如何解決在開發(fā)現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時面臨的問題？

電力電子行業(yè)的設計人員需要采用新的技術(shù)和方法來提高系統(tǒng)性能。結(jié)合使用C2000實時MCU和GaN FET可應對效率和功率密度方面的挑戰(zhàn)。

內(nèi)容概覽

本白皮書探討了具有集成驅(qū)動器的TI氮化鎵(GaN)場效應晶體管(FET)和TI C2000TM實時微控制器 (MCU)的各項特性如何配合解決電力電子員在開發(fā)現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時面臨的問題。設計人員在開發(fā)現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時面臨的問題。

1. GaN 將徹底改變電力電子市場

您可能認為GaN是一項新興技術(shù)，但TI的GaN技術(shù)可以解決行業(yè)挑戰(zhàn)，并已準備好進行大規(guī)模部署。

2. 為GaN選擇合適的數(shù)字控制器

GaN具有巨大的潛在優(yōu)勢，但只有選擇了合適的數(shù)字控制器才能完全發(fā)揮出這些優(yōu)勢。

3. 通過高開關頻率降低系統(tǒng)成本

GaN具有高開關頻率，因此可以減少功率磁性元件、風扇和散熱器，同時C2000實時MCU可以解決由此帶來的固有控制挑戰(zhàn)。

4. 將C2000實時MCU與GaN器件連接

C2000實時MCU無需外部膠合邏輯即可控制TI GaN FET并獲得GaN FET的所有反饋。

服務器電源和通信電源是市場上受益于GaN技術(shù)的兩個用例。數(shù)字通信基礎設施市場持續(xù)增長。據(jù)估計，機架服務器市場將在未來五年內(nèi)翻番，而超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心將以近20%的年復合增長率增長。

在快速發(fā)展的趨勢下，人們對效率、功率密度和瞬態(tài)響應的要求也不斷提高。GaN FET顯著降低了開關損耗并提高功率密度，從而可幫助解決隨著市場增長而尺寸不斷擴大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

本白皮書探討了具有集成驅(qū)動器的TI GaN FET和TI C2000實時MCU的各項特性如何以獨特的方式解決電力電子設計人員在開發(fā)現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時面臨的問題。

GaN將徹底改變電力電子市場

雖然GaN技術(shù)已凸顯出許多潛在的優(yōu)勢，但您仍不免對它的實用性有一些擔憂。盡管人們普遍認為GaN FET是一項新技術(shù)，但實際上這項技術(shù)已經(jīng)存在20多年了。成本、保護特性和可靠性這三個因素使人們并不看好GaN，但TI的GaN器件系列解決了所有這些問題。

「成本」

TI GaN FET采用的硅基GaN工藝利用了TI現(xiàn)有的工藝技術(shù)節(jié)點。我們不僅可以避免使用碳化硅或藍寶石等昂貴的基板，還可以在使用硅技術(shù)中發(fā)揮多年的專業(yè)優(yōu)勢。TI可完全在內(nèi)部進行開發(fā)、測試和封裝，因此可實現(xiàn)GaN的成本優(yōu)勢，而且在未來還會進一步降低成本。

「保護特性」

TI的GaN技術(shù)提供了豐富的診斷和自我保護特性。GaN FET可以自動檢測并處理過流、短路、欠壓和過熱等故障，同時將這些故障報告給MCU來修改控制算法，從而防止這些故障再次發(fā)生。

「可靠性」

TI已對其GaN器件進行了超過4000萬小時的可靠性測試，并且10年使用壽命的時基故障率小于1。除進行固有的可靠性測試之外，我們還在超嚴苛的開關環(huán)境下對GaN器件進行了應用內(nèi)應力測試，并轉(zhuǎn)換了超過5GWHrs的能量。

TI GaN器件通過將FET驅(qū)動器和GaN FET集成到同一個封裝中，解決了成本、保護特性和可靠性方面的問題。TI GaN FET具有可快速開關的2.2MHz集成柵極驅(qū)動器，與硅器件相比，可實現(xiàn)兩倍的功率密度和99%的效率。該技術(shù)在交流/直流應用中可提供超低的損耗和超高的效率。此外，集成的高速保護特性和數(shù)字溫度報告功能可對電源單元(PSU)進行主動電源管理和熱監(jiān)測。憑借所有這些獨特的優(yōu)勢，TI技術(shù)使GaN的應用成為現(xiàn)實。

為GaN選擇合適的數(shù)字控制器

GaN能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關頻率，從而提高電源的效率和功率密度。要實現(xiàn)這些，通常需要更復雜的電源拓撲和控制算法，例如零電壓開關、零電流開關或采用混合磁滯控制的電感器-電感器-電容器(LLC)諧振DC/DC變換。

數(shù)字控制器只適合用于復雜的拓撲，因此，您需要一種既能處理時間要求嚴格的復雜計算，又提供精確控制還可以通過軟件和外設兼容性擴展的數(shù)字控制器。C2000實時MCU恰好能滿足這些要求。圖1展示了C2000實時MCU和GaN FET驅(qū)動器。

「C2000實時MCU指令效率」

C2000實時MCU具有高級指令集，可顯著減少復雜數(shù)學計算所需的周期數(shù)。計算時間的減少意味著可以在不提高器件工作頻率的情況下提高控制環(huán)路頻率。用戶可在不間斷的情況下自動實現(xiàn)效率提升。代碼編譯器、中央處理器(CPU)流水線和指令集均用于更大程度提高每個指令周期的計算能力。

用戶對浮點單元(FPU)和三角函數(shù)加速器(TMU)更為了解。將這些增強的指令緊密集成到C28x內(nèi)核后，可以利用流水線來使指令像常規(guī)CPU指令一樣并行執(zhí)行，從而進一步提高每個時鐘周期的效率。

例如，與標準定點計算相比，F(xiàn)PU的速度提高了2.5倍以上。同時，F(xiàn)PU還使C28x內(nèi)核能夠利用基于模型、使用浮點數(shù)學運算的仿真工具和代碼生成工具。這意味著可以花更少的時間來開發(fā)代碼和進行系統(tǒng)驗證，并更快將產(chǎn)品推向市場。

TMU作為FPU的補充，與單獨的FPU相比，可將性能提高近20倍。在采用C2000實時MCU的雙向高密度GaN CCM圖騰柱PFC參考設計中，當嘗試計算脈寬調(diào)制器(PWM)對時間和死區(qū)時間的控制時，可以將這些計算的時間從大約10μs減小到小于0.5μs，帶來的好處顯而易見。因此，可以逐周期執(zhí)行自適應死區(qū)計算，從而對GaN FET進行更精確、更有效的控制。

「滿足瞬態(tài)響應要求」

為什么小周期的逐周期效率很重要?一個原因就是這些效率可確保滿足更快的瞬態(tài)響應要求。

瞬態(tài)響應要求描述的是電源對負載變化做出反應的速度。例如，由于服務器中使用的現(xiàn)代處理器需要更高的功率，因此更不容易滿足瞬態(tài)響應要求。以前通常是1A/μs; 但如今的標準要求2.5A/μs甚至更高。提高控制環(huán)路的頻率可以通過提高靈敏度和瞬態(tài)響應速度產(chǎn)生直接的效果。C2000實時MCU的獨特處理能力可以幫助滿足這些瞬態(tài)響應要求。

為了滿足5A/μs或更高的極端瞬態(tài)響應要求，C2000實時MCU會利用其集成的模擬功能完全通過硬件發(fā)出PWM信號，無需使用外部元件。實現(xiàn)該控制的方法是，使用集成的模擬比較器將反饋信號與通過內(nèi)部12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)實現(xiàn)的固定設定點或斜坡發(fā)生器信號進行比較。這種技術(shù)可以增加完全基于硬件的控制環(huán)路的獨特速度優(yōu)勢，同時還可以保持數(shù)字控制器的靈活性。在執(zhí)行過程中會持續(xù)監(jiān)測PWM跳變點，并通過微調(diào)軟件控制環(huán)路內(nèi)部的DAC輸出來調(diào)整跳變點，完全獨立于PWM跳變。最終，C2000實時MCU可以對不斷變化的負載提供超快的響應時間，同時保持滿足效率標準的靈活性。

「實現(xiàn)精確、安全的系統(tǒng)控制」

GaN FET的擊穿和第三象限傳導電勢需要高精度控制。C2000實時MCU中的高分辨率PWM可為PWM的周期、占空比、相位和死區(qū)提供150ps的分辨率。結(jié)合使用跳閘區(qū)域子模塊與內(nèi)置模擬比較器可以安全處理異常，此時它們完全異步運行，并能夠在25ns內(nèi)關斷PWM輸出，而無需CPU干預。

「多相系統(tǒng)簡單易行」

除了單相設計，C2000實時MCU還可以解決多相設計的問題; 在多相設計中，所有相位必須保持同步以防止系統(tǒng)故障，因此須考慮修改PWM的頻率、占空比或死區(qū)。按順序?qū)@些值進行更新在如今是很普遍的做法，但需要對硬件以及所有可能的代碼排列有全面的了解，這一點在基于中斷的嵌入式系統(tǒng)中很難做到。

C2000實時MCU的全局加載機制可以解決PWM更新問題，其做法是在一個指令周期內(nèi)更新所有必需的PWM寄存器來，完全無需CPU干預。這項創(chuàng)新功能可以控制高頻交錯式LLC拓撲，同時消除通常由順序更新引起的一些間歇性、不可重復的錯誤。使用全局加載機制不僅可以使系統(tǒng)更穩(wěn)健和安全，而且可以減少系統(tǒng)驗證工作量。

「C2000實時MCU產(chǎn)品系列的可擴展性」

低成本的C2000實時MCU(例如F280025C)降低了C2000實時MCU產(chǎn)品系列(如下頁圖2所示)的成本，同時既適用于小型服務器電源設計，又能提供獨特的處理和控制功能。隨著系統(tǒng)要求的變化，C2000平臺支持向上或向下擴展實時MCU功能(模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入、計算能力、PWM通道、封裝)，同時保持軟件投入，以便加快產(chǎn)品上市速度。

圖2. 支持TI GaN器件的C2000實時MCU產(chǎn)品系列。

通過高開關頻率降低系統(tǒng)成本

我們在前文已經(jīng)討論了TI GaN和C2000各自的優(yōu)勢，接下來我們將了解系統(tǒng)層面的優(yōu)勢。以前，由于FET的開關損耗，切換轉(zhuǎn)換器的最大速率被限制到幾百千赫茲。為提高開關頻率，只好更大程度降低磁性元件的尺寸，結(jié)果對功率密度和系統(tǒng)成本產(chǎn)生了負面影響。

如前文所述，TI GaN器件中的集成驅(qū)動器可實現(xiàn)高達2.2MHz的開關頻率，且開關速度大于150V/ns，

與分立式GaN FET相比，速度提高到了兩倍，損耗降低了一半。這種集成特性與低電感封裝技術(shù)相結(jié)合，可提供干凈的開關和超小的振鈴。這些功能有助于減小電源系統(tǒng)所用磁性元件的尺寸，并通過消除對風扇或散熱器的需求和提高功率密度，最終降低系統(tǒng)成本。

「克服更高開關頻率所固有的挑戰(zhàn)」

TI GaN器件可以提高系統(tǒng)開關頻率，將磁性元件尺寸減小到原尺寸的五分之一，實現(xiàn)比同類硅器件功率因數(shù)校正(PFC)應用高三倍的功率密度。這些器件不僅在PFC級體現(xiàn)出優(yōu)勢，而且在所有電力電子系統(tǒng)中都能一展所長。

那么有什么潛在的缺點呢?實際上，凡事有利也有弊，提高開關頻率也面臨著種種缺陷和設計挑戰(zhàn)。例如，在圖騰柱PFC中，減小電感器的尺寸可能會導致其他控制問題，例如增加死區(qū)引起的第三象限損耗。C2000實時MCU的獨特功能集通過以下特性解決了這一問題:

? C2000實時MCU提供150ps的高分辨率死區(qū)，可實現(xiàn)更精細的邊沿位置并減少不必要的第三象限損耗。

? 如前文所述，TMU支持自適應死區(qū)控制方案，通過加快計算速度進一步減少損耗。

減小圖騰柱PFC中的輸入電感器會導致過零點處的電流尖峰增加，從而對總諧波失真產(chǎn)生負面影響。當輸入波形在正向和反向之間切換時，電流尖峰會增加，從而在同步有源FET反向時引起浪涌電流。電感器兩端的電壓以及FET和二極管的輸出電容不斷累積，是促使浪涌電流產(chǎn)生的主要原因。C2000實時MCU可通過復雜的影子加載方案解決這些問題。這一方案使MCU能夠以超少的CPU開銷實現(xiàn)軟啟動算法。

最后，集成模擬功能的速度和并行性對于提高數(shù)字微控制器中的控制環(huán)路頻率至關重要。沒有此功能，就不可能實現(xiàn)具有集成驅(qū)動器的TI GaN器件的全部優(yōu)勢。F28002x系列具有多達16個獨立的模擬通道，這些通道連接到2個獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個轉(zhuǎn)換器均具有出色的性能，包括2個最低有效位(LSB)的積分非線性(INL)、1個LSB的差分非線性(DNL)、11位的有效位數(shù)(ENOB)，且速率高達3.45兆樣本/秒(MSPS)。由于可以靈活啟動轉(zhuǎn)換觸發(fā)器，多個ADC規(guī)格的實現(xiàn)可同時對多個反饋源進行采樣。這些轉(zhuǎn)換觸發(fā)器與PWM單元緊密耦合，可通過調(diào)整獲得最佳實時控制策略。例如，通過同時測量交流電網(wǎng)的線電壓和中性點電壓，可以使控制環(huán)路運行得更快，并提供更高的系統(tǒng)精度。

在GaN的驅(qū)動下達到更高效率標準和功率密度要求后，又出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn)。C2000實時微控制器經(jīng)過獨特設計，可以解決在減小磁性元件和提高系統(tǒng)頻率時引入的固有控制問題。

將C2000實時MCU與TI GaN器件連接

C2000實時MCU和GaN器件之間的連接器件包括一個數(shù)字隔離器，例如下面圖3所示的ISO7741-Q1。此隔離器件有助于抑制瞬態(tài)噪聲并保護C2000實時MCU。微控制器、隔離器件和GaN器件都是必不可少的連接器件。

TI數(shù)字隔離器具有高達5.7kVrms的高隔離額定值并支持高達150Mbps的速度，非常適合作為C2000實時MCU與GaN FET之間的隔離柵。隔離器提供了在器件之間建立精確控制與反饋路徑所需的速度和低延遲

「控制」

GaN FET的控制是通過使用高分辨率PWM模塊實現(xiàn)的。該模塊可提供150ps的分辨率，從而實現(xiàn)PWM的周期、占空比、相位和死區(qū)控制。PWM輸出端的集成跳變區(qū)域子模塊可在25ns內(nèi)響應反饋，無需CPU干預。

「反饋」

C2000實時微控制器集成了獨特的外設集，可對TI GaN器件(包括最近推出的LMG3425R030)的反饋信號進行采樣，無需其他分立式元件。反饋來自兩個主要來源:

? 故障報告：LMG3425R030會對其故障信息進行編碼。鑒于在軟件中進行故障處理存在相關的延遲，在軟件中解碼這些信息可能會產(chǎn)生不良影響。為了加快響應速度，可在器件外部對故障信號進行整合，但這需要使用分立式元件。C2000實時MCU使用自身的可配置邏輯塊(CLB)來讀取、處理和響應GaN器件產(chǎn)生的故障情況，無需使用軟件和外部元件，從而優(yōu)化了性能并降低了系統(tǒng)成本。

? 溫度監(jiān)測：LMG3425R030器件的溫度監(jiān)測輸出為占空比可變的固定頻率信號。常見的實現(xiàn)方式需要使用外部濾波器來實現(xiàn)基于PWM的DAC，而該DAC又需要由ADC進行采樣。C2000實時MCU的增強型捕捉模塊完全省去了這些外部元件，同時無需CPU開銷即可捕捉溫度信息，因此進一步降低了成本并節(jié)省了布板空間。

結(jié)束語

在現(xiàn)代數(shù)字電源系統(tǒng)中，效率和功率密度標準帶來了諸多挑戰(zhàn)。TI GaN器件提供了可靠且價格合理的技術(shù)，同時實現(xiàn)了更高的功率密度和更高的效率。ISO7741-Q1提供了具有成本效益的接口，而C2000實時MCU解決了與當今復雜的控制方案相關的難題。這些器件協(xié)調(diào)工作，可為現(xiàn)代數(shù)字電源系統(tǒng)提供靈活而簡單的解決方案，同時仍提供先進的功能來實現(xiàn)超安全、超高功率密度的高效數(shù)字電源系統(tǒng)。

開發(fā)人員可立即刷新電源效率和功率密度記錄，TI將利用25年來在實時數(shù)字電源控制、電力電子、硬件和軟件領域累積的經(jīng)驗，提供經(jīng)過全面測試的詳細參考文件，幫助設計人員更輕松地實現(xiàn)目標。

原文標題：結(jié)合使用TI GaN FET和C2000?實時MCU實現(xiàn)功率密集且高效的數(shù)字電源系統(tǒng)

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責任編輯:haq