大勢所趨的數字電源設計方式

前言：早在十幾年前，諸如德州儀器、Microchip等公司就已經(jīng)在傳統的模擬電源設計中，混入了數字化的零件，現今信息產(chǎn)品在要求上要有更小的體積、更低的成本以及更高的可靠性即可控制能力，傳統的模擬供電架構已經(jīng)明顯不敷這方面的應用。

電源技術(shù)發(fā)展趨勢

圖說(shuō)：交換式電源轉換系統。

信息產(chǎn)業(yè)往更小的制程發(fā)展，期望能為功耗問(wèn)題帶來(lái)正面的解決方式，然而芯片整合的功能越來(lái)越多，速度越來(lái)越快，新制程所帶來(lái)的往往是更高的耗電與發(fā)熱。然而新一代的信息產(chǎn)品不是在外型上，便是在體積上大做文章，信息產(chǎn)品體積縮小有幾個(gè)好處，首先便是在大范圍應用方面，比如說(shuō)企業(yè)機房?jì)炔?，當服?wù)器的體積能夠有效縮小，便能夠在同樣的單位面積之內，安裝更多的設備，并且提供更多的服務(wù)，換句話(huà)說(shuō)，設備體積越小，企業(yè)便可以用更小的機房面積來(lái)取得同等的菜單現。只是設備體積的微縮，相對而言，電源供應系統也必須配合微縮，而且所能供給的電力負載還必須能維持甚至超越過(guò)去的水平，這對電源設計廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)是相當嚴苛的挑戰。

■數字電源設計有助縮小設備體積與增強管理能力

圖說(shuō)：數字與模擬回路比較。

雖然機器的體積縮小了，但是隨著(zhù)效能與功能的增加，這些相對小的設備在功耗方面卻不會(huì )有絲毫的減少，為了滿(mǎn)足這些設備的供電需求，而又要能將電源供應模塊塞進(jìn)這些輕薄的機殼內，除了藉助絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、功率場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)、智能IGBT功率模塊(IPM)、MOS柵控晶閘管(MCT)、靜電感應晶體管(SIT)、超過(guò)恢復二極管、無(wú)感電容器、無(wú)感電阻器、新型磁材料和變壓器、EMI濾波器等高效能組件以外，數字化PWM以及全數字化控制也都能夠有助于縮減電源供應模塊所占的體積。

數字電源就是采用數字接口具有可程序化(programmable)的電源轉換器，數字接口(digital interface)與可程序化是數字電源的重要特征，也是其簡(jiǎn)化產(chǎn)品應用的重要利基。控制器的實(shí)現可以模擬電路方式或數字電路方式，數字電源系指采用數字控制方式實(shí)現交換式電源供應器的控制回路與接口。與此相較，傳統的交換式電源供應器主要采用模擬控制方式實(shí)現其控制回路與接口。

一般而言，采用全數字化控制技術(shù)，可以有效縮小電源體積，降低成本，并且提升設備的可靠性和對使用者的適應性。整個(gè)電源的訊號取樣、處理、控制(包括電壓電流等環(huán)節)、通訊等均采用DSP技術(shù)，可以獲得一致的穩定的控制參數。

數字化電源控制可以采用更加靈活的方式，比如說(shuō)電源供應器可以在各種電壓、溫度下動(dòng)態(tài)調整并最佳化電源的輸出，如降額保護、PFC數字控制諧波。利用DSP技術(shù)可以實(shí)現更簡(jiǎn)單穩定的通訊和均流，并且獲得良好的EMC控制。數字組件可提供的智能化程度更高，因此諸如靈活的LED警示組合，自我監控能力以及遠程通訊機制都可以輕易達成。數字化設計也可以有效減少組件使用數量并提高模塊化的程度、以及提高功率密度。消除模擬控制技術(shù)的組件離散性和溫度飄移，保證每個(gè)模塊均達到最優(yōu)指針，提高電源可靠性。模塊智能化程度更高，易于使用維護。

■手持式裝置電源管理趨向高度整合與數字化設計

而在手持式裝置上，對于電源管理的機制更是不斷的進(jìn)步。原本手持式裝置所主打的行動(dòng)便利性，卻逐漸被多功能、高效能導向口號所取代，在電池技術(shù)未得到突破性的發(fā)展之前，只能訴求更有效率的電源管理方式。

圖說(shuō)：2G與3G手機的功耗分布比較。

目前主流的行動(dòng)裝置通常都會(huì )整合視訊、音效、照相/錄像、檔案儲存/編輯等多種功能，比如PMP，能夠完成音效與視訊播放、錄像和檔案儲存等工作，手機能夠拍照、聽(tīng)音樂(lè )甚至利用無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行上網(wǎng)動(dòng)作。這些不同的功能通常都是透過(guò)相對應的組件來(lái)達成，然而這些組件需要不同的電壓供應才能正常動(dòng)作，而且要求電壓質(zhì)量穩定可靠、干凈、高效能，這也是設計電源管理所面臨的挑戰。在這些日趨復雜化電源管理系統中，1款產(chǎn)品可能會(huì )同時(shí)需要5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、0.9V和0.7V等多種電壓供給，如何有效地管理多種電壓，并且使之互不干擾，是電源設計中正面臨的一個(gè)難題。

以目前的發(fā)展而言，電源系統單芯片(power-system-on-a-chip)的整合是整個(gè)行動(dòng)應用，甚至是產(chǎn)業(yè)界的長(cháng)期趨勢，理所當然，手持式行動(dòng)裝置的的電源供應設計也是遵循這個(gè)趨勢，并且朝向更高階的芯片整合度發(fā)展。

過(guò)去行動(dòng)裝置的電源系統是由許多零散的模擬零件所組成，但是在新近的產(chǎn)品已經(jīng)看不到這樣的過(guò)時(shí)設計。原先行動(dòng)裝置電源供應模塊在功能方面的設計趨勢，主要是整合并盡量縮小這些離散模擬電源零件的體積，之后則是把這些零件整合至1顆或少數幾顆電源管理組件中。而這些電源零件開(kāi)始加入越來(lái)越多的功能和智能管理能力，在應用范圍方面也逐漸普及到其它領(lǐng)域，并且進(jìn)入各種不同類(lèi)型的行動(dòng)裝置的設計之中(比如說(shuō)GPS、掌上型游樂(lè )器、PMP、行動(dòng)電視等產(chǎn)品)。

芯片整合的理由對于整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)都相同：把更多功能整合至更少零件后，產(chǎn)品成本即可大幅下降，因為制造這些產(chǎn)品所需的組件數目和電路板面積都會(huì )減少、產(chǎn)品的組裝和制造程序會(huì )更簡(jiǎn)單，藉此可達到更高的系統可靠性并能大幅縮短測試時(shí)間。此外，更高的芯片整合度也能提高研發(fā)流程的效率，從而縮短制造商的新產(chǎn)品上市時(shí)間，對于提升產(chǎn)品競爭力而言有著(zhù)莫大的幫助。

數字交換式電源的設計方式

一般實(shí)現交換式電源的數字控制主要有以下兩種方法：

第一種：?jiǎn)涡酒刂破魍ㄟ^(guò)外接A/D轉換芯片進(jìn)行取樣，取樣后對得到的數據進(jìn)行運算和調節，再把結果通過(guò)數字/模擬(D/A) 轉換后傳送到PWM芯片中，從而達到單芯片控制器對交換式電源的電源間接控制。這種方法的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，設計方法容易掌握，而且對單芯片控制器的要求不高，成本比較低。但是控制電路由于要用多個(gè)芯片，電路比較復雜;而經(jīng)過(guò)A/D和D/A轉換等步驟，會(huì )造成比較大的訊號延遲，這些延遲勢必影響電源的動(dòng)態(tài)性能和穩壓精準度。有些單芯片控制器整合了 PWM輸出，但交換式電源往高頻化發(fā)展，一般單芯片控制器的頻率頻率有限，產(chǎn)生的PWM輸出頻率與精確度成反比，因此無(wú)法產(chǎn)生足夠頻率和精準度的PWM輸出訊號。