EXAR创新多路数字电源解决方案 解决方案, 稳定性, 设计工程师, 创新, 电源

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现今的电子系统更多的依赖于数字设计，从分立的逻辑门到复杂的FPGA、CPLD以及DSP，数字化进程加剧。随之带来的是对电源的设计要求越来越高，电源之间的交互、控制以及如何简化电源设计为众多工程师所关注，而数字电源控制技术的低成本、灵活性与堪比模拟电源的稳定性则成为实现这一梦想的关键。
Exar PowerXR数字电源解决方案——XRP77XX系列芯片的“数字”特性完全摒弃了传统电源所需的外部无源控制元件，成功集数字与模拟两个领域的顶级性能于一身，将开发时间由数周缩短至数个小时，使系统设计工程师得以将产品快速投放市场，赢得显著竞争优势。同时，针对不断变化的设计需求和条件，PowerXR数字电源解决方案还具有完全的可适应性和可再用性。
现代系统对电源的要求
现代系统对电源方案提出了更为严苛的要求，概括起来分别是三个不仅仅。不仅仅只是功率转换，功率转换能够满足系统的最基本需求;不仅仅只是时序、功率管理，功率管理提升了系统的灵活性;不仅仅只是电源通讯，通讯提升了系统的智能性。综合来看，现代系统需要电源同时具备以上三种能力，同时还要简单易用并且便宜。
PowerXR数字电源
EXAR的PowerXR数字电源具有众多优势，那么，它能给设计带来什么呢?
首先，在硬件方面，单芯片解决方案代替了数十个IC才能完成的功能。完整的电源管理带来更高的系统可靠性，并且集成MOS驱动。在全温度范围内有着更好的稳压精度;具有高功率密度。效率高，方案可以达到大于90%的效率。
其次，在软件方面，PowerXR具有简易的开发环境并且支持重复编程。
最后，在通信方面，PowerXR具有完整的电源监控并可以轻松实现远程控制。
PowerXR数字电源功能功能框图如图1所示。实现的功能如下：


图1 PowerXR数字电源功能功能框图
•单电源供电(4.75V~25V)
•独立的四(三)通道集成高电流驱动
的降压控制器
• 3.3V 或者5V数字可选待机LDO
•最高1.5MHz开关频率
•优化的状态机结构，只需要200个
左右寄存器
• 6个可配置输入/输出口
• I2C完全可编程
•数字延迟以及斜率控制
•电压、电流、温度以及状态监控
PowerXR应用原理图如图2所示。


图2 PowerXR应用原理图
PowerXR数字电源控制器方框图如图3所示。数字功率控制如图3中上面的红色框所示，数字功率管理部分如中间的蓝色框所示，数字通信部分如图中下面的红框所示。


图3 PowerXR数字电源控制器方框图
PowerXR技术概况如下：
• 0.18μm BiCMOS混合信号工艺
•低功耗1.8V数字内核
•状态机结构，不需要执行代码、固件
• 30多项数字电源核心专利
•只需要配置200个左右状态寄存器
通过对内部各寄存器的灵活配置，可以实现各种复杂的系统电源需求。PowerXR反馈ADC，相当于具有两个输入范围的9位分辨率ADC。在数字PWM设计方面，计数器实现方式要得到1.5MHz的开关频率，采用8位计数器，需要384MHz时钟，功耗大。Exar采用DLL和Sigma Delta控制方式，1.5MHz的开关频率，8位分辨率只需要48MHz的内部时钟，而800kHz的开关频率，只需要25.6MHz的内部时钟。
通过数字补偿设计、多通道时序控制、更高的功率密度增加PowerXR效率，效率曲线如图4所示。


图4 PowerXR效率曲线
PowerXR数字电源开发环境是EXAR数字电源开发软件(PowerArchitect)，它能轻松帮您完成电源设计。具体有：按照使用者的需求只需鼠标键盘简单操作完成电源设计;软件会根据使用者的不同需求推荐给使用者优化外围器件参数;根据设计参数，模拟出波特图分析其电源工作的稳定性;实时监测电源的工作状态。
PowerArchitect可以得到需要设计的各项指标，包括输入电压、开关频率、输出电压、工作相位、输出电流、时序设计和输出电感电容选择。数字化设计包括I²C配置、LDO配置、各通道使能控制方式、多种GPIO口配置满足使用者的需求。通过使用PowerArchitect还可以轻松完成复杂的环路设计。它会根据设计软件会自动绘制出开环曲线，可以进行带宽调整，满足动态指标的苛刻要求，零、极点的放置可满足环路的稳定，还可以用来检测相位余量是否满足。通过软件可以实时监测电源状态，比如电压、电流、GPIO状态、工作相位。
XRP7724
PowerXR产品选型表如表1所示。
表1 PowerXR产品选型表


XRP7724是EXAR可用于手持设备的数字电源芯片，轻载可配置工作在DPFM(数字调频模式)大大提高了轻载效率。EXAR的DPFM专利使其成为全球较为领先的使用数字化的方式实现PFM，并且拥有三种不同的DPFM配置模式，大大提高了设计灵活性。具有更低的静态电流，低至600μA，现有方案为10mA。它的DPWM精度提升为14bit，ADC精度提升为10s，带来更好的稳压精度和jitter表现。
问：电源自身具备哪些有效的保护措施或优势?
答：电源具备过流、短路、过压、过流保护，并且在保护发生前可设定告警状态位，当异常发生前提前作出相应处理。
问：电源对噪声的应对能力怎样?EMI如何?
答：EMI的设计和模拟电源一样，和布板有着非常大的关系，数字电源一个芯片解决了4路DC/DC，有着很高的功率密度，能减少功率部分的面积，可以从这个方面考虑有利于EMI和EMC的设计。
问：多路电源之间会产生互扰吗?
答：在合理布板的情况下，可以大程度地降低多路的互扰，并且EXAR数字电源每个通道可设定不同的工作相位，工作更加独立。
问：该多路数字电源解决方案的输出电压质量如何?纹波范围?
答：纹波和模拟电源一样取决于外围元器件和频率的选择，支持陶瓷电容，较大程度上减低输出纹波，使输出保持稳定。
问：器件的供电电流有多大?
答：最多四路DC/DC，加一路LDO，每路DC/DC集成MOS驱动，具体电流视所选MOS管决定，实验验证两路20A，两路10A。输出电压0.6V~5.1V可调，需要更高电压需要外加分压电阻。
问：数字电源的待机功耗是多少?封装方式有哪几种?
答：待机功耗10mA，7724待机功耗<4mA。使用QFN封装。
问：数字电源具备低碳优势吗?
答：新一代的数字电源支持DPFM，具备轻载高效功能，当然也就具备低碳优势。
问：请问在大输入输出压差条件下，如何实现提高电源效率和降低输出电压?
答：该方案可以通过合理选择外围元器件和频率来提高效率。
问：需要利用集成元器件来简化外部电路的设计吗?
答：EXAR数字电源仅仅需要外围一些必须的功率元器件完成负载的电源系统设计。
问：可以提供物美价廉的具有市场竞争优势的设计吗?
答：如果您的电源设计在线座谈里面介绍的大多数功能，那么该方案是现有市场上较为物美价廉的方案。
问：器件提供多种封装吗?
答：器件提供多种封装，如QFN32、QFN40、QFN44，视具体型号而定。
问：这个器件可以做电源控制吗?
答：完全可以。
问：请问该芯片的温度性能怎样?最高可工作到多高的温度?
答：可以达到工业级的125℃高温。
问：具体的MTBF试验数据是多少?
答：42 735 000，详细情况可以参考数字电源可靠性报告。
问：此产品无需散热片吗?
答：是的，无需额外散热片。