最完整的数字电源控制器Si8250.docx
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最完整的数字电源控制器Si8250
数字电源控制器Si8250
开关电源的数字化发展很快,Siliconlab公司的Si8250即是一款优秀的数字电源控制器新品。
我们先介绍Si8250的结构和功能,然后给出用Si8250设计开关电源的程序。
1.系统展示。
数字电源控制与传统模拟控制相比给系统提供了性能﹑成本﹑柔性等一系列优点。
其性能提升使得通过完整的自适应的非线性的控制达到瞬态响应和转换效率的最佳化。
外部功能可以进一步得到改善,减少外部元件数及其相关的空间和成本,在系统中可编程序,使系统设计更容易和快捷。
Si8250/1/2数字开关电源控制器寻址有很宽的范围,适应多种开关电路拓朴。
该产品贡献于高速硬件控制,它工作在监视集成的闪存系统管理程序,可提供快速的控制响应,很容易用于廉价经济的硬件方案,并有灵活的可调整的解决方法。
Si8250数字开关电源适应多种开关电源电路拓朴。
它既可以工作于隔离的DC/DC,也可以工作于非隔离的DC/DC系统中,诸如桥式拓朴,多相DC-DC的BUCK电路控制等。
既可以用于初级侧,也可以工作于电源的二次侧,它能提供给系统必要的全部功能,包括模数转换,全数字电压或相角的调整,故障监视及恢复工作以及信号的通讯接口﹑临界控制﹑故障检测功能都在硬件之内。
而且能独立工作,甚至在CPU被禁止时。
Si8250功能方框图如图1.1所示。
一个一个的控制通路从VSENSE端展示出来,它通过一个10MHz的ADC环路滤波器以及6个D-PWM调制器控制,其ADC和环路滤波器一起产生可频率补偿的占空比项U(n)。
它直接调制D-PWM硬件。
系统管理程序提供的功能诸如系统起动,控制最佳化,故障检测和恢复,系统维护及通讯接口,软起动,关断管理等。
还有其它一些可由用户定义的功能。
1.110MHz控制处理器ADC
IC内的6位10MHz模数转换器(ADC)可使其在稳定状态供电工作,将电源的输出电压和基准电压之间的差值数字化后,用一个9位的电压基准的数模转换器(DAC)去校正,达到调节输出的目的。
ADC有一个烧入的可编程的瞬态检测器,它在ADC输出突然异常时(跳出调整范围)调整LSB,以防止和限制周期振荡。
1.2DSP滤波器发动机
数字信号处理(DSP)滤波器发动机由第一级PID(比例,积分,微分)滤波器和第二级低通滤波器组成。
所有系数都可以动态调节,使系统的管理程序随负载的变化有最佳的环路响应。
PID集成器有应对宽的输出逻辑,它可以在峰值限流时自动地使能。
两个第二级低通滤波器可以用软件来选择,有两个极点的低通滤波器在10MHz之上有单开关周期的平稳模式SINC小数滤波器。
它在一个等于fs/(2‧小数抽样)的地方产生一个零点,小数比可选择放置零点在PWM频率处,给出最大的PWM频率的衰减。
1.3六通道的D-PWM
D-PWM是一个高度柔性的时基发生器。
它支撑6个调制通道,可以固定或动态调整死区时间。
PWM和相位调制都能支持,输出的时段是5ns。
DPWM初始由系统管理处理,并能直接在硬件或系统管理程序中调制。
一个调节和限制分系统使得系统管理程序的调节U(n)的上下限制给每个输出相成为可能。
它还提供平均的系统管理处理加入时间偏置给U(n),对每个时段做补偿以使整个系统的功率级的异常都得到补偿。
1.4峰值电流限制比较器
逐个周期电流限制及过流保护由这个分系统提供,峰值电流限制比较器的输出在电感电流波形加到Ipk输入超出其设定值时即被赞同,调整前沿消隐,提供来应对失效触发,过流保护累积超出时,OCP中断工作。
此时下面的限流周期中断等于设定的最大值。
1.5自排序的12位ADC
其它系统参数(如输入电压等)用自排序12位200KSPS的ADC作数字化。
此ADC有独立的结果寄存,它由调节限制,决定每个ADC输入的MUX通道。
矢量中断在测量参数超出调节限制时产生,这种监视机理可以快速地响应系统故障条件,并使得很容易有效地中断驱动系统。
1.6系统管理程序
Si8250/1/2器件采用Silicon-lab公司CIP-51的微控制器核心。
CIP-51是一个与MCS-51完全兼容的结构设置。
标准的803*/805*集成和编译程序,可以使用已经开发的软件。
CIP-51采用一个管道能实现比较大的集成结构,仅通过标准的8051即可实现。
在标准的8051中,所有结构只是MUL和DIV用12或24系统时钟周期执行。
通常有最大的系统时钟12~24MHz。
对比一下,CIP-51的核心在一到两个周期中执行70%的指令,没有此结构的要用8个时钟周期。
CIP-51系统时钟运行在50MHz,它有峰值通过50MIPS,CIP-51有整个109个指令,下面表格列出其指令数。
Si8250/1/2还包含几个关键的增强CIP-51核心的技术,同时改善了性能,而且很容易应用。
扩展的中断掌握允许大量的仿真和数字电路可以并行工作,各自独立地控制或中断控制器工作。
仅在必要时再令其工作,按需要较少地干预微控制器核心。
一个中断驱动系统可以更有效地允许,更容易地执行多项任务,使之成为一个实时系统。
它有八个复位源,P-ON复位电路(POR),片上VDD监视器,看门狗,时基,丢失时钟检测,从0比较器的电平检测,强制软件复位,它有一个外部复位端子,或闪存错误可由用户软件禁止,WDT可以在P-ON后由软件执行内部振荡器强制校准在24.5MHz+/-2%,时钟乘法器允许工作到50MHz。
1.7开发工具
Si8250/1/2器件包括片上Silab的2线(C2)调试电路,它提供非干扰,全速电路内部传导路径的调试。
其安装在应用端。
Silab调试系统支持探访和存储器寄存器的修改,断点及单步调节,没有附加的RAM目标。
程序存储器,时基和通讯通道也都在。
所有数字的和模拟的在调试过程中并行运行,独立工作。
所有周围的电路除ADC和SMBUS外在系统管理程序下各自分离,在每一步或在中断时都保持同步。
其系统准备图见图1.7。
Si8250DK开发点由标准的Silab的IDE和SMPS应用建立起来,并实时固件核心。
具有供电硬件设计并做为起始点,用户进入系统规范参数诸如最小PWM占空比,波形,系统工作点,保护限制点以及系统管理运行结构,并建起SMPS。
补偿做起来很象S-版图,允许用户加入满意的设计技术。
此时,整个推导出全部定义的Z-版图,采用GUI基本设计工具,用户进入它的系统时基﹑极点/零点位置和系统参数。
用此输入SMPS应用建起的软件计算,加载需要初始参数,进入实时的核心,惊人的简化了设计并快速到达市场程度。
核心是随后编辑进入到下载的稳定坚固的调节编程及加载到Si8250的闪存中。
这种开发方法用最小的编码总量,而设计师必须能令其成果快速进入市场。
系统的波形建起工具产生出DPWM预置核心直接从时基波形给用户。
补偿环路工作自动地产生滤波器结构。
它基于用户的系统参数及所需要的极点及零点的频率,控制器及环路大小及频率图都允许用户进一步设计。
1.8存储器图
CIP-51具有标准的的8051的程序和数据地址结构。
它包括256位数据的RAM,具有128位的双图,半直接式导址,直到公共RAM的128位以上。
直接导址可以到128位的SFR地址空间,低的128位可直接接受,或半直接地接受。
第一个32位的地址作为产生通用寄存器的四个银行。
下面16位可以位组地址或锁住地址。
编程存储器由32KB闪存组成。
这个存储器可以重新在系统中的512位扇形区中编程,而且不需要专门的片外调节电压。
存储器图如图1.10。
1.9O比较器
Si8250/1/2器件包含一个软件结构的电压比较器,它可以有多个输入端口。
比较器提供可调节的响应时间和滞后时间,其两个输出可以选择端口的接线端子,一个同步的闩锁输出(CPO)或异步的(RAW)输出(CPOA)。
比较器的中断既可以产生在上升沿,下降沿,也可以两个沿都行。
当IDLE处在悬浮型时,CPO中断可以用作程序的”唤醒”源,比较器0还可以做成复位源,其结构如图1.11。
1.10串行接口
Si8250/1/2系列包括一个SMBUS/12C的接口以及整个双重UART用增强的波特速率结构。
UART典型用于传输数据经过隔离边界的在SMBUS口处,用做系统通讯接口给PMBUS,并能做主动或从动工作方式,每个串行总线完全能执行硬件并能用CIP-51的中断来扩展,于是只需要一点点CPU的干预。
1.11输入输出接口(I/O接口)
Si8250/1/2系列器件包括16个I/O接口端,接口端子安排成两种类型的宽接口,接口端子显示象典型的8051接口,用少数几个增强型接口,接口0可以做为数字I/O接口,而接口1可以做为一个数字或模拟的接口。
端子选择做数字接口时可以做推挽拓朴或漏极开路式工作。
弱的上拉是固定在典型的8051器件上,它可以通行禁止,节省功耗。
数字的横杆允许内部数字系统重新画出I/O接口端子,片上计数器/定时器串行总线硬件中断,及数字信号可以安排出现在接口端子,用于横杆控制寄存器。
这样允许用户选择实际恰当的通用I/O接口的混合体,数字以及仿真源需要这样使用。
1.12可调的计数器阵列
三通道可编程计数器阵列(PCAO)提供增强的时基功能,此时需要很少的CPU的干预。
比标准的8051计数器要少,PCA由16位计数器/定时器,三个6位捕获/比较模块组成。
计数器/定时器由可编程的时基单元驱动,可以选择6个源之间,包括:
系统时钟,系统时钟可以四分,也可以十二分,外部的振荡器时钟源用8除,实时时钟源用8除,时基0充满,或由外时钟信号从输入端送入。
每一个捕获/比较模块都可以安排成独立状态工作,并有六个模式。
沿触发捕获,软件定时器,高速输出,频率输出,8位的PWM或16位的PWM。
此外,PCA模块2可以用作看门狗时基(WDT),并在此模式下跟随系统复位使能,PCA捕获/比较模块I/O口和外时钟输入都可以由I/O口来做数字横杆。
2,系统工作
2.1系统上电工作预置
当复位时,Si8250进入锁住模式(消耗最小电流状态)。
此时,它的全部I/O端为高阻抗状态(PH1~PH6除外,它们为低电平),直到器件的硬件开始进入起动状态。
当此出现时,I/O端传输用户的编程状态,PH1~PH6输出仍为低电平。
直到下面两个状态之一,或为预置的一些其它状态。
其由系统管理程序决定,或为直接到DPWM开关工作开始。
系统管理过程使其工作在80KHz,典型时系统管理程序仍将留在足够的固件的预置工作参数,然后进入停止模式。
如果此时VIN低于UVLO电压阈值的话,系统管理程序可以重新存在工作模式,其由四个唤醒源之一决定。
比较器O中断,UARTRX输入的下降沿,VIN0/VIN电平中断(非隔离应用),或系统管理程序复位。
2.2Si8250/1/2在隔离DC-DC中的应用.
一个隔离的DC-DC实例见图2.1。
临界的初级侧电压(VIN)数字化并且传输到板上的UART。
Si8250/1/2在二次侧,初级是Si-lab的C8051F30XMCU,所有二次侧电压测量并直接由ADCO变换,初级侧的栅控信号由Si-lab的Si840*四通道高速隔离器隔离,二次侧的栅控信号线直接接到相应驱动IC的输入端。
2.3在非隔离DC-DC(POL)中的应用.
在非隔离DC-DC应用中,主要不同在于没有使用UART。
此时12位ADC的VIN/AINO通道直接接到ADCO的VIN/AINO输入,如图2.2所示。
本地的调节偏置Si8250/1/2的稳压源及栅控信号直接接到外部的MOSFET驱动器IC上。
2.4时钟源
Si8250/1/2的时钟源是其内部的低频振荡器(LFO),为25MHz。
也可以由外部送入时钟信号,SYNC功能提供外同步信号接口。
2.5 PWM限制,保护及工作点的设置
最小及最大的PWM占空比限制在系统管理程序期间由固件调节。
在初始时由器件调节并放在寄存器中。
PWM占空比增加是线性调节从最小调到最大,按照U(n)变化从0到满幅(0X1FF)。
系统安全设置及工作点设置还是由固件调节,并放于硬件寄存器中。
3.Si8250的引脚功能和外形。
Si8250/1/2的28个引脚功能如下图。
4.标准比例的数模转换器DAC
Si8250采用9位标准比例的DAC供出0~1.25V可变的参考电压给ADC1。
为了减小锁定模式下的功耗,REFDAC与基准发生器一起在POWER-UP和复位时被禁止,而又必须在第一个脉冲时使能。
电压基准必须在REFDAC工作时使能。
REFDAC的使能或禁止功能是通过RDACEN位在REFDACMD寄存器中实现的。
REFDAC输出电压由RDAC〔8:
0〕控制,由REFDACOL和REFDAOH决定。
REFDAC的输出在REFDAOL寄存器写入时送出数据。
5.ADCO(12位自排顺序的ADC)
ADCO由12位200KSPS的ADC加上自动顺序逻辑,极限寄存器及温度检测器组成。
每个AMUX通道有一个相应的SFR和硬件极限检测器,极限检测器比较变换参数到用户可编程限制并产生一个向量中断,此时这些限制被超越。
ADCO是一个具有自动顺序逻辑的设备,它可完全消除对系统管理处理在数据转换时的监视的需要,自动顺序自动地使模拟数据变换过程完成,并使系统保护功能自动地按硬件执行。
当自动顺序模式时,ADCO自行管理地址,开始变换,参数极限测试,数据储存,ADCO还能工作在典型的Si-lab公司的MCU之下,包括定时器硬件起动转换,触发及固件控制AMUX地址。
5.1ADCO的间接地址
有许多寄存器用来设置和控制ADCO,这些寄存器的多数都是间接存取SFR空间的。
间接的ADCOSFR存取用写入SFR地址到ADCOADDR,然后读出或者写入数据到ADCODATA。
注意,ADCOAI是自动增加位的地址。
当设置为1时,这一位使ADCOADDR自动增加到ADCODATA的存取,以便快速顺序SFR处理存取。
5.2仿真多路复用器(AMUX)
ADOMX〔3:
0〕位选择到ADC的信道,下面中的任何一个都可以选择为输入的P1.0~P1.7,片上温度检测器,GND,REFDAC输出和比例的电源输出电压(VSENSE)。
ADCO是单端子,所有信号测量都用专门到GND。
ADCO输入通道选择用于ADCOMX寄存器,如同在寄存器中描述过的。
注意:
ADCO输入结构,接口端子选作ADCO输入将是仿真输入,并由数字横杆跳过到模拟输入端口。
设”0”相应位为寄存器PIMDIN,为强制横杆跨过此端口,设”1”为相应位于寄存器的PISKIP。
如图5.2所示,MUX通道地址及SFR信号分离器工作在并行状态。
如此,变换结果给出模拟输入储存在它联合的SFR中。
如我们所视,ADCOASCN位要从ADOMX选择AMUX通道地址或者按自动顺序操作。
这个地址选择AMUX通道和输出SFR地址,以确保变换结果存于所希望的SFR中,或由电平选择去限制检测。
5.3温度检测器
典型的温度检测器传输函数示于图5.3。
在温度检测器选在ADOMX〔3:
0〕位时输出电压(VTEMP)是正的ADC输入。
5.3.1开始一个变换
参照图5.4,一个ADCO变换器可以用三个方法之一初始化。
哪个方法取决于ADCO的程序状态以及寄存器ADCO中的ADCO的模式位变换,可用下面方法初始化。
*将”1”写到ADCOCN的ADOBUSY位。
*非自动顺序模式的时序2或时序3。
*自动顺序模式的时序2或时序3。
写”1”到ADOBUSY中提供软件控制ADCO,借此变换器执行ON命令。
在变换期间,当变换完成时ADOBUSY位设置在逻辑”1”,并复位到逻辑”0”。
ADOBUSY的下降沿触发一个中断,并设置变换完成ADCO中断标志。
5.3.2跟踪模式
每个ADCO变换必须用最小的跟踪时间处理以使结果更精确,ADCO有三个跟踪模式:
预跟踪,邮寄跟踪和双跟踪。
预跟踪模式提供最小的延迟给变换器结束及信号变换器起始沿。
在变换器起始信号之前跟踪之,这种模式需要软件管理,这是为了满足最小跟踪延迟。
在邮寄跟踪模式中,可编程的跟踪时间在变换信号起使后也开始,并由硬件管理。
双跟踪模式在变换开始信号之前之后将跟踪时间最大化。
图5.5展示出三种模式。
在ADOTM设置到11b时选择邮寄模式,可编程的跟踪时间基于ADOTR可以立即跟随变换起始信号。
变换在调整跟踪时间沿之后开始,在变换之后完成。
ADCO没有跟踪输入。
另外,取样电容仍旧与输入端断开,直到下一次变换开始信号来临。
双跟踪模式在ADOTM设为01b时选择,一个基于ADOTK的可编程的跟踪时段立即开始跟踪变换器起始信号,变换在调整的跟踪时间结束时开始。
在变换完成后,ADCO连续跟踪直到下一次变换开始。
更多的跟踪时间规格列于表7.1。
5.3.3时序
ADCO有最快的转换速度。
ADCO是从ADCO分系统时钟FCLK来的时钟。
FCLK的来源选择基于BURSTEN位。
当BURSTEN为逻辑0时,FCKL从电流系统时钟得来。
当BURSTEN为逻辑1时,FCLK则从猝发模式振荡器得来。
一个独立的时钟源具有25MHz的最高频率。
当ADCO执行一次变换时,它需要一个时钟源要比FCLK慢一些的,ADCO的SAR变换器时钟(SAR时钟)分频给出FCLK。
分频比可以用ADOSC位在ADOCF寄存器中给出。
ADCO在任意时段可能是三个状态之一,即跟踪变换或空闲。
跟踪时段取决于跟踪模式选择,对于预踌躇模式,跟踪由软件和ADCO开始变换时会立即跟踪变换起始信号。
对于邮寄跟踪和双跟踪模式,跟踪时间在变换起始信号之后,它等于由ADOTK位FCLK脉冲2周期决定的值,跟踪立即跟随变换,ADCO变换时间总是13个SAR时钟脉冲,附加2FCLK周期然后开始并完成变换。
图5.6示出预跟踪模式和邮寄跟踪或双跟踪模式。
在此例中,重新计数设置到1。
5.3.4猝发模式
猝发模式要一种节省功耗的特色,它允许ADCO处在非常低的功耗状态和变换状态之间。
当猝发模式使能时,ADCO从低功耗状态唤醒累加1.4.8或16取样。
用内部猝发模式时钟(大约25MHz),然后重新进入非常低功耗的状态。
由于猝发模式时钟独立于系统时钟,ADCO可以执行多个变换,然后进入非常低功耗的状态。
在单一时钟周期下运行,如果系统时钟过慢或悬挂的话。
猝发模式由设置BURSTEN到逻辑1使能。
当在猝发模式时,ADOEN控制ADCO到理想的功耗状态。
如果ADOEN设在逻辑0,则ADCO在每次猝发之后降下功耗。
如果ADOEN设在逻辑1,则ADCO在每次猝发之后仍旧使能。
在每次变换信号开始之后,ADCO从其空载功耗状态下觉醒。
如果ADCO功耗跌下,它将自动地升上功率。
等待调整的功率,时间的控制由ADOPWR位来进行。
此外,ADCO将开始跟踪并立即变换。
图5.7示出猝发工作模式。
当猝发模式使能后,单次变换开始起始的变换器数据等于重新计数。
当它被禁止时,计数器开始需要将每个变换器初始化。
在两种模式中,ADCO中上变换器的中断标志(ADOINT)将重新设置重复变换开始累加。
同样,窗口比较器不再比较结果,不管其是大于或是小于寄存器,直到重新计数变换累加。
寄存器ADCOH和ADCOL包括输出变换码的高和低位,当重复计数时设置在1。
变换码存在于12位非单一的整体格式,而输出变换码在每次变换之后要适合新要求,输入端测量从0到VREF*4095/4096。
数据可以是右面证明或左面证明,取决于ADORJST位的设置。
无用的位在ADCOH和ADCOL寄存器中设置为0,实例码设置展示如下:
当ADCO重新计数大于1时,输出变换码存在于累加在变换器执行结果中。
在最后变换之后完成时,要去更新。
当ADCO输入结构变化时,需要在一个最小跟踪时间在精确变换执行之前。
这个跟踪时间由AMUXO阻抗和ADCO取样容量决定。
任何外部源阻抗和精密度对变换器都是必要的。
5.3.5自动顺序模式
如图5.8所示,ADCO自动顺序模式用设置ADCOASCN位于ADCOADDR寄存器在1来使能。
选择时段2或时段3作为开始变换的触发器。
模拟输入按顺序规范变换采用时间开槽寄存器的容量。
它必须预先着手于自动顺序起始。
当一个时段中断出现时,AMUX按顺序到下一个地址。
它由时间开槽寄存器规范出跟踪和保持置于保持模式。
ADCO被触发在变换结束时,数据致力存于SFR之中,此处硬件限制检测比较数据到预先描述的上限及下限。
如果数据出现,一个中断产生。
要特别注意:
1.温度检测器和REFDAC输出不能用自动模式读出。
这些值只能在ADCO在横杆控制之下时读出。
2.ADCO窗口检测器中断及ADCOEOL中断在自动顺序时将会禁止。
一个ADC自动顺序图给出8个时段,每个都包含一个AMUX地址,任何输入通道中的模拟量和VSENSE都能赋予去任何时间开槽。
如图5.9。
如图所示,寄存器TS01CN是一个时间开槽0和时间开槽1赋值的寄存器。
该寄存器的低端四位字节包含0000b,它相应于AMUX的0通道。
TS01CN的下一个四位字节包含0001b,相应于AIN1到4。
任何给出的可变都能赋予更多值,有效地增加以便更新。
5.4输出变换器编码
寄存器ADCOH和ADCOL(或AMUX信道规范的SFR)都包括一个高位和低位的输出变换编码。
当重复计数时设置到1,变换器码以12位未署名的整数形式来表示。
输出变换器编码在每次转换之后更新输入测量从”0”到VREF*4095/4096,没有用的寄存器设置到0。
当ADCO重新计数大于1时,输出变换码表示成变换执行累积的结果。
在串行的最后变换完成时更新,输出值可以为14位(4个取样),15位(8个取样)或16位(16个取样)。
未签署的整数形式基于所选择的重复计数,重复计数可以选择用作在ADCOCF中的ADORPT位。
5.4.1设置时序
当ADCO输入结构改变时,需要最小的跟踪时间。
此在精确变换执行之前就可以进行。
这个跟踪时间由AMUXO寄存器决定ADCO取样容量,任何外部的源阻抗以及对变换的准确需要。
图5.10示出等效的ADCO输入电路。
所需的ADCO设置时间对给出的设置精度(SA)可近似由(5.1)式给出。
在测量温度检测输出或VDD对GND电压时,RTOTAL减少到RMUX。
此处,SA为设置精度,作为LSB功能给出。
t为所需要的设置时间,以秒计。
RTOTAL是AMUXO阻抗和所有外部源阻抗的总和。
η是ADC的位数(12)。
5.4.2ADCO的操作
在典型系统中,由下面几步组成。
第一步,初始化自动程序模式,时间槽赋值。
第二步,选择起始变换源。
第三步,选择正常模式或猝发模式工作。
第四步,如果是猝发模式,选择ADCO空闲功率状态,设置电源起动时间。
第五步,选择跟踪模式,注意预跟踪模式仅能用于正常模式。
第六步,计算需要的设置时间用ADOTK位设置邮寄式起动跟踪时间。
第七步,选择重复计数。
第八步,使能自动顺序模式,使能或禁止变换结束及中断比较器窗口。
5.4.3窗口检测
ADCO包括一个致力于窗口检测器及10个独立限制检测器,它用于自动顺序模式,每个检测器工作在此处描述的状态。
图5.11示出两个实例检测窗口比较器作为ADCOLTH的数据。
输入电压范围可以从0到VREF*(4095/4096),再到GND,表示成一个12位的来签署的整数值。
重复计数设置到1。
在左边的例子中,一个中断产生在ADCO变换语言在由测量参数限制寄存器中定义出来。
在右边的例子中,中断将要发生在ADCO,变换语言在此寄存器的外部。
6.ADC1(10MHz环路的ADC)
A
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