如何解决在开发现代功率转换系统时面临的问题？

电力电子行业的设计人员需要采用新的技术和方法来提高系统性能。结合使用C2000实时MCU和GaN FET可应对效率和功率密度方面的挑战。

内容概览

本白皮书探讨了具有集成驱动器的TI氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)和TI C2000TM实时微控制器 (MCU)的各项特性如何配合解决电力电子员在开发现代功率转换系统时面临的问题。设计人员在开发现代功率转换系统时面临的问题。

1. GaN 将彻底改变电力电子市场

您可能认为GaN是一项新兴技术，但TI的GaN技术可以解决行业挑战，并已准备好进行大规模部署。

2. 为GaN选择合适的数字控制器

GaN具有巨大的潜在优势，但只有选择了合适的数字控制器才能完全发挥出这些优势。

3. 通过高开关频率降低系统成本

GaN具有高开关频率，因此可以减少功率磁性元件、风扇和散热器，同时C2000实时MCU可以解决由此带来的固有控制挑战。

4. 将C2000实时MCU与GaN器件连接

C2000实时MCU无需外部胶合逻辑即可控制TI GaN FET并获得GaN FET的所有反馈。

服务器电源和通信电源是市场上受益于GaN技术的两个用例。数字通信基础设施市场持续增长。据估计，机架服务器市场将在未来五年内翻番，而超大规模数据中心将以近20%的年复合增长率增长。

在快速发展的趋势下，人们对效率、功率密度和瞬态响应的要求也不断提高。GaN FET显著降低了开关损耗并提高功率密度，从而可帮助解决随着市场增长而尺寸不断扩大的技术挑战。

本白皮书探讨了具有集成驱动器的TI GaN FET和TI C2000实时MCU的各项特性如何以独特的方式解决电力电子设计人员在开发现代功率转换系统时面临的问题。

GaN将彻底改变电力电子市场

虽然GaN技术已凸显出许多潜在的优势，但您仍不免对它的实用性有一些担忧。尽管人们普遍认为GaN FET是一项新技术，但实际上这项技术已经存在20多年了。成本、保护特性和可靠性这三个因素使人们并不看好GaN，但TI的GaN器件系列解决了所有这些问题。

「成本」

TI GaN FET采用的硅基GaN工艺利用了TI现有的工艺技术节点。我们不仅可以避免使用碳化硅或蓝宝石等昂贵的基板，还可以在使用硅技术中发挥多年的专业优势。TI可完全在内部进行开发、测试和封装，因此可实现GaN的成本优势，而且在未来还会进一步降低成本。

「保护特性」

TI的GaN技术提供了丰富的诊断和自我保护特性。GaN FET可以自动检测并处理过流、短路、欠压和过热等故障，同时将这些故障报告给MCU来修改控制算法，从而防止这些故障再次发生。

「可靠性」

TI已对其GaN器件进行了超过4000万小时的可靠性测试，并且10年使用寿命的时基故障率小于1。除进行固有的可靠性测试之外，我们还在超严苛的开关环境下对GaN器件进行了应用内应力测试，并转换了超过5GWHrs的能量。

TI GaN器件通过将FET驱动器和GaN FET集成到同一个封装中，解决了成本、保护特性和可靠性方面的问题。TI GaN FET具有可快速开关的2.2MHz集成栅极驱动器，与硅器件相比，可实现两倍的功率密度和99%的效率。该技术在交流/直流应用中可提供超低的损耗和超高的效率。此外，集成的高速保护特性和数字温度报告功能可对电源单元(PSU)进行主动电源管理和热监测。凭借所有这些独特的优势，TI技术使GaN的应用成为现实。

为GaN选择合适的数字控制器

GaN能够实现更高的开关频率，从而提高电源的效率和功率密度。要实现这些，通常需要更复杂的电源拓扑和控制算法，例如零电压开关、零电流开关或采用混合磁滞控制的电感器-电感器-电容器(LLC)谐振DC/DC变换。

数字控制器只适合用于复杂的拓扑，因此，您需要一种既能处理时间要求严格的复杂计算，又提供精确控制还可以通过软件和外设兼容性扩展的数字控制器。C2000实时MCU恰好能满足这些要求。图1展示了C2000实时MCU和GaN FET驱动器。

「C2000实时MCU指令效率」

C2000实时MCU具有高级指令集，可显著减少复杂数学计算所需的周期数。计算时间的减少意味着可以在不提高器件工作频率的情况下提高控制环路频率。用户可在不间断的情况下自动实现效率提升。代码编译器、中央处理器(CPU)流水线和指令集均用于更大程度提高每个指令周期的计算能力。

用户对浮点单元(FPU)和三角函数加速器(TMU)更为了解。将这些增强的指令紧密集成到C28x内核后，可以利用流水线来使指令像常规CPU指令一样并行执行，从而进一步提高每个时钟周期的效率。

例如，与标准定点计算相比，FPU的速度提高了2.5倍以上。同时，FPU还使C28x内核能够利用基于模型、使用浮点数学运算的仿真工具和代码生成工具。这意味着可以花更少的时间来开发代码和进行系统验证，并更快将产品推向市场。

TMU作为FPU的补充，与单独的FPU相比，可将性能提高近20倍。在采用C2000实时MCU的双向高密度GaN CCM图腾柱PFC参考设计中，当尝试计算脉宽调制器(PWM)对时间和死区时间的控制时，可以将这些计算的时间从大约10μs减小到小于0.5μs，带来的好处显而易见。因此，可以逐周期执行自适应死区计算，从而对GaN FET进行更精确、更有效的控制。

「满足瞬态响应要求」

为什么小周期的逐周期效率很重要?一个原因就是这些效率可确保满足更快的瞬态响应要求。

瞬态响应要求描述的是电源对负载变化做出反应的速度。例如，由于服务器中使用的现代处理器需要更高的功率，因此更不容易满足瞬态响应要求。以前通常是1A/μs; 但如今的标准要求2.5A/μs甚至更高。提高控制环路的频率可以通过提高灵敏度和瞬态响应速度产生直接的效果。C2000实时MCU的独特处理能力可以帮助满足这些瞬态响应要求。

为了满足5A/μs或更高的极端瞬态响应要求，C2000实时MCU会利用其集成的模拟功能完全通过硬件发出PWM信号，无需使用外部元件。实现该控制的方法是，使用集成的模拟比较器将反馈信号与通过内部12位数模转换器(DAC)实现的固定设定点或斜坡发生器信号进行比较。这种技术可以增加完全基于硬件的控制环路的独特速度优势，同时还可以保持数字控制器的灵活性。在执行过程中会持续监测PWM跳变点，并通过微调软件控制环路内部的DAC输出来调整跳变点，完全独立于PWM跳变。最终，C2000实时MCU可以对不断变化的负载提供超快的响应时间，同时保持满足效率标准的灵活性。

「实现精确、安全的系统控制」

GaN FET的击穿和第三象限传导电势需要高精度控制。C2000实时MCU中的高分辨率PWM可为PWM的周期、占空比、相位和死区提供150ps的分辨率。结合使用跳闸区域子模块与内置模拟比较器可以安全处理异常，此时它们完全异步运行，并能够在25ns内关断PWM输出，而无需CPU干预。

「多相系统简单易行」

除了单相设计，C2000实时MCU还可以解决多相设计的问题; 在多相设计中，所有相位必须保持同步以防止系统故障，因此须考虑修改PWM的频率、占空比或死区。按顺序对这些值进行更新在如今是很普遍的做法，但需要对硬件以及所有可能的代码排列有全面的了解，这一点在基于中断的嵌入式系统中很难做到。

C2000实时MCU的全局加载机制可以解决PWM更新问题，其做法是在一个指令周期内更新所有必需的PWM寄存器来，完全无需CPU干预。这项创新功能可以控制高频交错式LLC拓扑，同时消除通常由顺序更新引起的一些间歇性、不可重复的错误。使用全局加载机制不仅可以使系统更稳健和安全，而且可以减少系统验证工作量。

「C2000实时MCU产品系列的可扩展性」

低成本的C2000实时MCU(例如F280025C)降低了C2000实时MCU产品系列(如下页图2所示)的成本，同时既适用于小型服务器电源设计，又能提供独特的处理和控制功能。随着系统要求的变化，C2000平台支持向上或向下扩展实时MCU功能(模数转换器(ADC)输入、计算能力、PWM通道、封装)，同时保持软件投入，以便加快产品上市速度。

图2. 支持TI GaN器件的C2000实时MCU产品系列。

通过高开关频率降低系统成本

我们在前文已经讨论了TI GaN和C2000各自的优势，接下来我们将了解系统层面的优势。以前，由于FET的开关损耗，切换转换器的最大速率被限制到几百千赫兹。为提高开关频率，只好更大程度降低磁性元件的尺寸，结果对功率密度和系统成本产生了负面影响。

如前文所述，TI GaN器件中的集成驱动器可实现高达2.2MHz的开关频率，且开关速度大于150V/ns，

与分立式GaN FET相比，速度提高到了两倍，损耗降低了一半。这种集成特性与低电感封装技术相结合，可提供干净的开关和超小的振铃。这些功能有助于减小电源系统所用磁性元件的尺寸，并通过消除对风扇或散热器的需求和提高功率密度，最终降低系统成本。

「克服更高开关频率所固有的挑战」

TI GaN器件可以提高系统开关频率，将磁性元件尺寸减小到原尺寸的五分之一，实现比同类硅器件功率因数校正(PFC)应用高三倍的功率密度。这些器件不仅在PFC级体现出优势，而且在所有电力电子系统中都能一展所长。

那么有什么潜在的缺点呢?实际上，凡事有利也有弊，提高开关频率也面临着种种缺陷和设计挑战。例如，在图腾柱PFC中，减小电感器的尺寸可能会导致其他控制问题，例如增加死区引起的第三象限损耗。C2000实时MCU的独特功能集通过以下特性解决了这一问题:

• C2000实时MCU提供150ps的高分辨率死区，可实现更精细的边沿位置并减少不必要的第三象限损耗。

• 如前文所述，TMU支持自适应死区控制方案，通过加快计算速度进一步减少损耗。

减小图腾柱PFC中的输入电感器会导致过零点处的电流尖峰增加，从而对总谐波失真产生负面影响。当输入波形在正向和反向之间切换时，电流尖峰会增加，从而在同步有源FET反向时引起浪涌电流。电感器两端的电压以及FET和二极管的输出电容不断累积，是促使浪涌电流产生的主要原因。C2000实时MCU可通过复杂的影子加载方案解决这些问题。这一方案使MCU能够以超少的CPU开销实现软启动算法。

最后，集成模拟功能的速度和并行性对于提高数字微控制器中的控制环路频率至关重要。没有此功能，就不可能实现具有集成驱动器的TI GaN器件的全部优势。F28002x系列具有多达16个独立的模拟通道，这些通道连接到2个独立的模数转换器，每个转换器均具有出色的性能，包括2个最低有效位(LSB)的积分非线性(INL)、1个LSB的差分非线性(DNL)、11位的有效位数(ENOB)，且速率高达3.45兆样本/秒(MSPS)。由于可以灵活启动转换触发器，多个ADC规格的实现可同时对多个反馈源进行采样。这些转换触发器与PWM单元紧密耦合，可通过调整获得最佳实时控制策略。例如，通过同时测量交流电网的线电压和中性点电压，可以使控制环路运行得更快，并提供更高的系统精度。

在GaN的驱动下达到更高效率标准和功率密度要求后，又出现了新的挑战。C2000实时微控制器经过独特设计，可以解决在减小磁性元件和提高系统频率时引入的固有控制问题。

将C2000实时MCU与TI GaN器件连接

C2000实时MCU和GaN器件之间的连接器件包括一个数字隔离器，例如下面图3所示的ISO7741-Q1。此隔离器件有助于抑制瞬态噪声并保护C2000实时MCU。微控制器、隔离器件和GaN器件都是必不可少的连接器件。

TI数字隔离器具有高达5.7kVrms的高隔离额定值并支持高达150Mbps的速度，非常适合作为C2000实时MCU与GaN FET之间的隔离栅。隔离器提供了在器件之间建立精确控制与反馈路径所需的速度和低延迟

「控制」

GaN FET的控制是通过使用高分辨率PWM模块实现的。该模块可提供150ps的分辨率，从而实现PWM的周期、占空比、相位和死区控制。PWM输出端的集成跳变区域子模块可在25ns内响应反馈，无需CPU干预。

「反馈」

C2000实时微控制器集成了独特的外设集，可对TI GaN器件(包括最近推出的LMG3425R030)的反馈信号进行采样，无需其他分立式元件。反馈来自两个主要来源:

• 故障报告：LMG3425R030会对其故障信息进行编码。鉴于在软件中进行故障处理存在相关的延迟，在软件中解码这些信息可能会产生不良影响。为了加快响应速度，可在器件外部对故障信号进行整合，但这需要使用分立式元件。C2000实时MCU使用自身的可配置逻辑块(CLB)来读取、处理和响应GaN器件产生的故障情况，无需使用软件和外部元件，从而优化了性能并降低了系统成本。

• 温度监测：LMG3425R030器件的温度监测输出为占空比可变的固定频率信号。常见的实现方式需要使用外部滤波器来实现基于PWM的DAC，而该DAC又需要由ADC进行采样。C2000实时MCU的增强型捕捉模块完全省去了这些外部元件，同时无需CPU开销即可捕捉温度信息，因此进一步降低了成本并节省了布板空间。

结束语

在现代数字电源系统中，效率和功率密度标准带来了诸多挑战。TI GaN器件提供了可靠且价格合理的技术，同时实现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实时MCU解决了与当今复杂的控制方案相关的难题。这些器件协调工作，可为现代数字电源系统提供灵活而简单的解决方案，同时仍提供先进的功能来实现超安全、超高功率密度的高效数字电源系统。

开发人员可立即刷新电源效率和功率密度记录，TI将利用25年来在实时数字电源控制、电力电子、硬件和软件领域累积的经验，提供经过全面测试的详细参考文件，帮助设计人员更轻松地实现目标。

原文标题：结合使用TI GaN FET和C2000™实时MCU实现功率密集且高效的数字电源系统

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责任编辑:haq