如何實(shí)現綠色混合數字計算的電源管理

　　一、引言

　　圖1所示的模擬電源解決方案是一種眾所周知和經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗的技術(shù)，功率電子工程師在時(shí)域中理解起來(lái)毫不費力。模擬PWM控制器包括一個(gè)誤差放大器，用一些電阻和電容構成補償網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)對電阻和電容值進(jìn)行微調可實(shí)現最佳性能。模擬PWM控制器提供快速和準確控制，人們開(kāi)發(fā)了許多先進(jìn)的模擬控制方案來(lái)實(shí)現最佳性能，特別是在瞬態(tài)要求非常嚴格的微處理器核心電源應用中，其針對核心及外設電源應用的簡(jiǎn)單性、易用性和低成本是無(wú)可替代的。

　　圖1，模擬電源框圖。

　　最近，數字電源在計算機應用領(lǐng)域受到重視。圖2偵測所示的數字電源解決方案通過(guò)數字化所偵測的電壓和電流信息以及以數字形式（頻域）重建補償器和PWM比較器來(lái)仿真模擬控制環(huán)路模塊。要想實(shí)現與模擬環(huán)路相似的性能，常常需要極高速（》100MHz）的數字算法處理器，這會(huì )導致較高的待機功耗，并可能需要非易失存儲器（NVM）來(lái)存儲具體設計配置信息，如反饋補償參數。它還需要工程師在模擬和數字域中理解設計。由于其復雜性的緣故，普通電源設計人員無(wú)法完全理解數字PWM控制器，這迫使數字PWM廠(chǎng)商向用戶(hù)提供所有支持和完成設計的大部分內容。因此，設計的穩健性和可靠性嚴重依賴(lài)于廠(chǎng)商支持。數字電源有模擬電源所不具有的一些優(yōu)點(diǎn)，如輕松更新控制回路補償參數而不修改硬件電路。另一方面，偵測適合計算機應用行業(yè)的解決方案仍然需要對熱補償和電流偵測網(wǎng)絡(luò )在硬件電路層面進(jìn)行微調，因此它們根本不是全數字式方案，而是一種混合式方案。

　　圖2，數字電源框圖。

　　對于需要用戶(hù)接口和電源管理的系統，人們常常會(huì )引入串行總線(xiàn)，如PMBus。圖3所示的混合數字電源解決方案在模擬控制環(huán)路和電源管理模塊之間需要一個(gè)ADC（模/數轉換器）和一個(gè)DAC（數/模轉換器），用于接口和通信。由于數字電源方案中一切采用數字形式的部分都包含在控制環(huán)路中，所以數字環(huán)路和電源管理模塊之間不需要專(zhuān)用的ADC或DAC，如圖4所示。但是，數字電源解決方案需要一個(gè)ADC來(lái)數字化偵測到的電壓和電流模擬信號，以便進(jìn)行數字控制處理，還需要一個(gè)DAC來(lái)將數字信息轉換回模擬形式，用于控制功率級。該ADC和DAC都在數字控制環(huán)路內部；這有可能影響環(huán)路響應，除非使用非常高速和高位數（bit-count）的ADC/DAC，這會(huì )顯著(zhù)提高偏置功率。PMBus電源管理模塊的工作頻率通常為100kHz或400kHz，而對于非?？焖俚腁DC和DAC轉換，數字控制算法處理器的工作頻率必須大于100MHz。因此，混合解決方案通常具有比數字解決方案低得多的偏置功率和更快速的環(huán)路響應。

　　本文將詳細討論全數字和混合數字電源方案，包括實(shí)現、系統性能、成本、制造和庫存控制以及環(huán)境影響。

　　圖4，全數字電源解決方案框圖。

　　二、混合數字電源管理與全數字電源管理

　?。?）偏置功率需求

　　要想實(shí)現高精密的DAC精度（比如0.5%）和高PWM分辨率（比如100ps），數字控制器需要極高速（》100MHz）處理器［2］來(lái)在數字域中仿真模擬控制環(huán)路。它通常使用低偏置電壓，如1.8V、2.5V或3.3V，這有助于最小化偏置功率。但是，為計算機應用開(kāi)發(fā)的兩個(gè)多相數字PWM控制器會(huì )消耗超過(guò)100mA偏置電流，消耗的偏置功率是Intersil的混合數字多相PWM的的3~5倍。表1詳細說(shuō)明了這一點(diǎn)，以及對Intersil和另外兩家數字PWM廠(chǎng)商針對英特爾VR12代多相控制器的其他相關(guān)比較信息。由于消耗的偏置功率較高，設計中使用該種數字控制器的穩壓器具有輕負載時(shí)效率低的缺點(diǎn)，且無(wú)法滿(mǎn)足能源之星要求，同時(shí)通常不用于筆記本電腦應用。由于未來(lái)產(chǎn)品要求更低的功耗和追求更綠色的環(huán)保，所以全數字控制似乎不是正確的道路。

　　此外，更低的偏置電壓通常會(huì )限制共模范圍，并可能在輸出電壓變高時(shí)使DCR電流偵測放大器飽和。它會(huì )導致各相間電流失衡，進(jìn)而導致功率級過(guò)載。而且，數字控制器具有更低的PWM輸出信號電平，并有可能引入相位轉換時(shí)的噪聲，可能會(huì )在空間緊張型設計中導致系統故障。

　?。?）可編程性和用戶(hù)接口

　　市面上的多相數字PWM解決方案確實(shí)提供了對環(huán)路響應進(jìn)行編程而不需要對硬件電路進(jìn)行修改的優(yōu)點(diǎn)，但仍然需要通過(guò)微小的電路修改對許多其他功能進(jìn)行微調。全數字方案非常傾向于算法驅動(dòng)方式，且因廠(chǎng)商的不同而異。通常，客戶(hù)不會(huì )成為解決方案方面的專(zhuān)家，或者可能只有1~2名工程師完全理解該控制器。因此，數字解決方案的穩健性和可靠性嚴重依賴(lài)于廠(chǎng)商的支持。

　　混合數字方案提供了模擬控制環(huán)路來(lái)實(shí)現世界一流的瞬態(tài)性能，以及PMBus接口來(lái)實(shí)現可編程性和用戶(hù)接口?？刂骗h(huán)路可編程性可按需要來(lái)實(shí)現而不會(huì )產(chǎn)生全數字解決方案的高偏置電流缺點(diǎn)。精通模擬解決方案的電源工程師通常非常容易理解這一點(diǎn)，因而出錯機會(huì )更小，更有可能在第一次就成功?！　。?）環(huán)路和瞬態(tài)響應

　　由于DAC和ADC轉換延遲，數字控制器的環(huán)路帶寬通常限于不超過(guò)100kHz范圍，而模擬和混合數字控制器可以超過(guò)100kHz，如圖5所示。圖6顯示慢速環(huán)路的響應速度將會(huì )更慢并產(chǎn)生更高的過(guò)沖和下沖。模擬環(huán)路對負載和輸入瞬態(tài)的響應快很多，最小化了輸入和輸出干擾，導致更小的輸入和輸出濾波器尺寸。盡管非線(xiàn)性技術(shù)通常用于加快數字控制器的響應速度，但它會(huì )在寬負載范圍上造成不一致的響應，如圖7所示，其原因在于離散閾值的觸發(fā)。此外，非線(xiàn)性控制會(huì )導致不均勻的脈沖分布和低劣的電流均衡能力，如圖9所示。與用于數字控制器的非線(xiàn)性控制方案相比，Intersil的混合數字控制器ISL6367/67H ［9，10］使用的線(xiàn)性控制可產(chǎn)生平滑的負載階躍響應和均勻分布的相位脈沖，如圖8和圖10分別所示。

　　圖6，慢速環(huán)路與快速環(huán)路瞬態(tài)響應。

　　圖8，采用Intersil的線(xiàn)性控制的瞬變。

　　圖10，線(xiàn)性控制1MHz瞬變的相位轉換順序。

　?。?）DC性能

　　與模擬解決方案的無(wú)限分辨率相比，全數字解決方案常常具有由于A(yíng)DC分辨率和PWM分辨率而產(chǎn)生的量子化誤差。另外，電源狀態(tài)的紋波變化也會(huì )影響穩壓精度，如圖11所示?；旌戏桨副３至四M方案的高精度。

　　數字控制器常常聲稱(chēng)在環(huán)境條件、老化和元件變化下具有更小的Vout漂移。對數字控制環(huán)路補償部分（沒(méi)有外置R和C）是真的，但包括輸出濾波器（電感和電容）在內的功率系的特征仍然會(huì )隨著(zhù)環(huán)境溫度、老化和元件變化而變化。校準可以改進(jìn)精度，特別是在電流偵測中，但它會(huì )增加成本（參見(jiàn)E部分）。除非在每次上電時(shí)進(jìn)行校準并對控制環(huán)路進(jìn)行重新配置，否則數字解決方案將仍然會(huì )有易受環(huán)境變化影響的缺點(diǎn)。此外，低DCR（0.15mOhm或更?。╇姼袑?huì )繼續增多這樣的影響，在全數字控制器的情況下這將要求更高分辨率的ADC，亦即更高的偏置電流。

　　數字解決方案的DC精度受PWM分辨率的影響［2］；例如，200ps PWM分辨率會(huì )對1MHz 開(kāi)關(guān)頻率下的12V輸入產(chǎn)生2.4mV誤差。

　　圖11，來(lái)自VID加載的輸出失調（10A）

　?。?）校準

　　全數字解決方案常常宣揚其校準功能，因為它們常常需要進(jìn)行校準來(lái)實(shí)現與混合方案相同的精度。校準是復雜和非免費的，常常需要外置MOSFET和精密偵測電阻，如同廠(chǎng)商B的解決方案一樣。這些附加元件通常價(jià)值超過(guò)0.20美元，同時(shí)還會(huì )增加用電量。

　?。?）相倍增器兼容性和上電順序

　　相數倍增器常常用于高相數和超頻應用［3］。通道之間的電流均衡對設計穩健和可靠的系統極其重要。市面上實(shí)現通道電流均衡的相數倍增器僅為5V PWM輸入邏輯［11，12］，且不兼容3.3V數字控制器。數字控制器一直使用沒(méi)有電流均衡功能的相數倍增器，這會(huì )產(chǎn)生長(cháng)期可靠性較差和可能造成系統發(fā)熱事件。Intersil相數倍增器集成電路的卓越相間電流均衡請參見(jiàn)圖12。

　　圖12，Intersil相倍增器在負載瞬變期間的通道電流均衡

　　在服務(wù)器領(lǐng)域，可產(chǎn)生最佳效率的典型驅動(dòng)器電壓為5V，這是不同于數字控制器的偏置電壓的，它使上電順序和保護復雜化；出現了三種可能情景：

　　1） 驅動(dòng)器首先上電。 驅動(dòng)器檢測到PWM低并接通低端MOSFET來(lái)給輸出放電；系統將不允許預充電啟動(dòng)。

　　2） 數字控制器首先上電。驅動(dòng)器檢測到PWM高或者在驅動(dòng)器電壓變慢時(shí)檢測到一個(gè)全占空比PWM信號；系統將失去軟啟動(dòng)并導致高端MOSFET的過(guò)應力。

　　3） 驅動(dòng)器和控制器由同一個(gè)啟用信號控制。在斷電期間由于高端MOSFET短路，CPU將不會(huì )受到保護，因為驅動(dòng)器已被禁用。

　?。?）系統保護

數字控制器需要數字化電壓和電流信息，然后再將其轉換回模擬信息，這一切全都在控制環(huán)路內部進(jìn)行。這通常導致比模擬環(huán)路更慢的響應，如圖5所示。另外，由于控制環(huán)路中的ADC和DAC，數字控制器將對需要立即予以響應的故障（如輸出短路、高端MOSFET短路或輸出過(guò)電壓）產(chǎn)生較差的保護。如表1所示，市面上的數字解決方案只對輸出提供一個(gè)偵測點(diǎn)。當反饋路徑由于元件性能降低、灰塵或潮濕而形成分割器時(shí)，輸出電壓將上升而不觸發(fā)過(guò)壓保護（OVP），因為沒(méi)有第二個(gè)點(diǎn)來(lái)監測