廣芯微發布基于自研芯片的DC-DC數字電源平臺方案

概述

數字電源（Digital Power）是一種能夠通過微處理器控制的開關電源（SMPS），其輸出電壓、電流等參數都可以由數字信號進行實時和連續的調節，通過輸出相應的PWM波形控制開關管驅動變化，從而精確調控電源輸出電壓、電流等參數，提供更加穩定可靠的電源輸出。采用數字電源技術，可以提升功率密度、實現更快的控制環路，該系統還可以通過通信接口實現與遠程控制器等設備的通信，實現遠程操作和數據分析，提高了電源系統的智能化程度。

相比傳統模擬電源，數字電源具有以下優點：

1. 高精度：數字電源通過精確的計算和控制，可以實現一個更加精確的電源輸出。

2. 快速響應速度：數字電源反應速度更快，在瞬變或轉換負載時更加平緩和穩定，不會因為電源過沖或欠壓而導致設備出現異常。

3. 穩定性：數字電源采用高精度運算放大器，數值控制后鎖定輸出，容易防止外部環境造成的干擾和漂移問題。

4. 便于集成：數字電源可以輕松地與其他裝置集成，控制簡單。

5. 多樣化功能：數字電源集成了包括過流保護、過載保護、過壓保護、恒流、恒功率等多種功能。

為給客戶提供一個寬范圍的電壓輸入輸出、穩定高效、安全可靠的電源轉換的參考設計方案，廣芯微電子（廣州）股份有限公司圍繞自研芯片設計了一套DC-DC數字電源方案平臺，該方案可應用于家庭儲能、小型便攜儲能、大功率多路移動電源、智能電池管理等多種場景。

DC-DC數字電源平臺總體框架圖

平臺硬件模塊包含：

基于UM3243G/F 系列ARM Cortex M4F MCU芯片的控制板；

Gate Driver + GaN （氮化鎵）功率板；

BMS保護板（針對電池應用）；

基于UM3506的PD快速充電接口板。

平臺系統方案選用Free RTOS作為實時操作系統以處理各種事務：

DC-DC控制模塊可以支持 單向Buck降壓控制 /雙向Buck-Boost升降壓控制；

檢測模塊可以檢測電壓、電流、溫度等；

充電管理模塊，支持涓流、恒流、恒壓等；

BMS模塊，主要實現功能包括一級保護、電芯平衡、計量、SOC/SOP/SOH等；

系統管理，有系統配置、數據存儲、屏顯等；

PD快充協議庫，則是基于TCPM的接口庫，用以實現PD接口的控制；

系統也預留擴展接口，可以提供簡便的二次開發；最右邊默認提供UI以及CLI，通過串口實現便捷的板級調試；

上層還提供可選通信模塊、策略管理模塊以及板級互聯管理。

子模塊介紹

以下為數字電源平臺方案中三個主要的子模塊：

DC-DC升降壓控制模塊

在DC-DC升降壓控制模塊中，除了主控MCU外，還由開關管和Gate Driver這兩大主要部件組成。通過多通道的定義，實現兩路DC-DC電源變換，其中一路可以實現雙向的Buck-Boost，輸入電壓支持5V到48V，輸出電壓12V到48V，并支持充電管理。而單向的Buck支持輸入電壓為12V到48V，輸出電壓則可以5V到28V。除了電壓變換外，該模塊也可支持動態電流限制。

DC-DC升降壓變換參考設計

BMS電池管理系統模塊

電池管理系統模塊采用高端串聯架構方案，靈活電芯串數配置。主要功能包括，電壓、電流以及溫度測量、電池健康狀態、電池剩余電量、電池能提供功率的狀態、電芯充電平衡、電池一級保護、計量、上電自檢、自校準，并通過I2C與后端的MCU作信息交互。

BMS 電池管理系統

可選PD接口模塊

可選的PD接口模塊 既支持采用獨立的PD芯片，也支持采用TCPC類型的PD協議芯片開發設計。主控芯片UM324x通過I2C控制PD接口和同步狀態信息，TCPM的控制功能也是可選支持的，而電源的系統策略則統一做在主控板上，以實現功率的統一分配與調度，電壓檔位調整由主控按端口獨立調整。

可選PD接口參考設計

數字電源平臺DEMO

DC-DC數字電源平臺 DEMO Board

上圖所示為廣芯微DC-DC數字電源平臺Demo板，包含功率板（大紅板），DC-DC主控板（綠板），PD接口板（小紅板）和BMS板 （紫色板）。

DC-DC數字電源平臺-硬件方案示意圖

數字電源平臺DEMO的硬件方案以移動儲能應用做為示例，通過Type-C接口實現基于PD快充協議的充放電管理。在Demo系統里，廣芯微選用兩顆UM3506芯片（也可以使用僅支持PD AFE芯片UM5100）實現兩路電源，一路支持240W PD3.1 DRP，另一路支持140W PD3.1 SRC。如圖所示為一路的全橋的DC-DC功率板設計，其主要模塊有四個GaN開關管、兩個Gate Driver、兩個低側的電流檢測?？刂瓢鍎t是基于廣芯微UM3243G/F系列芯片實現一對多的電源變換控制器，通過I2C/UART/SPI等外設與外部實現數據交互，通過SWD可以現實便捷的代碼調試。右邊為BMS電池管理系統，有BMS的一級保護，還有純硬件的二級保護，目前方案中為10串電池。

DC-DC數字電源平臺軟件方案示意圖

上圖為廣芯微DC-DC數字電源平臺的軟件方案示意圖，如圖所示，上部分為DC-DC控制模塊，下部分包含充放電管理、BMS等，右邊則是系統管理。

數字電源平臺軟件方案依據多通道定義、模塊化和系統級硬件適配層三大原則來實現統一平臺及模塊靈活配置。其關鍵特性包括高分辨率的DPWM（數字脈寬調制）和相對實時的反饋環路，在反饋環路中采用的是增量式PID算法，只需要對輸出限幅，位置式則需要設置積分限幅和輸出限幅。增量式的優點是積分飽和得到改善，超調減少，過渡過程時間ts減少，動態性能提高。

審核編輯 ：李倩