數字電源帶來(lái)的設計變革

數字電源是當今的熱門(mén)話(huà)題。采用數字技術(shù)的電源使功率轉換和電源控制發(fā)生快速改變。即便數字電源炙手可熱，工程師對數字電源的接受速度看起來(lái)還是很慢。擺在數字電源面前的兩個(gè)最大障礙是可見(jiàn)成本和知識產(chǎn)權(專(zhuān)利侵權)。當然，成本對非常簡(jiǎn)單的電源設計的確是個(gè)問(wèn)題。但在需要電源管理、故障管理、遙測的更復雜設計中，由于大多數產(chǎn)品的集成度都比較高，數字電源在成本上是有優(yōu)勢的。諸如Intersil Zilker Labs的ZL2008的新產(chǎn)品的上市，為解決知識產(chǎn)權難題提供了靈活的處理原則，知識產(chǎn)權、授權交易都已經(jīng)得到解決。一旦排除這些障礙，數字電源將成為功率轉換的發(fā)展方向。

本文將解答“為什么應該改用數字電源” 這個(gè)問(wèn)題“。要回答這個(gè)問(wèn)題，首先來(lái)看看兩個(gè)相關(guān)的問(wèn)題：為什么要全面改變?為什么要從模擬技術(shù)改用其他技術(shù)?

為什么要全面改變?

對這個(gè)問(wèn)題的簡(jiǎn)短回答是，確實(shí)沒(méi)有其他選擇。技術(shù)在不斷進(jìn)步，因此功率轉換的需求也在變化。伴隨這些變化而來(lái)的是政府法規的變化及經(jīng)濟因素的變化。

從電源的角度看，負載正在發(fā)生變化。半導體技術(shù)演進(jìn)的方向是工藝尺度越來(lái)越小，這推動(dòng)著(zhù)負載發(fā)生改變。以前的微處理器和ASIC需要幾伏電壓，現在則需要不到1伏電壓。這意味著(zhù)，電源的驅動(dòng)阻抗必須比以前的電源低得多。新出現的應用產(chǎn)生了新的負載類(lèi)型(如高亮度LED)。電路板變得更加擁擠，因此元器件的集成度也在提高。功率轉換對電源提出的要求遠不是滿(mǎn)足靜態(tài)要求那么簡(jiǎn)單。事實(shí)上，需求的變化正在加速。為滿(mǎn)足技術(shù)變化的要求，電源工程師要跳出條條框框，尋找能夠滿(mǎn)足今天和未來(lái)設計挑戰的解決方案。

政府的法規也不是一成不變的。從限制使用有害物質(zhì)，到對電源質(zhì)量的要求，再到對效率的要求，法規因素使我們的設計超出了簡(jiǎn)單的功率轉換的范疇，而是必須進(jìn)行更全面的考慮。設計的變化必須跟上法規的需求變化。此外，在經(jīng)濟全球化的時(shí)代，不但是當地法規，客戶(hù)所在的國家也會(huì )制定電源方面的相關(guān)法規。

最后，經(jīng)濟因素導致的壓力頁(yè)越來(lái)越大，這要求工程師設計出創(chuàng )新的產(chǎn)品，為客戶(hù)提供更多價(jià)值。這不僅要求產(chǎn)品的價(jià)格便宜，而且還關(guān)心為實(shí)現一定性能所付出的成本。一輛自行車(chē)可能比一輛汽車(chē)便宜得，但如果你需要在兩個(gè)小時(shí)內從北京趕到天津，無(wú)論自行車(chē)多么便宜，自行車(chē)都不可能滿(mǎn)足這個(gè)要求。你需要更多先進(jìn)的技術(shù)。定價(jià)競爭的壓力、燃料成本、人工成本和質(zhì)保成本只是推動(dòng)電源設計發(fā)生變化的經(jīng)濟因素當中的幾個(gè)。

經(jīng)濟因素迫使企業(yè)雇傭更少的電源工程師。因此，以前需要好幾個(gè)工程師和近一年時(shí)間完成的設計，現在必須用一個(gè)兼職工程師在幾個(gè)月內完成。

為什么要從模擬轉向其他技術(shù)?

如果模擬功率轉換是完美無(wú)缺的，顯然就沒(méi)有必要從模擬控制轉向數字控制。模擬電源控制有其局限性，其中一個(gè)關(guān)鍵的局限性是模擬控制器缺乏靈活性，影響到了隨環(huán)境而變的能力。特別是，模擬控制器的功能是固定的，控制器所使用的模擬元器件受限，數值也是固定的。

模擬控制器的特性是由硅芯片和外部元器件的參數控制器來(lái)設定的。如果需要改變內部的特性，有兩個(gè)選擇：要不改變硅芯片，要不增加外部的有源器件來(lái)廢止、改進(jìn)、模仿或替代控制器。改變硅芯片的時(shí)間從3個(gè)月到超過(guò)1年不等，而且硅芯片的設計變化常常趕不上市場(chǎng)的變化。增加外部有源器件會(huì )增加成本，使進(jìn)度延后，降低功率密度，而且通常會(huì )對可靠性造成負面影響。

用于設定控制器可變工作參數的外部元件的數值是固定的，可用的數值也是受限的。例如，如果選定了一個(gè)電阻并把電阻焊到電路板上，只有把電阻取下來(lái)并用其他電阻替換，才能改變電阻值。而且，外部元件的數值只有一個(gè)，無(wú)法適應變化的環(huán)境。當然，非線(xiàn)性電容器、電阻和電感器偶而也會(huì )用在電源設計當中，但這些元件的變化范圍仍然是固定的。如果你使用一個(gè)正溫度系數(PTC)電阻，這個(gè)電阻不可能表現出負溫度系數電阻的特性。因此，模擬電源控制設計仍然受限于其進(jìn)行優(yōu)化、或適應變化的負載或環(huán)境狀況的能力。

除此之外，我們只能采用供應商產(chǎn)品目錄里面的阻值、容值和感值，而且元件的數值還受到物理特性的制約。電阻、電容器和電感器只有正的數值。這種數值上的限定會(huì )制約模擬解決方案的參數空間。雖然大多數模擬電源設計者都明白只能用正值的元件，但他們對電路工作狀態(tài)的限定卻不甚了了。在做設計變更時(shí)，假使你所用的模擬元件沒(méi)有限定，你在方案選擇上所受到的限制要少得多。

一個(gè)相關(guān)的例子出現在電壓模式控制的補償當中。在電壓模式控制中，輸出濾波電感器和電容器形成了閉環(huán)傳遞函數中的雙極點(diǎn)。在高效電路里，這個(gè)雙極點(diǎn)可能會(huì )變成一個(gè)復數共軛成對極點(diǎn)。一個(gè)Type III模擬補償網(wǎng)絡(luò )(圖)通常用來(lái)對電壓模式控制器進(jìn)行補償。糟糕的是，采用電阻和電容器實(shí)現的典型Type III補償網(wǎng)絡(luò )，只有一個(gè)實(shí)零點(diǎn)可以補償受控器件的極點(diǎn)。如果沒(méi)有出現對復數極點(diǎn)補償不足的情況，實(shí)零點(diǎn)勉強能做些補償。在Type III補償網(wǎng)絡(luò )中，用正值的電阻和電容器不可能實(shí)現復數共軛零點(diǎn)。工程師設法用有限的模擬補償網(wǎng)絡(luò )對電壓模式控制器進(jìn)行補償，但在上面提到的情況下，是無(wú)法實(shí)現足夠的補償，從而會(huì )在這方面浪費大量的時(shí)間。

為什么改用數字電源?

假設我們必須從模擬控制轉向其他技術(shù)，為什么數字控制是解決問(wèn)題的辦法呢?數字控制能解決問(wèn)題，是因為它具有比模擬控制更好的性能、更靈活且在復雜的設計中更易用。數字控制發(fā)揮了模擬控制的優(yōu)點(diǎn)，并超越模擬控制。

想象一下使用同樣的電源元器件，包括相同的FET、電感器、電容器，把使用模擬控制器和數字控制的系統性能做個(gè)比較。起初，你自然會(huì )想到，既然性能是由元器件決定的，很難說(shuō)性能會(huì )有什么差別。但接著(zhù)你會(huì )意識到，控制器會(huì )影響到性能的很多方面。下面是一些例子。