關(guān)于數字電源的應用價(jià)值與優(yōu)勢的探討

1.數字電源的同步和時(shí)序控制

通常電源系統的時(shí)序和同步控制都需要使用特殊的控制器件來(lái)實(shí)現，而需要額外增加器件來(lái)實(shí)現時(shí)序控制，即增加了成本還需要在電路板上占有一定的空間，并且是完全由硬件電路實(shí)現，沒(méi)有適應性和擴展性，每做一個(gè)新的產(chǎn)品都需要重新進(jìn)行時(shí)序設計和相應的硬件設計。特別是針對復雜的系統來(lái)說(shuō)，每個(gè)系統中可能有多達10幾路的電源軌需要進(jìn)行精確的時(shí)序設計，一不小心如果有一路時(shí)序設計錯誤，整個(gè)系統設計就功虧一簣。而數字電源的應用，讓時(shí)序和同步控制變得異常簡(jiǎn)單，Zilker系列數字電源管理芯片使用單線(xiàn)制的DDC總線(xiàn)和SYNC管腳就可輕松實(shí)現各路電源軌之間的同步和時(shí)序管理，不再需要使用專(zhuān)門(mén)的頻率同步信號發(fā)生器件和時(shí)序控制器件，只需通過(guò)單線(xiàn)將各芯片的DDC管腳和SYNC管腳分別連接在一起，相應器件的時(shí)序和工作的相位就可以進(jìn)行精確的設定。時(shí)序設定是通過(guò)配置Pre Sequence和Sequence寄存器實(shí)現，同步和相位是通過(guò)配置SYNC Output Mode，SYNC Input Mode, SYNC Pin Configure來(lái)實(shí)現。

而芯片運行的過(guò)程中是完全不需要外部控制的，只需事先將配置文件寫(xiě)入芯片中，芯片就可以完全在獨立運行的過(guò)程中實(shí)現精確的排序和同步錯相功能了。

下圖是通過(guò)配置的基于ZL系列數字電源芯片電源軌的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形圖以及輸出電壓軌的時(shí)序控制結果：

圖1：電源軌相位交錯效果

圖2：系統的上電時(shí)序控制效果

圖3：系統的下電時(shí)序控制效果

從上面的圖像可以看出，通過(guò)配置后電源系統輕松實(shí)現了排序、同步和錯相等功能，工作狀態(tài)穩定。同時(shí)在使用了數字電源解決方案后，出現錯誤時(shí)也可以通過(guò)軟件進(jìn)行及時(shí)簡(jiǎn)單的進(jìn)行修正，不需要重新花費人力物力來(lái)對復雜的硬件進(jìn)行重新設計，設計人員也可以節省更多的時(shí)間去完成對系統處理功能的優(yōu)化，潛在的經(jīng)濟效益也很大。

2.數字電源對系統動(dòng)態(tài)功耗管理的幫助

針對工業(yè)界越來(lái)越嚴格的能耗管理需求，為使電源系統能夠得到最優(yōu)化的效能。除了提高電源系統的工作效率，另一個(gè)途徑就是針對系統處理器芯片工作在不同業(yè)務(wù)密度時(shí)，動(dòng)態(tài)的調節處理器芯片的供電電壓來(lái)優(yōu)化處理器的能耗，通常情況下即要實(shí)現下面的功能：當系統處在高負荷運轉的時(shí)候，需要系統有很強的處理能力，讓系統達到最高的處理速度和能力，需要相應的提高系統處理器芯片的供電電壓；而當系處于低負荷運轉的時(shí)候，又需要盡可能的把閑散的功能模塊屏蔽，不讓或者少讓其損耗能量，從而相應的降低系統處理器芯片的供電電壓。

使用模擬電源方案，電源系統的輸出電壓是由硬件固定設置的，不能夠或者很難進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)調整。而使用了數字電源方案，我們不僅可以通過(guò)接口（Zilker系列數字電源使用標準的I2C/SMBUS接口）和相應的協(xié)議（Zilker系列數字電源使用標準協(xié)議的PMBus協(xié)議）實(shí)時(shí)的控制電源的輸出，而且還可以實(shí)時(shí)監測電源軌的工作電壓、電流、溫度等信息（如圖4是通過(guò)Intersil公司的GUI顯示了多路數字電源軌的工作狀態(tài)）， 這樣可以比較容易的實(shí)現對系統的動(dòng)態(tài)管理和性能優(yōu)化了。

圖4：系統的動(dòng)態(tài)監控

通常的系統動(dòng)態(tài)電壓調節流程圖如下圖5所示，在調節的過(guò)程中需要CPU發(fā)送調節指令，對于模擬電源來(lái)說(shuō)，指令是不能夠被直接接收和執行的，那么整個(gè)調節過(guò)程就不能夠有效的執行。只有使用了數字電源的系統才能有效的進(jìn)行相應指令接收和操作，系統動(dòng)態(tài)功耗的管理和優(yōu)化就變的有操作性了。

圖5：根據負載運行狀況實(shí)時(shí)對電源軌電壓進(jìn)行調整

3.數字電源應用對系統長(cháng)期可靠性的幫助

幾乎所有的ZL系列數字電源都帶有自動(dòng)補償功能（Auto Compensation），數字電源的自動(dòng)補償功能用來(lái)幫助設計工程師對電源設計中復雜的反饋環(huán)路進(jìn)行設計的輔助工具。

但是使用自動(dòng)補償還可以實(shí)現其他一些有用的功能，例如幫助提高系統的長(cháng)期可靠性。

ZL系列數字電源中數字補償回路的參數包括以下三個(gè)參數：Gc,Fn和Q，其中Gc為增益，這個(gè)值用來(lái)補償功率通路直流增益的不足，增加低頻增益，以達到更加緊密的輸出電壓調節精度。Fn為自然頻率，用來(lái)補償系統中輸出濾波器件在諧振頻率處產(chǎn)生的雙極點(diǎn)，以保證電壓的設計更加穩定可靠。而Q值則是一個(gè)逼近電源本身輸出濾波器件品質(zhì)因素的參數，當電源本身的品質(zhì)因素發(fā)生變化的時(shí)候，補償的Q值就會(huì )隨之變化，以補償這部分的變化。而對于自動(dòng)補償器件來(lái)說(shuō)，這三個(gè)參數是可以根據電源的設計自動(dòng)產(chǎn)生的，只要將自動(dòng)補償功能啟動(dòng)，就可以產(chǎn)生一套參數。

那么通過(guò)觀(guān)察系統補償值的變化，我們是否就可以了解系統中的各個(gè)分立器件參數的變化情況呢？帶著(zhù)這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)行了研究。下面以ZL8101為基礎設計的1V30A的數字電源的軌作為例子，對電源進(jìn)行自動(dòng)補償測試，比較在不同情況下得到的自動(dòng)補償結果，得到如下表的參數：

表1:不同系統狀況下的自動(dòng)補償參數

對比上面三組參數，很明顯，在輸出電容不同的情況下，補償參數中的Q值有明顯的變化。這個(gè)說(shuō)明了什么呢？

對于Q值，前面說(shuō)過(guò)，其和整個(gè)電源軌的品質(zhì)因素有直接關(guān)系，它是補償電源軌功率通路品質(zhì)因素的，當功率通路品質(zhì)因素發(fā)生變化的時(shí)候，Q值當然也應該發(fā)生變化，只有這樣我們才能得到一個(gè)穩定的補償回路，系統才能夠可靠的工作，這結果即得到了不同情況下單自動(dòng)補償參數值，也從側面反映了自動(dòng)補償功能的可靠性。

而對于數字電源來(lái)說(shuō)，一個(gè)電源軌中除了功率通路之外，就是數字控制器本身，外圍其他電路已經(jīng)被減少到了基本沒(méi)有的地步，所以功率回路和數字控制器就是最主要的器件了，我們只要保證了這兩種器件的可靠性就可以保證整個(gè)電源軌的可靠性，從而保證整個(gè)系統的可靠性。而對于半導體器件，本身的可靠性非常高，失效率也極低，一旦設計完成，他的失效率就基本可以忽略不計；對于磁性元器件，由于其是物理結構，在整個(gè)生命周期中都比較穩定，在不受外界應力干擾的情況下，失效率同樣極低；只有一個(gè)器件是容易產(chǎn)生失效的，這個(gè)器件就是輸出級的大容量?jì)δ茈娊怆娙?，電解電容的失效率?huì )隨著(zhù)工作時(shí)間增加而增加。在使用模擬電源產(chǎn)品的時(shí)候，系統的可靠性是由第一次設計來(lái)保證，但是在設計的時(shí)候是不會(huì )考慮到電容失效這種情況的，設計出來(lái)的電源產(chǎn)品只能在保證電路主要器件完好情況下的可靠性，就是說(shuō)如果輸出電容發(fā)生失效，或性狀發(fā)生變化的時(shí)候是不能保證電源正常工作可靠性的，而電容是否發(fā)生故障或者會(huì )什么時(shí)候發(fā)生故障，這個(gè)是沒(méi)有辦法知道的，所以模擬電源的長(cháng)期可靠性也無(wú)從監控或者追蹤。但是通過(guò)這個(gè)實(shí)驗，使用數字電源的自動(dòng)補償功能，首先我們能夠在輸出電容發(fā)生變化的時(shí)候，仍然保證系統的穩定性和可靠性。其次，當輸出電容發(fā)生變化后，我們可以通過(guò)自動(dòng)補償功能檢測到這個(gè)變化，從而預先防止電源的進(jìn)一步惡化，在整個(gè)系統出現較大問(wèn)題之前我們就可以知道并且更換掉即將失效的器件，從而可以有效的阻止整個(gè)系統的崩潰。

使用數字電源的系統，我們能夠通過(guò)檢測系統在長(cháng)期使用過(guò)程中的自動(dòng)補償參數值的變化，進(jìn)行統計學(xué)的對比，從中了解到系統中的某些元器件的老化程度，從而決定是否需要及時(shí)的進(jìn)行系統維護和元器件更換。這即增強了系統的長(cháng)期可靠性也為系統長(cháng)期可靠性的評估提供了一個(gè)可行的辦法，并且所有的這些工作都只需要通過(guò)遠程訪(fǎng)問(wèn)系統中的數字電源就可以實(shí)現，從而可以有效的降低系統后期的維護費用和成本，有非常重要的實(shí)際意義。

綜合上述得到的使用數字電源的優(yōu)點(diǎn)，以及傳統來(lái)說(shuō)使用數字電源得到的外圍分立元器件的減少和系統的更加智能化，數字電源應用的優(yōu)勢就顯得異常突出了。業(yè)界還有什么理由來(lái)拒絕使用數字電源產(chǎn)品呢？