真正的數字電源是什么？

　　最近，營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)一直在大肆吹噓已在學(xué)術(shù)界徘徊了幾十年的數字電源，他們沒(méi)有惡意，只是熱情過(guò)度(圖1)?，F在，其中的一些夸張之詞已經(jīng)消逝，是時(shí)候討論一下數字電源適合什么，其工作原理，缺點(diǎn)，以及它的折衷(參考文獻1)。不過(guò)，盡管它有缺點(diǎn)，各家公司仍然開(kāi)發(fā)和部署了一些器件，它們在不涉及折衷的情況下，充分利用了數字控制回路的好處。

　　圖1，數字電源最終達到了平穩量產(chǎn)的階段(Gartner集團提供)。

　　芯片公司對數字電源的定義是五花八門(mén)。有些公司認為，數字電源包含了圍繞一個(gè)模擬PWM(脈沖寬度調制)回路的數字功能與通信鏈接。其它公司稱(chēng)，數字電源是一種內置數字PWM芯片的狀態(tài)機。還有一些公司表示，數字電源包括了一個(gè)通用DSP，DSP運行著(zhù)一個(gè)閉合控制回路的算法。而過(guò)去

　　十年來(lái)學(xué)術(shù)意義上的真正數字電源，則擁有一個(gè)數字PWM回路，并帶有一個(gè)狀態(tài)機或一只DSP。一只模擬PWM器件上加上一個(gè)串行總線(xiàn)并不能成為數字電源。不過(guò)，數字電源可以免除或消除對某些元件的要求，從而可以降低成本。

　　你可以為一只DSP加一個(gè)FET驅動(dòng)芯片和一些代碼，以控制渦輪風(fēng)機的扇葉角度和變頻器，基本上這就是簡(jiǎn)單的數字電源了。例如，德州儀器公司十多年前就開(kāi)始為其DSP提供電源庫。該公司現在生產(chǎn)多個(gè)系列基于DSP的電源芯片(圖2)。CamSemi公司嘗試減少器件數，提供5W C2161PX2 ac/dc控制器，它采用反饋變壓器上的一個(gè)檢測繞組，而不是昂貴的光耦(參考文獻2與圖3)。數字電源不用二極管來(lái)檢測反饋波形，當檢測繞組的反饋信號為負值，以及不表示次級的輸出電壓時(shí)，就消除這個(gè)信號。至于降低成本，Exar公司制造了16A的XRP7740數字電源芯片，可為機頂盒或數據服務(wù)器提供多個(gè)電源軌(圖4)。Exar公司擁有芯片方面的很多專(zhuān)利，包括將一小塊片芯區域用于一個(gè)實(shí)用的控制回路(參考文獻3)。這樣，Exar公司的芯片定價(jià)就能與模擬芯片競爭。

　　圖2，你可以編譯德州儀器公司任何DSP的數字電源庫，或用一只該公司專(zhuān)用芯片，做出數字電源系統。TI還制造采用狀態(tài)機的數字電源芯片。

　　圖3，CamSemi公司提供5W的開(kāi)關(guān)電源控制芯片，它有一個(gè)替代線(xiàn)性電源的雙極晶體管。開(kāi)關(guān)設計有更高的效率，使用銅線(xiàn)也較少，因此降低了成本。

　　圖4，Exar公司的XRP7740可在四個(gè)通道上提供16A輸出電流。聰明的IC設計使得芯片很小，因此該公司提供的芯片價(jià)格能與模擬方案相競爭。

　　數字電源還可以完成逐周期的回路補償。例如，Intersil公司的數字電源管理集團Zilker Labs最近就推出了ZL6105，它采用了一個(gè)狀態(tài)機來(lái)完成逐周期的自動(dòng)補償工作(圖5)。另一個(gè)例子是，新興的Powervation公司用一個(gè)數字電源ASIC，完成電源的逐周期補償(圖6)。這種實(shí)時(shí)的回路補償是數字芯片較其模擬對手的主要優(yōu)勢。這些數字電源控制器可以跟蹤由于老化和干涸所造成的電解電容降級問(wèn)題。如果你將部件設計成一塊電源磚，則數字控制器可以檢測磚的輸入輸出電容，并在每個(gè)周期作補償。其它數字電源芯片可以做一次性的自補償周期，幫助創(chuàng )建數字補償濾波器的因數。

　　圖5，可以手動(dòng)設定Zilker Labs公司ZL6105演示板的補償，但這樣做并非理想的方案 (a)。當你打開(kāi)自動(dòng)補償時(shí)，可改進(jìn)設計的瞬態(tài)響應穩定性 (b)。

　　圖6，為提高輕載時(shí)的效率，Powervation公司的數字電源芯片可以去掉一個(gè)相。然后，即使在單一相位時(shí)，自動(dòng)補償功能也能維持滿(mǎn)回路帶寬

　　當對一個(gè)系統作測試和驗證(以確定能在生命周期內正常工作)期間，數字電源還提供了在一個(gè)區間上余量可變的電源輸出電壓。例如，英飛凌公司旗下Primarion集團提供的PX7510就可通過(guò)PMBus(電源管理總線(xiàn))完成余量設定和其它操作。思科系統公司DSSG(數據中心、交換以及服務(wù)集團)的技術(shù)領(lǐng)導Bob Thomas稱(chēng)：“余量可以讓我們驗證當輸出電壓超出設定的極限時(shí)，系統的電氣性能與熱性能情況?！?/p>

　　數字電源的大話(huà)

　　有關(guān)數字電源的夸大言論可追溯到十年前有關(guān)模糊邏輯的爭論。有些人認為，模糊邏輯將取代對模擬控制的需求。不過(guò)，看似模糊邏輯只在某些應用中優(yōu)于模擬方案，并且，即使在這些應用中，也可以用一個(gè)PID(比例/積分/微分)控制器完成幾乎所有功能(參考文獻4)。有些推銷(xiāo)者還聲稱(chēng)，數字回路的電源可以做自適應補償，即具有在快速瞬態(tài)響應和低噪聲之間切換的能力。這個(gè)特性迫使你去測量噪聲與瞬態(tài)響應，然后必須決定何時(shí)在兩者間切換。Powervation公司已成功完成了這個(gè)工作，但它要花費大量的處理能力。

　　數字電源專(zhuān)家們還炫耀了“非線(xiàn)性”控制方案，但這些回路卻讓你無(wú)法在數字電源芯片上連接網(wǎng)絡(luò )分析儀。非線(xiàn)性數字回路并不提供有效的增益與相位響應。于是芯片公司轉而讓工程師們在時(shí)域中評估穩定性，聲稱(chēng)他們應給回路施加一個(gè)瞬態(tài)條件，并確保振鈴會(huì )在一個(gè)可接受的時(shí)間量?jì)认?。不過(guò)，有經(jīng)驗的控制系統工程師們都不喜歡非線(xiàn)性控制，而喜歡采用熟悉的增益與相位方法。

　　有些公司稱(chēng)數字電源芯片可以在一個(gè)多相電源中，保持各相位之間有更緊密的電流匹配。不過(guò)，與一個(gè)30%失配的模擬電源作比較是不切實(shí)際的，并且，沒(méi)有一個(gè)負責的工程師會(huì )把這樣一種設計送去量產(chǎn)。

　　有些芯片公司還聲稱(chēng)數字電源的效率高于模擬電源，但這種說(shuō)法并不可靠。一只芯片關(guān)閉多相控制器中各個(gè)相的能力可表示為一種效率收益。在輕載時(shí)，它可提供相當不錯的效率，不過(guò)這種能力并非源于數字PWM回路。任何模擬芯片都可以完成這個(gè)功能。開(kāi)關(guān)電源中的主要損耗是磁、開(kāi)關(guān)以及銅損耗，一只控制芯片無(wú)法影響這些損耗。凌特技術(shù)公司的模擬式LTM4609降-升壓轉換模塊可得到98%的效率，幾乎優(yōu)于所有數字芯片。

　　還有一種有關(guān)效率的說(shuō)法是，數字芯片可提供更好的死區時(shí)間控制。換句話(huà)說(shuō)，它們可以驅動(dòng)同步與功率FET，因此沒(méi)有反向電流。然而，凌特技術(shù)公司擁有一個(gè)模擬方法的專(zhuān)利，能確保同步FET永遠不會(huì )反向導通，而美國國家半導體、Allegro與飛兆公司在多款芯片中采用了模擬的山谷模式(valley-mode)控制，實(shí)現了相同的效果。凌特技術(shù)公司工程副總裁兼首席技術(shù)官Bob Dobkin指出：“沒(méi)有理由說(shuō)數字控制回路有更高的效率。用模擬方式可以做stage-shedding。穿通控制也不是問(wèn)題了，我們一些較新的電路還有自適應穿通控制?！?/p>

　　折衷是不可避免的

　　實(shí)際上，一款芯片采用數字回路還是模擬控制回路并沒(méi)有什么關(guān)系。在選擇一種數字方案時(shí)，你只需要關(guān)心要做哪些折衷。例如，數字電源的靜態(tài)電流較高。盡管德州儀器公司的DSP有很高的功率效率和速度，但它們消耗的功率也大于狀態(tài)機芯片，而遠超過(guò)模擬芯片。在吸收的靜態(tài)電流方面，一只離散時(shí)間式采樣數據的PWM芯片總是高于低功耗模擬PWM芯片。因此，Summit Microelectronics公司以及其它公司便做出了“數字管理”的模擬電源。這種方案是圍繞模擬PWM區域，做出手持電子設備所需要的數字通信與控制功能。這些是準備用在電池工作設備上的器件，無(wú)法擁有高速ADC/DAC和DSP，因為它們的靜態(tài)電流都在毫安量級。Summit公司營(yíng)銷(xiāo)與應用副總裁Abid Hussain說(shuō)：“如果我帶一個(gè)靜態(tài)電流大于100 μA的芯片去見(jiàn)一個(gè)客戶(hù)，我肯定會(huì )受到嘲笑的?！?/p>

　　無(wú)論怎樣，如果你有了DSP，就可以增加一個(gè)軟件模塊，建立一個(gè)電源軌。注意DSP必須要引導，因此，如果這時(shí)有一個(gè)小差錯，則可能損失數字電源軌，直到器件裝入引導碼，開(kāi)始運行時(shí)。另外，你的DSP最好是確定性的。如果它有太多的循環(huán)和中斷，那么就無(wú)法為數字電源代碼提供服務(wù)，電源軌循環(huán)就不會(huì )真正閉合。

　　你會(huì )發(fā)現，模擬器件也可以減少器件數量。例如，Power Integrations公司提供不需要光耦的低成本離線(xiàn)模擬器件，而凌特技術(shù)公司生產(chǎn)的LTC4278和其它模擬器件采用檢測線(xiàn)圈作電壓反饋，而不是光耦。它們未用數字電源也能提供這些功能，因此不需要一個(gè)數字PWM回路也可以消除負反饋電壓，而用反饋波形的適當部分作反饋控制。你關(guān)心的不應該是芯片公司采用了模擬PWM回路還是數字PWM回路，而應注意在沒(méi)有光耦情況下，器件是否可以提供嚴密的輸出調節。

　　數字電源芯片的制造還需要更昂貴的遮罩集，有較高的NRE(非重發(fā)性工程)成本。Exar XRP7740數字電源芯片充分利用了數字PWM回路的尺寸，提供了價(jià)格上可與模擬器件相競爭的低成本芯片。然而，這些芯片的遮罩集要貴得多，因此各家公司銷(xiāo)售這些芯片時(shí)都把變動(dòng)做到最少，哪怕客戶(hù)訂量達數百萬(wàn)片。片芯的低成本是對高成本精細CMOS遮罩集的一種折衷，因此制造商必須面向大批量應用。Cadence公司工程服務(wù)副總裁Time Henricks稱(chēng)：“總歸是技術(shù)-經(jīng)濟的問(wèn)題?！彼赋?，在精細CMOS上置入大輸出或大驅動(dòng)晶體管幾乎不一種有性?xún)r(jià)比的方案。一般來(lái)說(shuō)，在廉價(jià)CMOS工藝下用較粗的線(xiàn)更有好處(參考文獻5)。另外，很多電源芯片必須工作的電壓都高于細線(xiàn)或寬線(xiàn)CMOS可以提供的電壓，因此雙極模擬芯片永遠會(huì )有其地位。

　　數字電源擅長(cháng)于那些需要逐周期補償的應用，但很多公司更愿意采用一種簡(jiǎn)單而耐用的模擬設計，對器件的壽命作適當的補償。數字電源自動(dòng)補償仍然是一個(gè)發(fā)展中的技術(shù)。思科公司Thomas稱(chēng)：“我們有一個(gè)傳統電源軌，在布局上有一些寄生電阻和電感。有家公司認為它的芯片可以補償它。當我們對芯片在此應用中作評估時(shí)，客戶(hù)的結論是，它的自動(dòng)調整算法不能實(shí)現合理的余量?！蹦M芯片在設計中工作良好，不過(guò)設計者有意降低了其交叉頻率，以補償由于電路板上機械約束所致的非最優(yōu)布局。

　　如果一家公司要制造輸入輸出電容未知的電源磚，一只能作自動(dòng)補償的芯片也許很關(guān)鍵，但設計者通常是為特定應用開(kāi)發(fā)電源。盡管為一個(gè)數字電源部件的補償作一次性調節很不錯，但模擬部件并不要求開(kāi)發(fā)數字濾波器的因數。你只需要修改一個(gè)補償電容和電阻，就能改變回路的響應。Cadence公司的Henricks評論道：“模擬芯片只有一個(gè)基準、一個(gè)比較器、一個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)單極濾波器和一些輸出電路，這種健壯性和簡(jiǎn)單性很難被超越?！弊⒁?，擾動(dòng)回路做實(shí)時(shí)補償的辦法并非數字電源域所專(zhuān)有。凌特技術(shù)公司剛發(fā)布了LT4180，它就是一個(gè)能夠檢測電源輸出阻抗的新穎模擬器件，還能調節供電，補償AC和DC電壓降。

　　模擬芯片也可以做余量調節，這種系統功能并不依賴(lài)于數字PWM回路。例如，Maxim公司的MAX16064監控與控制芯片可監視四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)電源轉換器(參考文獻6)，而凌特技術(shù)公司的LTC2978監控與控制芯片則可監視八個(gè)模擬電源轉換器(參考文獻7)。

　　簡(jiǎn)言之，數字電源在某些應用中有意義，而在其它應用中則相反。對一個(gè)系統工程師來(lái)說(shuō)這無(wú)關(guān)緊要，他們不應關(guān)心半導體公司如何去閉合回路。系統工程師都應關(guān)注的是芯片工作情況，以及自己需要的功能。系統工程師需要的是價(jià)格、供貨，以及數據表。數字電源與模擬電源之爭是教授與IC設計者的事。你需要的是能在真實(shí)世界中解決問(wèn)題的芯片與功能。除非它確實(shí)能滿(mǎn)足你的需求，否則就不應該為數字電源支付額外的費用。