自開(kāi)關(guān)電源誕生以來(lái)，功率密度的提升一直是開(kāi)關(guān)電源設(shè)備不斷演進(jìn)的方向之一。

近年來(lái)，隨著大型AI處理器芯片的迅猛發(fā)展，單顆GPU的功耗已超過(guò)1kW,供電電流甚至達(dá)到1000A+級(jí)別,這不僅給板載電源的設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn),也將傳統(tǒng)PSU功率不斷推高至新的水平。AI計(jì)算數(shù)據(jù)中心引發(fā)的功率恐慌迫使業(yè)內(nèi)重新優(yōu)化整體供電架構(gòu)，以進(jìn)一步提升效率降低損耗。

AI服務(wù)器供電框圖

為了節(jié)省寶貴的空間，電源轉(zhuǎn)換器必須具備更高的功率密度。第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件GaN和SiC MOSFET由于具有極低的開(kāi)關(guān)損耗使得大幅提升開(kāi)關(guān)頻率成為了可能，結(jié)合新的拓?fù)洌娫崔D(zhuǎn)換器可在高頻運(yùn)行下仍然獲得優(yōu)異的效率表現(xiàn)。

而這一切卻為數(shù)字電源控制器帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，新的拓?fù)湫枰鼜?fù)雜的控制邏輯，更高的開(kāi)關(guān)頻率意味著更快的實(shí)時(shí)性計(jì)算要求，第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件的采用意味著MCU需要承受更高水平的傳導(dǎo)和輻射電子干擾。

上海海思新一代面向數(shù)字電源應(yīng)用的MCU產(chǎn)品Hi3071正是為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，以滿足當(dāng)前高功率密度電源的創(chuàng)新設(shè)計(jì)需求。其主核采用成熟的高性能Cortex-M7內(nèi)核，帶有超標(biāo)量雙發(fā)射6級(jí)流水線，從容應(yīng)對(duì)并行任務(wù)。除了4KB的指令緩存I-Cache和數(shù)據(jù)緩存D-Cache外，Hi3071還具備64KB的指令緊耦合內(nèi)存I-TCM和64KB的數(shù)據(jù)緊耦合內(nèi)存D-TCM，可大幅提升程序運(yùn)行速度，滿足開(kāi)關(guān)電源環(huán)路控制實(shí)時(shí)性需求。

Hi3071主要配置

硬化數(shù)字環(huán)路

滿足環(huán)路高速更新要求

隨著開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入MHz時(shí)代，數(shù)字控制器的環(huán)路計(jì)算時(shí)間已要求小于1us。

Hi3071提供3路獨(dú)立的硬化環(huán)路控制單元，每路均獨(dú)立配備高速內(nèi)置誤差采樣ADC和硬件PID濾波控制單元，ADC采樣速率高達(dá)15.6MSPS，可提供400ns數(shù)字PID控制環(huán)路更新能力。靈活的3路獨(dú)立硬化環(huán)路可以方便地配置為電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)、三環(huán)取小或雙環(huán)取小以實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的電流型控制、電壓型控制或充電電路的恒壓恒流控制。

為提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，Hi3071還支持一路硬件濾波環(huán)路配置為前饋模式，同時(shí)支持多達(dá)7組可配置PID參數(shù)和PID參數(shù)的區(qū)間動(dòng)態(tài)平滑切換，可實(shí)現(xiàn)四開(kāi)關(guān)Buck-Boost不同模式間的真正自動(dòng)平滑切換。硬化環(huán)路工作模式僅需配置相關(guān)寄存器即可，能大大節(jié)省軟件編程工作量，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到上市時(shí)間。

3路硬化PID環(huán)路示意圖

靈活強(qiáng)大的高精度PWM

打造數(shù)字電源基石

開(kāi)關(guān)頻率的提高還會(huì)帶來(lái)另一個(gè)挑戰(zhàn)，PWM分辨率與輸出電壓精度之間的失配，即電源控制中的極限環(huán)振蕩問(wèn)題。

Hi3071提供6組共12路高精度PWM輸出，分辨能力可達(dá)125ps，輕松滿足MHz高開(kāi)關(guān)頻率下脈沖寬度調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制的精度要求。

多組PWM之間支持內(nèi)部同步或與外部信號(hào)同步，可實(shí)現(xiàn)多相控制時(shí)的錯(cuò)位移相發(fā)波功能，緩存寄存器與多種加載模式結(jié)合，可確保PWM波形在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下的穩(wěn)定輸出。精心打造的高精度PWM模塊可以靈活適應(yīng)常見(jiàn)的Buck, Boost, Buck-Boost, PSFB, LLC等多種定頻或變頻控制拓?fù)洹?/p>

快速響應(yīng)CBC

為電源可靠性保駕護(hù)航

一個(gè)可靠的電源設(shè)備必須在面對(duì)各種輸入輸出故障時(shí)能迅速作出響應(yīng)以保障器件在安全范圍內(nèi)持續(xù)工作，而逐波限流CBC是目前大多數(shù)電源采取的過(guò)載限流保護(hù)措施。

Hi3071支持多種硬件信號(hào)源或軟件觸發(fā)fault信號(hào)以啟動(dòng)CBC，針對(duì)fault信號(hào)提供了可編程計(jì)時(shí)或計(jì)數(shù)濾波功能，還提供了具有創(chuàng)新特色的CBC封波match功能，即當(dāng)主開(kāi)關(guān)管發(fā)生故障而斬波時(shí)，可對(duì)從開(kāi)關(guān)管進(jìn)行同等寬度斬波，保證主、從開(kāi)關(guān)管即使發(fā)生故障封波也能具有同等大小的脈沖寬度。

該封波match功能還支持主從固定和主從切換模式，在主從切換模式下，先發(fā)生fault砍波即變?yōu)橹?，另一個(gè)則自動(dòng)跟隨砍波和緩展。該功能可以進(jìn)一步提升電源設(shè)備進(jìn)入CBC時(shí)的可靠性，防止磁性器件電流因施加非對(duì)稱伏秒波形而累計(jì)增長(zhǎng)過(guò)大導(dǎo)致關(guān)斷損耗過(guò)高異常發(fā)熱等情形。

CBC封波match示意圖

小型邏輯可配置單元

為靈活性控制添磚加瓦

針對(duì)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)機(jī)、故障保護(hù)的復(fù)雜發(fā)波邏輯及同步整流死區(qū)時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整的需求，Hi3071還提供了6路小型可配置邏輯單元（configurable logic cell），每路CLC模塊支持4組輸入，每組輸入為8選1通道，輸入信號(hào)包含數(shù)字比較器輸出、模擬比較器輸出、PWM輸出和其他CLC模塊輸出信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)這些信號(hào)的靈活邏輯組合輸出和時(shí)序控制，可節(jié)省外部邏輯器件或CPLD的使用，滿足客戶的創(chuàng)新需求。

超強(qiáng)EMI抗性

惡劣環(huán)境下長(zhǎng)壽命高可靠性連續(xù)工作

電源設(shè)備的工作空間本來(lái)就電磁干擾嚴(yán)重，隨著開(kāi)關(guān)頻率的提升和第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件碳化硅、氮化鎵MOSFET的采用，功率器件開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的dv/dt有著數(shù)量級(jí)的提升。

上海海思依托多年在電源控制芯片領(lǐng)域的深厚積累，從設(shè)計(jì)層面就加強(qiáng)Hi3071對(duì)ESD、瞬變電脈沖、浪涌、傳導(dǎo)和輻射電磁騷擾的防護(hù)能力，pin腳端口HBM ESD 超過(guò)±2000V，閂鎖觸發(fā)電流超過(guò)±100mA，內(nèi)部采用金線鍵合以提供更好的電氣性能及抗彎折性，封裝采用超低α粒子ULA材料以降低存儲(chǔ)器的單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤發(fā)生率，減少客戶外圍防護(hù)器件的使用成本，提升電源系統(tǒng)的健壯性和可靠性。

Hi3071憑借硬件PID環(huán)路和Cortex-M7內(nèi)核的靈活結(jié)合，再加上為高性能電源量身定制的高精度PWM、可配置邏輯單元、CBC封波匹配功能、集成高精度運(yùn)放等元素，可出色地支持目前常見(jiàn)的圖騰PFC、交錯(cuò)LLC、移相全橋、Buck-Boost和Hybrid Switched Capacitor等拓?fù)?，可作為服?wù)器電源、工業(yè)定制電源、磚模塊電源和中間母線轉(zhuǎn)換電源的平臺(tái)性控制器。