广芯微发布基于自研芯片的DC-DC数字电源平台方案

概述

数字电源（Digital Power）是一种能够通过微处理器控制的开关电源（SMPS），其输出电压、电流等参数都可以由数字信号进行实时和连续的调节，通过输出相应的PWM波形控制开关管驱动变化，从而精确调控电源输出电压、电流等参数，提供更加稳定可靠的电源输出。采用数字电源技术，可以提升功率密度、实现更快的控制环路，该系统还可以通过通信接口实现与远程控制器等设备的通信，实现远程操作和数据分析，提高了电源系统的智能化程度。

相比传统模拟电源，数字电源具有以下优点：

1. 高精度：数字电源通过精确的计算和控制，可以实现一个更加精确的电源输出。

2. 快速响应速度：数字电源反应速度更快，在瞬变或转换负载时更加平缓和稳定，不会因为电源过冲或欠压而导致设备出现异常。

3. 稳定性：数字电源采用高精度运算放大器，数值控制后锁定输出，容易防止外部环境造成的干扰和漂移问题。

4. 便于集成：数字电源可以轻松地与其他装置集成，控制简单。

5. 多样化功能：数字电源集成了包括过流保护、过载保护、过压保护、恒流、恒功率等多种功能。

为给客户提供一个宽范围的电压输入输出、稳定高效、安全可靠的电源转换的参考设计方案，广芯微电子（广州）股份有限公司围绕自研芯片设计了一套DC-DC数字电源方案平台，该方案可应用于家庭储能、小型便携储能、大功率多路移动电源、智能电池管理等多种场景。

DC-DC数字电源平台总体框架图

平台硬件模块包含：

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

Gate Driver + GaN （氮化镓）功率板；

BMS保护板（针对电池应用）；

基于UM3506的PD快速充电接口板。

平台系统方案选用Free RTOS作为实时操作系统以处理各种事务：

DC-DC控制模块可以支持 单向Buck降压控制 /双向Buck-Boost升降压控制；

检测模块可以检测电压、电流、温度等；

充电管理模块，支持涓流、恒流、恒压等；

BMS模块，主要实现功能包括一级保护、电芯平衡、计量、SOC/SOP/SOH等；

系统管理，有系统配置、数据存储、屏显等；

PD快充协议库，则是基于TCPM的接口库，用以实现PD接口的控制；

系统也预留扩展接口，可以提供简便的二次开发；最右边默认提供UI以及CLI，通过串口实现便捷的板级调试；

上层还提供可选通信模块、策略管理模块以及板级互联管理。

子模块介绍

以下为数字电源平台方案中三个主要的子模块：

DC-DC升降压控制模块

在DC-DC升降压控制模块中，除了主控MCU外，还由开关管和Gate Driver这两大主要部件组成。通过多通道的定义，实现两路DC-DC电源变换，其中一路可以实现双向的Buck-Boost，输入电压支持5V到48V，输出电压12V到48V，并支持充电管理。而单向的Buck支持输入电压为12V到48V，输出电压则可以5V到28V。除了电压变换外，该模块也可支持动态电流限制。

DC-DC升降压变换参考设计

BMS电池管理系统模块

电池管理系统模块采用高端串联架构方案，灵活电芯串数配置。主要功能包括，电压、电流以及温度测量、电池健康状态、电池剩余电量、电池能提供功率的状态、电芯充电平衡、电池一级保护、计量、上电自检、自校准，并通过I2C与后端的MCU作信息交互。

BMS 电池管理系统

可选PD接口模块

可选的PD接口模块 既支持采用独立的PD芯片，也支持采用TCPC类型的PD协议芯片开发设计。主控芯片UM324x通过I2C控制PD接口和同步状态信息，TCPM的控制功能也是可选支持的，而电源的系统策略则统一做在主控板上，以实现功率的统一分配与调度，电压档位调整由主控按端口独立调整。

可选PD接口参考设计

数字电源平台DEMO

DC-DC数字电源平台 DEMO Board

上图所示为广芯微DC-DC数字电源平台Demo板，包含功率板（大红板），DC-DC主控板（绿板），PD接口板（小红板）和BMS板 （紫色板）。

DC-DC数字电源平台-硬件方案示意图

数字电源平台DEMO的硬件方案以移动储能应用做为示例，通过Type-C接口实现基于PD快充协议的充放电管理。在Demo系统里，广芯微选用两颗UM3506芯片（也可以使用仅支持PD AFE芯片UM5100）实现两路电源，一路支持240W PD3.1 DRP，另一路支持140W PD3.1 SRC。如图所示为一路的全桥的DC-DC功率板设计，其主要模块有四个GaN开关管、两个Gate Driver、两个低侧的电流检测。控制板则是基于广芯微UM3243G/F系列芯片实现一对多的电源变换控制器，通过I2C/UART/SPI等外设与外部实现数据交互，通过SWD可以现实便捷的代码调试。右边为BMS电池管理系统，有BMS的一级保护，还有纯硬件的二级保护，目前方案中为10串电池。

DC-DC数字电源平台软件方案示意图

上图为广芯微DC-DC数字电源平台的软件方案示意图，如图所示，上部分为DC-DC控制模块，下部分包含充放电管理、BMS等，右边则是系统管理。

数字电源平台软件方案依据多通道定义、模块化和系统级硬件适配层三大原则来实现统一平台及模块灵活配置。其关键特性包括高分辨率的DPWM（数字脉宽调制）和相对实时的反馈环路，在反馈环路中采用的是增量式PID算法，只需要对输出限幅，位置式则需要设置积分限幅和输出限幅。增量式的优点是积分饱和得到改善，超调减少，过渡过程时间ts减少，动态性能提高。

审核编辑 ：李倩