數字電源設計方式的發(fā)展方向

前言：早在十幾年前，諸如德州儀器、Microchip等公司就已經(jīng)在傳統的模擬電源設計中，混入了數字化的零件，現今信息產(chǎn)品在要求上要有更小的體積、更低的成本以及更高的可靠性即可控制能力，傳統的模擬供電架構已經(jīng)明顯不敷這方面的應用。

電源技術(shù)發(fā)展趨勢

圖說(shuō)：交換式電源轉換系統。（資料來(lái)源：交通大學(xué)）

信息產(chǎn)業(yè)往更小的制程發(fā)展，期望能為功耗問(wèn)題帶來(lái)正面的解決方式，然而芯片整合的功能越來(lái)越多，速度越來(lái)越快，新制程所帶來(lái)的往往是更高的耗電與發(fā)熱。然而新一代的信息產(chǎn)品不是在外型上，便是在體積上大做文章，信息產(chǎn)品體積縮小有幾個(gè)好處，首先便是在大范圍應用方面，比如說(shuō)企業(yè)機房?jì)炔?，當服?wù)器的體積能夠有效縮小，便能夠在同樣的單位面積之內，安裝更多的設備，并且提供更多的服務(wù)，換句話(huà)說(shuō)，設備體積越小，企業(yè)便可以用更小的機房面積來(lái)取得同等的菜單現。只是設備體積的微縮，相對而言，電源供應系統也必須配合微縮，而且所能供給的電力負載還必須能維持甚至超越過(guò)去的水平，這對電源設計廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)是相當嚴苛的挑戰。

■數字電源設計有助縮小設備體積與增強管理能力

圖說(shuō)：數字與模擬回路比較。（資料來(lái)源：交通大學(xué)）

雖然機器的體積縮小了，但是隨著(zhù)效能與功能的增加，這些相對小的設備在功耗方面卻不會(huì )有絲毫的減少，為了滿(mǎn)足這些設備的供電需求，而又要能將電源供應模塊塞進(jìn)這些輕薄的機殼內，除了藉助絕緣柵雙極型

數字電源就是采用數字接口具有可程序化（programmable）的電源轉換器，數字接口（digital interface）與可程序化是數字電源的重要特征，也是其簡(jiǎn)化產(chǎn)品應用的重要利基?？刂破鞯膶?shí)現可以模擬電路方式或數字電路方式，數字電源系指采用數字控制方式實(shí)現交換式電源供應器的控制回路與接口。與此相較，傳統的交換式電源供應器主要采用模擬控制方式實(shí)現其控制回路與接口。

一般而言，采用全數字化控制技術(shù)，可以有效縮小電源體積，降低成本，并且提升設備的可靠性和對使用者的適應性。整個(gè)電源的訊號取樣、處理、控制（包括電壓電流等環(huán)節）、通訊等均采用DSP技術(shù)，可以獲得一致的穩定的控制參數。

數字化電源控制可以采用更加靈活的方式，比如說(shuō)電源供應器可以在各種電壓、溫度下動(dòng)態(tài)調整并最佳

DSP技術(shù)可以實(shí)現更簡(jiǎn)單穩定的通訊和均流，并且獲得良好的EMC控制。數字組件可提供的智能化程度更高，因此諸如靈活的LED警示組合，自我監控能力以及遠程通訊機制都可以輕易達成。數字化設計也可以有效減少組件使用數量并提高模塊化的程度、以及提高功率密度。消除模擬控制技術(shù)的組件離散性和溫度飄移，保證每個(gè)模塊均達到最優(yōu)指針，提高電源可靠性。模塊智能化程度更高，易于使用維護。

■手持式裝置電源管理趨向高度整合與數字化設計

而在手持式裝置上，對于電源管理的機制更是不斷的進(jìn)步。原本手持式裝置所主打的行動(dòng)便利性，卻逐漸被多功能、高效能導向口號所取代，在電池技術(shù)未得到突破性的發(fā)展之前，只能訴求更有效率的電源管理方式。

圖說(shuō)：2G與3G手機的功耗分布比較。（資料來(lái)源：Planet Analog）

目前主流的行動(dòng)裝置通常都會(huì )整合視訊、音效、照相／錄像、檔案儲存／編輯等多種功能，比如PMP，能夠完成音效與視訊播放、錄像和檔案儲存等工作，手機能夠拍照、聽(tīng)音樂(lè )甚至利用無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行上網(wǎng)動(dòng)作。這些不同的功能通常都是透過(guò)相對應的組件來(lái)達成，然而這些組件需要不同的電壓供應才能正常動(dòng)作，而且要求電壓質(zhì)量穩定可靠、干凈、高效能，這也是設計電源管理所面臨的挑戰。在這些日趨復雜化電源管理系統中，1款產(chǎn)品可能會(huì )同時(shí)需要5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、0.9V和0.7V等多種電壓供給，如何有效地管理多種電壓，并且使之互不干擾，是電源設計中正面臨的一個(gè)難題。

以目前的發(fā)展而言，電源系統單芯片（power-system-on-a-chip）的整合是整個(gè)行動(dòng)應用，甚至是產(chǎn)業(yè)界的長(cháng)期趨勢，理所當然，手持式行動(dòng)裝置的的電源供應設計也是遵循這個(gè)趨勢，并且朝向更高階的芯片整合度發(fā)展。

過(guò)去行動(dòng)裝置的電源系統是由許多零散的模擬零件所組成，但是在新近的產(chǎn)品已經(jīng)看不到這樣的過(guò)時(shí)設計。原先行動(dòng)裝置電源供應模塊在功能方面的設計趨勢，主要是整合并盡量縮小這些離散模擬電源零件的體積，之后則是把這些零件整合至1顆或少數幾顆電源管理組件中。而這些電源零件開(kāi)始加入越來(lái)越多的功能和智能管理能力，在應用范圍方面也逐漸普及到其它領(lǐng)域，并且進(jìn)入各種不同類(lèi)型的行動(dòng)裝置的設計之中（比如說(shuō)GPS、掌上型游樂(lè )器、PMP、行動(dòng)電視等產(chǎn)品）。

芯片整合的理由對于整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)都相同：把更多功能整合至更少零件后，產(chǎn)品成本即可大幅下降，因為制造這些產(chǎn)品所需的組件數目和電路板面積都會(huì )減少、產(chǎn)品的組裝和制造程序會(huì )更簡(jiǎn)單，藉此可達到更高的系統可靠性并能大幅縮短測試時(shí)間。此外，更高的芯片整合度也能提高研發(fā)流程的效率，從而縮短制造商的新產(chǎn)品上市時(shí)間，對于提升產(chǎn)品競爭力而言有著(zhù)莫大的幫助。

數字交換式電源的設計方式

一般實(shí)現交換式電源的數字控制主要有以下兩種方法：

第一種：?jiǎn)涡酒刂破魍ㄟ^(guò)外接A/D轉換芯片進(jìn)行取樣，取樣后對得到的數據進(jìn)行運算和調節，再把結果通過(guò)數字／模擬（D/A） 轉換后傳送到PWM芯片中，從而達到單芯片控制器對交換式電源的電源間接控制。這種方法的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，設計方法容易掌握，而且對單芯片控制器的要求不高，成本比較低。但是控制電路由于要用多個(gè)芯片，電路比較復雜；而經(jīng)過(guò)A/D和D/A轉換等步驟，會(huì )造成比較大的訊號延遲，這些延遲勢必影響電源的動(dòng)態(tài)性能和穩壓精準度。有些單芯片控制器整合了 PWM輸出，但交換式電源往高頻化發(fā)展，一般單芯片控制器的頻率頻率有限，產(chǎn)生的PWM輸出頻率與精確度成反比，因此無(wú)法產(chǎn)生足夠頻率和精準度的PWM輸出訊號。

圖說(shuō)：PWM的結構區塊圖。

第二種：透過(guò)高性能數字芯片如DSP對電源實(shí)現直接控制，數字芯片完成訊號取樣AD轉換和PWM輸出等工作，由于輸出的數字PWM訊號功率不足以驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管，需通過(guò)一個(gè)驅動(dòng)芯片進(jìn)行開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)。這樣就可以簡(jiǎn)化控制電路的設計，由于而這些芯片有比較高的取樣速度（TMS320LF2407內部的10位AD轉換器完成 一次AD轉換只需500ns的轉換時(shí)間，相較之下，最快的8位單芯片控制器也要數微秒之久）和運算速度，可以快速有效的實(shí)現各種復雜的控制算法，實(shí)現對電源系統的有效控制，這樣的設計具備較高的動(dòng)態(tài)性能和穩壓精度。不過(guò)DSP芯片結構復雜，成本比較高；而且DSP控制技術(shù)比較難以掌握，對設計者要求比較高，在主流交換式電源領(lǐng)域中難以廣泛應用。雖然 DSP技術(shù)已經(jīng)在交換式電源中開(kāi)始應用，但目前主要仍局限在對電源性能要求較高的而且價(jià)格比較昂貴的應用領(lǐng)域上。

電源控制數字化之后所需面對的問(wèn)題

數字控制的交換式電源不可避免地存在以下問(wèn)題：A/D（模擬／數字）轉換器的速度和精度成反比。為了保證交換式電源有較高的穩壓精度，A/D轉換器必需要有比較高精度的取樣，但高精度的取樣頻率需要的更長(cháng)的A/D轉換時(shí)間。作為反饋回路的一部分，A/D轉換時(shí)間過(guò)長(cháng)必然造成額外的相位延遲時(shí)間。除了和模擬控制存在的相位延遲，轉換過(guò)程的延遲時(shí)間必然也會(huì )造成額外的等待循環(huán)，造成回路的實(shí)時(shí)反應能力變差。

和模擬芯片用RC（電阻電容）補償進(jìn)行PI調節（PI regulator）的方法一樣，在控制回路中用引入PI調節的方法以提高控制回路的實(shí)時(shí)反應能力，這種做法需要占用數字芯片較大的系統資源，因為數字控制和模擬控制不同，訊號取樣不是連續不斷的，而是規則離散的，兩次取樣之間會(huì )有一段間隔時(shí)間，這段時(shí)間的值是無(wú)法取得的。為了要達到精確的控制，每次取樣之間的時(shí)間間隔不能太長(cháng)，即取樣頻率不能太低。作為數字芯片，每次AD轉換結束后，得到的結果都會(huì )被送到系統的中央處理器，然后由處理器對取樣的值進(jìn)行運算和PI調節。

在取樣頻率比較高的時(shí)候，這種做法相當耗費系統運算資源，因此對數字芯片的效能要求也比較高。專(zhuān)門(mén)用于電源控制的數字芯片并不算多，雖然在要求比較高的場(chǎng)合一般都會(huì )用DSP芯片，其運算和取樣速度快，功能強大，但價(jià)格比較昂貴。而且通用DSP芯片不是專(zhuān)門(mén)的做為電源控制芯片使用，一般的電源應用對其芯片資源的利用率不高，在某些狀況之下，采用DSP芯片做為電源數字控制的核心是一種浪費。

應用在電源設計的DSP與MCU架構之爭

目前在數字電源領(lǐng)域占有龍頭地位的非屬德州儀器以及Microchip這兩家半導體公司，然而單純MCU或者是單純的DSP架構，在應用上都有其缺憾之處，因此兩家半導體業(yè)者都不約而同的朝向結合MCU與DSP的架構來(lái)進(jìn)行數字電源設計，DSP擁有強大的數字計算處理能力，MCU則是對周邊擁有強大的控制能力，對于設計可以面面俱到的數字控制電源而言，兩者不可偏廢。

圖說(shuō)：Microchip公司的DSC產(chǎn)品。

雖然如此，兩家業(yè)者還是認為各自專(zhuān)長(cháng)領(lǐng)域中可占有較佳的優(yōu)勢，德州儀器自然是以DSP做為主角，極力強調強大計算能力所能帶來(lái)的實(shí)時(shí)反應能力與控制精確度，而DSP的可程序化能力對系統的架構、可移植性以及可維護能力有著(zhù)絕佳的表現；Microchip公司則是強調一般客戶(hù)并不需要太過(guò)強大的DSP計算能力，復雜的可程序化設計只會(huì )拉長(cháng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)程，該公司所提供的DSC（Digital Signal Controller）架構，將MCU與DSP成功整合，不僅在指令流成功單純化，透過(guò)標準的C語(yǔ)言編譯器，更能夠有效縮短產(chǎn)品的設計時(shí)程。

電源供應器的模擬組件可以完全被取代？　倒也未必！

許多激進(jìn)的廠(chǎng)商宣稱(chēng)，利用數字組件與電路，可以完全取代掉交換式穩壓器中的模擬組件，藉此可以大幅簡(jiǎn)化交換式穩壓器的設計，并且有助于整個(gè)供電系統的穩定，但是電源本身就物理定律而言，是屬于模擬的范疇，就算是利用ADC（模擬／數字轉換器）或DSP來(lái)取代誤差放大器與脈沖寬度調變的數字交換式穩壓器，也依舊需要電壓基準、電流檢測電路／開(kāi)關(guān)以及FET驅動(dòng)器，這些組件只存在于模擬形式，而且被普遍應用于各種類(lèi)的交換式穩壓器中，無(wú)法被取代。即使是ADC組件本身也是如此，ADC基本上要比較偏向于模擬多一點(diǎn)。

模擬設計向來(lái)被比做為藝術(shù)，很多時(shí)候，模擬組件的調整與整體架構設計總要依靠設計者的經(jīng)驗與手腕才能調配出完美的比例，就好比是一名廚師，在做菜時(shí)對火侯的掌控必須依靠長(cháng)久的經(jīng)驗，才能烹調出一道色香味俱全的料理。雖然模擬電路架構單純，但往往在布局上都是牽一發(fā)而動(dòng)全身，既然電源供應器無(wú)法拋棄模擬組件的包袱，在模擬技術(shù)上就更需要進(jìn)一步的研究與發(fā)展，畢竟大多數的半導體公司都僅在數字領(lǐng)域稱(chēng)霸，對于模擬架構卻都往往流于一知半解。以臺灣為例，臺灣雖然是IC設計的大宗，但是對于模擬制程卻甚少有著(zhù)墨，雖然市場(chǎng)上數字IC可以找到非常豐富的解決方案，但是在模擬方案上，卻只能向國外廠(chǎng)商尋求。

追求純數字電源目前仍遙不可及　數字與模擬合理的搭配設計才是正途

數字電源在近幾年來(lái)引起了相當廣泛的討論，但是業(yè)界一般對于這個(gè)產(chǎn)業(yè)的看法并不一致。雖然行動(dòng)裝置對于電源管理所提出的嚴苛需求讓數字電源得以大展身手，但是傳統的模擬電源方案在經(jīng)過(guò)數十年的發(fā)展，在大多數的應用領(lǐng)域中依然獨占鰲頭，即便模擬方案在某些方面較為弱勢，比如控制回路組件數目、系統穩定性、靈活的可配置能力以及通訊能力等等，但是電源廠(chǎng)商也逐漸朝向不同的設計思維，并且開(kāi)始加入數字組件或設計方式，以期突破傳統的模擬電源設計藩籬。

傳統模擬電源簡(jiǎn)單易用，雖然可變更的參數不多，但是單純是其最大的優(yōu)點(diǎn)。而在較高階的應用中，系統管理者可以需要額外的控制功能來(lái)監控電源供應器的狀態(tài)，這些狀態(tài)可能包含了溫度、輸出入電流、輸出入電壓等等，并且依據系統管理者的設定，定期向中央控制系統回報。除此之外，一些如ID標記、故障狀態(tài)訊息、時(shí)間標記等等都可以?xún)Υ嬖谖⒖刂破魃系拈W存或其它非易失性?xún)Υ婕軜嬛?，并且在指定的時(shí)間回報這些訊息。這些設計需要具備大量的整合數字電路，通?？赡茌^常在高階服務(wù)器中見(jiàn)到這些數字電源供應器，在一般平價(jià)消費性產(chǎn)品中，就不需要用到這些額外的控制功能。