誘惑系統架構師與電源供應商的數字電源技術(shù)

　　數字電源指望通過(guò)改善維護成本和可靠性、降低電源元件成本、簡(jiǎn)化BOM來(lái)降低系統電源總成本。設計者必須為傳統的笨拙電源子系統增加智能。數字電源控制與管理IC有助于這些目標的實(shí)現。 

　　要 點(diǎn)
　　數字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數字控制和數字電源管理與通信任務(wù)。系統可以使用一種或兩種形式的數字電源。
　　預計年內將有更多的數字控制、數字管理IC面世。
　　隨著(zhù)處理能力越來(lái)越廉價(jià)，有望看到向數字電源的逐步轉移。

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　　過(guò)去幾年，數字電源一直是系統架構師、電源設計者和混合信號 IC 供應商的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。反對者認為數字電源是一種無(wú)用的高價(jià)玩意兒，而且很復雜，不過(guò)是一種查找問(wèn)題的解決方案。擁護者則力辯說(shuō)數字電源是不可避免的，差不多數年內就會(huì )占據電源子系統的領(lǐng)地。初看來(lái)，兩種論點(diǎn)完全相反
 
。對系統電源這類(lèi)明確的技術(shù)來(lái)說(shuō)，這種現象有點(diǎn)奇怪，但如果你發(fā)現雙方對數字電源定義存在的差異，并且雙方經(jīng)常是指不同的應用，那么這種情況就可以理解了。這種混淆源于數字電源的兩個(gè)性質(zhì)不同的部件：PWM 反饋回路的數字控制；電源管理與通信。

　　數字化閉環(huán)是數字電源迄今最復雜的部分。腦中躍出的第一個(gè)問(wèn)題是：為什么要用數字控制，使用模擬控制環(huán)路的 SMPS（開(kāi)關(guān)模式電源系統）不是挺好嗎？模擬控制環(huán)路的優(yōu)點(diǎn)是準確、工程師對自己設計的理解，以及有極多模擬控制 IC 的支持。然而，模擬控制環(huán)路是面向一個(gè)定義范圍狹窄的特定負載。如果負載變化范圍寬，則很難在負載的整個(gè)變化范圍內調整模擬環(huán)路。另外，如果你需要一個(gè)可以在很多產(chǎn)品中重用而不必更換部件的設計平臺，則模擬方案難以勝任。Primarion 的總裁兼首席執行官 Ron van Dell 稱(chēng)：“如果使用一個(gè)真正的數字控制器，則設計者可以將數值放在寄存器內，對控制器的各個(gè)方面作配置，而無(wú)需改變外部的硬件?！痹O計者只需要工作在 PC 的 GUI 上，就可以更快地優(yōu)化和調試系統，而不必將各種電阻電容在板上焊上焊下。（有關(guān)數字 PWM 工作的更詳細說(shuō)明，見(jiàn)參考文獻 1）。

　　數字控制環(huán)路需要一個(gè)速度相對較快而功能強大的處理器，這在錙銖必較的電源子系統中是一個(gè)缺陷。數字電源的擁護者稱(chēng)設計者可以去掉某些元件，或使用較廉價(jià)的無(wú)源元件，從而補償處理器的成本。Linear 技術(shù)公司電源管理產(chǎn)品副總裁兼總經(jīng)理 Don Paulus 表示：“產(chǎn)生電源精度的本身是模擬功能。然而，當你擁有了這種數字能力時(shí)，就不用制造有絕對精度的部件，而可以制造精度較差的部件，然后用數字控制來(lái)校準這些誤差。這與信號調節發(fā)生的情況類(lèi)似，即通常制造出不那么精確的系統，然后再校準所有誤差?！?

　　但對電源來(lái)說(shuō)，性能尺度不只意味著(zhù)精度。Paulus 說(shuō)：“我們希望數字技術(shù)能夠具備應付瞬變能力。例如，如果電源知道要有一個(gè)大的負載步進(jìn)，則它可以即時(shí)調整環(huán)路動(dòng)態(tài)，對該瞬變作出快速響應，然后再返回穩定狀態(tài)以及較低的帶寬精度。這種靈活性可以影響對負載電容器的要求?！彪m然傳統的“銀盒子”（封閉結構）電源制造商對數字電源有興趣，但只有少數幾家熱衷于這種轉換。Paulus 說(shuō)，只有少數幾家 Linear 客戶(hù)對數字電源有興趣。

　　但數字電源的作用并不只是數字式地閉鎖控制環(huán)路。它還包括管理與通信功能，這在數據通信和電信系統中正變得日益重要。這些系統依賴(lài)于能應付多種電壓線(xiàn)路的電源處理器，這些電壓線(xiàn)路必須以設定的順序完成上電和斷電。除了上電順序要求以外，路由器和高端服務(wù)器等設備都很可能是使用數字電源的候選者，因為它們需要與系統管理裝置通信，并且有很高的潛在維護費用。高效的數控環(huán)路在電力經(jīng)濟性上有優(yōu)勢，但與電源整個(gè)生命周期的維護成本相比，電力成本只是一個(gè)小頭。Intersil 計算電源產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Bob Lucas 認為：“服務(wù)器的關(guān)鍵是可靠性?！睌底蛛娫茨軌驅㈦娫醋酉到y的健康狀況通知系統，如當前的電流與溫度，這種能力使它能夠在高端計算系統中獲得一席之地。數字電源管理的優(yōu)點(diǎn)是可靠性和可維護性，如報告電源子系統的溫度變化、突發(fā)的電流流動(dòng)，以及風(fēng)扇速度變化等。所有這些都可告知維護工人更多細節，更不只是簡(jiǎn)單地閃動(dòng)一盞警燈。

　　iSuppli 高級分析師 Chris Ambarian 對于超級服務(wù)器和交換農場(chǎng)的擁有成本以及初始電源硬件成本作了一個(gè)比喻：對于每一美元的電源成本，維護與擁有成本為 6 美元。如果你只想獲得數字電源的通信與管理優(yōu)勢，那么就不需要數字控制。有些 IC 供應商根據客戶(hù)的意愿，采取了一種小心翼翼的數字電源方案，即在不增加數字控制環(huán)路復雜性前提下，獲得電源管理的好處。Microchip 將這種方案看作一種漸進(jìn)的對策，它擁有一個(gè)四級數字電源集成的路線(xiàn)圖，使企業(yè)能夠按部就班地采用該項技術(shù)。

　　在最簡(jiǎn)單的實(shí)現方案中，主系統可以開(kāi)、關(guān)電源子系統。Microchip 的安全、微控制器以及技術(shù)研發(fā)部首席應用工程師 Keith Curtis 表示，這種能力看似無(wú)足輕重，但是卻很重要?！八o了你一些有價(jià)值的控制選項?！边@些選項包括故障判別，以及重新起動(dòng)、遙控起動(dòng)、上電序列和軟件起動(dòng)等?！斑@種水平的控制在模擬環(huán)路設計中是非常少見(jiàn)的?！?

　　在下一個(gè)復雜等級中，系統電源控制器控制電源的輸出與響應。Microchip 有時(shí)也把這種設計叫做數字輔助：微控制器更具侵入性，只限于訪(fǎng)問(wèn)模擬控制環(huán)路的某些元件，如電壓基準。這種實(shí)現級別可以達到真正的軟起動(dòng)，因為可以控制輸出電壓，它只需要一種廉價(jià)的微控制器，如 Microchip 的 PIC10，它的價(jià)格不高于 50 美分（批量?jì)r(jià)格）。用微控制器可以增加很多特性，如 SOT-23 封裝的微控制器就能實(shí)現欠壓鎖定、延遲起動(dòng)，以及防時(shí)鐘抖動(dòng)等，而免除用單獨電路實(shí)現這些功能的成本。增加微控制器還可以通過(guò)某種協(xié)議（如 PMBus，它是受業(yè)界支持的標準，基于硬件標準 I2C 總線(xiàn)而開(kāi)發(fā)）支持數字通信功能（參考文獻 2）。對于那些對純數字電源設計抱有疑問(wèn)的人，這種實(shí)現級別很受歡迎。Maxim 數字電源產(chǎn)品業(yè)務(wù)經(jīng)理 Ahmad Ashrafzadeh 說(shuō)：“大多數對數字電源感興趣的設計者并沒(méi)有把閉環(huán)當作最重要的事情，它遠沒(méi)有達到最高優(yōu)先級”。他說(shuō)，實(shí)際上，設計者期待的是控制輸出電壓的能力；跟蹤、定序以及獲取元件的反饋；用這些診斷功能跟蹤整個(gè)系統的完好狀況。Maxim 計劃在下個(gè)月推出一款芯片，它可以實(shí)現這些目標，并能夠同模擬 PWM 控制器 IC 相互協(xié)作運行。

　　Microchip 的再下一級實(shí)現仍然依賴(lài)于傳統的模擬反饋回路，但微控制器可以修改電源的拓撲，例如充電電池的 LED 閃燈應用。電池充電采用一種降壓結構，而放電則使用升壓結構。這種電路可以使用相同（但不同結構配置）的電感器、電容器，充電時(shí)配置成降壓電源，升壓電源則通過(guò)電容放電入電源線(xiàn)。至今，只有 Microchip 提供一款面向這種集成級別的微控制器 PIC16F785。

　　Microchip 最高級的實(shí)現是真正的數字控制，它在一個(gè)數字控制器中集成了所有 PWM 控制環(huán)路。最近幾個(gè)月來(lái)，這一領(lǐng)域出現了很多動(dòng)向。去年夏天，只有德州儀器(Texas Instruments)公司和 Silicon 實(shí)驗室推出了這類(lèi)產(chǎn)品，前者是基于 DSP 的 UCD9k 和 UCD7k 芯片組，后者則是 Si8250。那以后，Primarion 也推出了用于 POL（點(diǎn)負載）系統應用的 PX7510，Zilker Labs 推出了 ZL2005，Linear 技術(shù)公司宣布它成為 Primarion POL 芯片的第二個(gè)供貨源，Intersil 則宣布了用于主板內核電壓的 Primarion PX3535 第二個(gè)供貨源。另外，預期到今年第三季度，加入這些芯片競爭的還有 Analog Devices、Microchip 和德州儀器等公司。

　　除了來(lái)自德州儀器的 UCD9k 和 UCD7k 以外，所有這些芯片都從完全可編程、通用 DSP 型號轉向為更高集成度的專(zhuān)用狀態(tài)機/數字濾波器組合。即使這樣，針對這些芯片的軟件配置數量也變化多端，如 Zilker Lab 幾乎完全采用硬接線(xiàn)的 ZL2005，它可以通過(guò)捆綁芯片的管腳輸入來(lái)設置環(huán)路與性能特性，而 Silicon Labs 的方案則使用一個(gè) 8051 內核，完成通信任務(wù)。所有制造商的芯片都帶有 GUI，能隱藏設計者的數字環(huán)路控制算法。這些芯片的價(jià)格從 1.50美元~5美元不等。

　　雖然 IC 供應商們趣味盎然，但專(zhuān)用 IC 未必會(huì )霸占數字控制市場(chǎng)。Lambda Power 曾有數字控制器的研發(fā)經(jīng)歷，可以將其作為一個(gè)真實(shí)的案例，看如何用新技術(shù)滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。Densai-Lambda 公司（Lambda Power 公司在日本的子公司）首席技術(shù)官 Hiroyuki Yashiro稱(chēng)，該公司在三個(gè)領(lǐng)域作研發(fā)，均涉及轉換器設計應用： DC/DC 轉換器、 UPS（不間斷電源），以及AC/DC 轉換器。每個(gè)領(lǐng)域的設計小組獨立選擇自己的控制芯片：他們分別選擇通用的 TI DSP 芯片、定制的 ASIC、 Atmel FPGA。為什么 Lambda 要堅持放棄自制原則？Lambda 高級開(kāi)發(fā)部的一個(gè)設計工程師 Eiji Takegami 這么解釋?zhuān)骸叭绻码娫葱阅芘c模擬環(huán)路的電源相當，沒(méi)有客戶(hù)會(huì )去買(mǎi)它，所以數字電源性能一定要更好?！盩akegami 引用一個(gè)事實(shí)，即數字控制環(huán)路可以對范圍更寬的容性負載作出響應，并且仍然能保持在規定范圍內，這比模擬環(huán)路要優(yōu)越。

　　除了有出色的性能以外，Yashiro 還指出具有一個(gè)標準平臺的優(yōu)勢，它既能節省成本也具備靈活性。設計者必須通過(guò)軟件作修改，而不是采用手工修改、重新設計或替換元器件。開(kāi)發(fā)內部控制電路的另外一個(gè)理由是產(chǎn)品差異化的重要性。雖然有些供應商希望盡可能省事地完成數字控制環(huán)路設計，Lambda 卻認為交鑰匙方案有不足之處：如果任何人都可以設計一個(gè)數字控制環(huán)路，那么Lambda 還能為這個(gè)過(guò)程增什么值？



　　前途如何？

　　大多數電源子系統現在都提供簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)通信功能，因此還需要過(guò)一段時(shí)間，才會(huì )有相當百分比的系統采用某些形式的數字電源。Intel 微處理器研究部門(mén)總監 Shekhar Borkar 認為，高性能處理器現在管理電源的能力有限，而這對未來(lái)電子產(chǎn)品至關(guān)重要。他將芯片功耗分為兩個(gè)部分：供電和耗電。他說(shuō)：“你可以在可承受的供電與功耗包絡(luò )范圍內提高性能。如何在這個(gè)電源包絡(luò )中提高處理器性能？答案是：讓它具備更多的處理能力?！边^(guò)去，限制這一領(lǐng)域設計者能力的是處理能力，而不是電能。Moore 定律已使晶體管過(guò)剩，而 Borkar 利用過(guò)剩晶體管將電源數字控制環(huán)路置于服務(wù)器處理器的控制之下，即有些公司的產(chǎn)品就包括了數字電源。Borkar 預言，主處理器控制數字電源的趨勢將逐漸滲入主流產(chǎn)品中，如筆記本電腦和臺式系統（參考文獻 3）。

　　除處理器電源以外，系統架構師也必須能夠在系統水平上管理電源。各種節能規定都關(guān)注電源效率，如 EnergyStar 等，它們都很重要，但也只看到了問(wèn)題的一面。例如，在一個(gè)手機發(fā)射/接收系統中，無(wú)線(xiàn)基站功耗占一個(gè)網(wǎng)絡(luò )功耗的 90%，包括手機及功率轉換（參考文獻 4）。使手機 AC/DC 和 DC/DC 轉換器更高效是轉向可管理電源的一步，能使該設備效率提高約 1%。但是，由于無(wú)線(xiàn)電基站本身相對效率較高，這個(gè)百分比的效率增長(cháng)并不會(huì )顯著(zhù)影響設備的總體效率。愛(ài)立信(Ericsson)微波系統的一名工程師 Pierre Gildert 就指出：“你離天線(xiàn)越近，損耗就會(huì )越高?！庇谑?，實(shí)現最大節能的辦法就是將遠程無(wú)線(xiàn)電裝置放在天線(xiàn)塔尖上，使之能對功率變動(dòng)作出動(dòng)態(tài)響應。例如，系統會(huì )得益于睡眠模式，它需要智能、開(kāi)/關(guān)控制、快速喚醒響應，以及適應于低流量周期和高流量周期的智能。

　　iSuppli 的 Ambarian 預測，系統電源管理的下一步將要建立一個(gè) POS（電源操作系統），它依賴(lài)電源子系統驅動(dòng)器進(jìn)行通信。這些驅動(dòng)器可以是銀盒電源、穩壓器芯片，或 POL 轉換器。POS 將使系統設計者能夠在各個(gè)時(shí)間段內，根據各級控制機制管理某個(gè)電源系統的各個(gè)方面。這些時(shí)間段范圍從數納秒至數秒級，而 Ambarian 還預言，對它們的完全控制將為系統提供效率、靈活性和可靠性。