI) 簡化了由UCD3138控制的電源轉換器設計。通過 PMBus 與 GUI 對話，我們可以實時監(jiān)控電源運行狀態(tài)、配置運行參數(shù)和調整控制回路。

GUI 支持最流行的拓撲結構，包括 PFC、LLC 和相移全橋。不同的拓撲將有不同的 GUI 界面。固件中的設置 ID 告訴 GUI 拓撲是什么，以便它打開一個接口來適應該拓撲。圖 3 顯示了 PFC 轉換器的 GUI：

Figure 3: UCD3138 GUI

溝通

數(shù)字控制器可以監(jiān)控轉換器并與主機通信；反過來，主機可以向轉換器發(fā)送命令，以執(zhí)行諸如輸出電壓調整、上電排序、遠程開/關控制等任務。在隔離式 AC/DC 應用中，PFC 后跟隔離式 DC /DC轉換器，UART用于PFC與DC/DC之間的通信，PMBus用于DC/DC與負載/主機之間的通信，如圖4所示。

圖 4：隔離 AC/DC 系統(tǒng)中的通信

對于PFC和DC/DC之間的UART通信，目前還沒有行業(yè)標準協(xié)議；但是，UCD3138團隊已經開發(fā)了一個完整的主/次通信協(xié)議示例，可供使用。 

希望現(xiàn)在我們對如何設計數(shù)字控制電源有了大致的了解。盡管我在本系列中給出的設計示例基于升壓轉換器，但同樣的設計原則也適用于其他拓撲。功率級與模擬解決方案相同，但控制實現(xiàn)不同：一個是通過代碼實現(xiàn)，可以動態(tài)改變，另一個是硬件實現(xiàn)，是固定的。固件開發(fā)在數(shù)字轉換器設計中需要大量工作。編寫代碼對模擬工程師來說可能是一個挑戰(zhàn)，但是一旦你習慣了它，你就會享受到數(shù)字電源的優(yōu)勢。