數字高性能負載應用的智能全集成數字電源解決方案

首先，我們要了解一下當前數字電源市場(chǎng)有哪些不同的解決方案，先了解清楚數字電源究竟意味著(zhù)什么是很重要的。功率系統監視、監測、故障檢測和數據記錄是“數字電源管理”的一個(gè)重要方面，其可以通過(guò)價(jià)廉的微控制器、FPGA或者PLD實(shí)現，而時(shí)基要求比較低。不過(guò)，數字電源更具有挑戰性的例子是“數字控制電源”，其中有一個(gè)或多個(gè)電源控制環(huán)路，以高速模數轉換器(ADC)和微控制器、狀態(tài)機或DSP控制算法為基礎。

　　根據半導體市場(chǎng)研究機構IMS估計，全球數字功率半導體市場(chǎng)將從2012年的27億美元增長(cháng)到2017年的124億美元。服務(wù)器現在是數字電源的最大單一市場(chǎng)，預計2013年占到整體營(yíng)業(yè)收入的33%。2012-2017年該領(lǐng)域的復合年度增長(cháng)率將達44.8%。增長(cháng)最快的數字電源應用領(lǐng)域將是照明，預計2012至2017年，該領(lǐng)域的復合年度增長(cháng)率將達146%。其中來(lái)自L(fǎng)ED照明解決方案的使用不斷增長(cháng)，尤其是需要滿(mǎn)足切相調光解決方案適合采用數字電源控制來(lái)實(shí)現對不同相位調光器的兼容性。同時(shí)，筆記本與平板電腦中的PFC數字電源的復合年度增長(cháng)將分別達99%和82%。主要家用電器中數字電源將增長(cháng)76%，手機中數字電源將增長(cháng)52%。從中可以看出，未來(lái)幾年內數字電源的營(yíng)收增長(cháng)勢頭將遠遠超過(guò)模擬電源。

　　迄今為止市場(chǎng)上出現的專(zhuān)用數字控制器中，大多數是隔離DC/DC和AC/DC功率因數校正(PFC)，它們之所以在市場(chǎng)上獲得更多認可的原因，主要是在于最近幾年市場(chǎng)上蓬勃發(fā)展的智能手機/平板快速充電的需求日益提高，和更加節能綠色的LED照明替換傳統照明的大勢所趨。此外，市場(chǎng)上對非隔離DC/DC功率轉換(例如電壓調節模塊(VRM)和POL轉換器)的數字化需求也日益增加。

　　數字PFC控制器的功能性要求與POL控制器截然不同。PFC穩壓器對于負載調節精度要求較低，而且工作在更低的開(kāi)關(guān)頻率和更低的控制環(huán)路帶寬下，容易帶來(lái)量化誤差以及ADC分辨率下降等設計挑戰。此外，PFC控制器存在獨特的設計問(wèn)題，需要豐富的系統知識和經(jīng)驗。AC/DC電源一般需要能夠降低諧波失真和開(kāi)關(guān)穩壓所產(chǎn)生噪聲的電磁干擾(EMI)濾波器。數字PFC穩壓器可以整合功能以降低對EMI濾波器的要求，可以使得EMI濾波器更小更高效。根據所采用的控制算法和工作模式(比如不連續傳導模式、連續傳導模式或者邊界傳導模式)的不同，模擬PFC控制器可以分為好幾類(lèi)。每一種PFC工作模式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在不同功率級更為顯著(zhù)。數字PFC控制器可以被分配在任一種PFC控制模式下。

　　不論是對PFC應用，還是POL應用，一個(gè)可以配置在許多OEM(原始設備制造商)產(chǎn)品平臺上的控制器有助于加快開(kāi)發(fā)速度，并減少需維護的元件庫存，以提高更高的價(jià)值。

　　數字電源更適合于更大功率的應用，因為這類(lèi)應用需要一個(gè)或多個(gè)PFC(功率因數校正)穩壓器、多個(gè)隔離和非隔離的電源軌，以及復雜的冷卻溫度曲線(xiàn)。服務(wù)器電源系統就是數字控制和電源管理在分布式電源架構中提供性能和效率優(yōu)勢的實(shí)例之一。隨著(zhù)越來(lái)越多的數字電源進(jìn)入到服務(wù)器和計算功率領(lǐng)域，其他大功率DPA(分布式電源架構)系統(比如用于電信和數據通信的DPA系統)開(kāi)始采用數字電源解決方案。　　POL轉換器一般為低電壓、大電流數字負載(如FPGA、微處理器、DSP及其他具有極高動(dòng)態(tài)特性的數字電路)提供電壓。保持電壓在1V左右的精確調節，同時(shí)利用純模擬控制技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足近200A/ns的負載瞬態(tài)要求變得越來(lái)越困難。有些數字控制器能夠提供在同類(lèi)模擬IC中難以實(shí)現的功能，例如非線(xiàn)性控制。事實(shí)上，幾乎所有的POL數字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬態(tài)響應的控制技術(shù)。這些專(zhuān)用控制算法構成了傳統模擬電源公司進(jìn)入數字電源開(kāi)發(fā)的門(mén)檻。Altera的電源事業(yè)部在去年成功收購創(chuàng )新電源公司Enpirion的基礎上，成功于今年12月在市場(chǎng)上推出一系列高性能的全集成數字電源解決方案。其中，EM1130內部采用數字內核實(shí)現控制環(huán)路，可以滿(mǎn)足極為嚴苛的瞬態(tài)要求，實(shí)現極低的紋波電壓(5mV峰峰值)，以及在輸出電壓范圍(0.6V~1.5V)實(shí)現極高的精確穩壓±0.5%。同時(shí)可以支持PMBus通信接口，可以實(shí)現遠程精確的電流、電壓和溫度監控。

　　不論是模擬還是數字方案，為市場(chǎng)應用開(kāi)發(fā)的電源對于成本特別敏感。在對數字和模擬電源解決方案兩者的成本進(jìn)行比較時(shí)，必須從系統整體角度出發(fā)，包括設計成本、工藝開(kāi)發(fā)、測試、驗證、制造、庫存控制、外圍元器件節省以及可靠性導致的維護成本等。

　　數字控制比模擬控制具有某些更好的性能、設計更靈活且在復雜的設計中更容易上手使用。如下總結的六個(gè)方面的性能決定了模擬電源被數字電源取代的主要原因。

　　(1)瞬態(tài)響應：控制機制極大影響了系統的瞬態(tài)響應。例如，與電流模式相比，磁滯控制器的瞬態(tài)響應會(huì )有很大不同。每種控制模式都既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。數字解決方案能無(wú)縫地從一種模式轉換到另一種模式，從而提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應。

　　(2)效率：許多應用條件都會(huì )影響到效率，包括死區時(shí)間、開(kāi)關(guān)頻率、柵極驅動(dòng)等級、二極管仿真和相移等。針對這些因素，當前數字控制所提供的數字控制算法在整個(gè)工作條件范圍內進(jìn)行了優(yōu)化。因此，在某個(gè)工作點(diǎn)下，也許能將模擬控制器調整到很高的效率，但數字控制器卻可對所有的工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

　　(3)調節精度：一般來(lái)說(shuō)，調節精度是根據線(xiàn)電壓、負載和溫度來(lái)定義的，因為這些條件中的每一個(gè)都會(huì )影響調節精度。數字控制器可以監視這些條件，并采取控制措施，在整個(gè)工作條件范圍內進(jìn)行優(yōu)化。

　　(4)穩定性：數字控制能夠提供比模擬方案更好的補償(更好地調用極點(diǎn)和零點(diǎn))，因此在穩定性上的控制要好很多。另外，補償能夠隨著(zhù)條件的變化而變化，使系統能在很寬范圍的條件下實(shí)現最佳的穩定性。模擬控制器的補償是固定的，而數字控制可提供可調的甚至是自適應的補償。

　　(5)故障響應：數字電源控制器提供了大量故障響應的選項。每種故障都有唯一的響應特性，可根據用戶(hù)的需求進(jìn)行調整。模擬控制器一般只有一個(gè)固定的故障響應(如斷電/斷續/過(guò)載)，用戶(hù)也只能選擇用或者不用。數字控制還能提供濾波器功能，降低虛假故障的可能。

　　(6)可靠性：減少元件數量和降低工作溫度(通過(guò)效率優(yōu)化)是數字電源提高系統可靠性的兩個(gè)途徑。此外，靈活的故障響應和探測元器件參數微小變化的能力，可以大幅減少停機時(shí)間。

　　如今，數字電源在市場(chǎng)上的普及正在加快。以通信基站系統舉例，如果能夠監測系統參數，則可更好地管理系統性能，進(jìn)而提高系統可靠性?；鶐卧仨毦邆鋸姶蟮男盘柼幚砟芰?，以處理大量數據和語(yǔ)音流量。上電/斷電期間，多路不同電流/電壓的電源必須按照正確的順序開(kāi)啟/關(guān)閉。需要對基帶工作過(guò)程中的電流和溫度進(jìn)行監測，以確保系統工作在容限范圍內，并在必要時(shí)提供報警或故障指示信號。另外，遠端控制功能和先進(jìn)的故障管理功能能夠確?；緦?shí)現更高的可靠性。如果采用模擬方案，這些功能將需要多個(gè)器件和電源管理的支持。而數字方案則可降低設計復雜度，只需獨立的電源管理芯片?；倦娫赐蠓浅碗s的電源管理控制器，每項功能需要多個(gè)分立元件配合。設計方案的總電路板面積和復雜度也相應增長(cháng)。另外，由于基站工作在極端溫度條件下，設計方案必須在較寬的工作溫度范圍內保持可靠。對于傳統的模擬電源方案，只能在單一工作條件下設置補償，而又必須解決寬工作范圍問(wèn)題。同時(shí)，無(wú)源器件(例如電感和電容)的差異也加劇了電源補償的復雜度。

　　數字電源可作為更好的替代方案，數字架構中能夠實(shí)現自動(dòng)補償，并有利于優(yōu)化帶寬。更大頻寬的負載瞬態(tài)響應有助于改善系統容限或省掉輸出電容，從而縮小系統尺寸。此外，由于無(wú)源器件參數隨著(zhù)溫度的變化而發(fā)生變化，自動(dòng)補償功能能夠自適應調整，適應條件的變化，從而在整個(gè)溫度范圍內實(shí)現最優(yōu)設計。

　　在提高效率方面，數字電源的作用也非常大。在正確實(shí)現時(shí)，數字控制有可能通過(guò)占空比優(yōu)化和自適應直通控制，在滿(mǎn)足瞬態(tài)要求的同時(shí)，實(shí)現更低的開(kāi)關(guān)頻率、關(guān)鍵時(shí)序的實(shí)時(shí)適應(比如同步整流或者諧振死區時(shí)間)、切相以及根據負載電流變換工作模式等等，在一定程度上提高效率。由于系統功率根據負載要求進(jìn)行更有效的管理，故數字控制能夠提高總體效率。這里，不得不再次提到EM1130和Altera的Gen10 FPGA合作降低系統靜態(tài)功耗的成功案例。通過(guò)SmartVID雙向通信接口應用，EM1130可以幫助Arria10的靜態(tài)功耗顯著(zhù)降低--通過(guò)實(shí)際測試，可以幫助A10的靜態(tài)功耗降低多達40%，且不會(huì )影響FPGA本身的工作性能表現。這個(gè)產(chǎn)品將極大地幫助Altera及其他PFGA/ASIC廠(chǎng)家實(shí)現高性能和低功耗的顯著(zhù)設計目標。

　　圖3 EM1130的SmartVID有助FPGA顯著(zhù)降低靜態(tài)功耗

任何數字功率控制器獲得成功的基本要求之一是可行的，易于使用的圖形用戶(hù)界面(GUI)。許多功率設計工程師都很快認