模擬電源管理與數字電源管理

　　一種新技術(shù)的引入通常需要一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，用戶(hù)不斷地檢驗新技術(shù)中實(shí)際可行的因素和不切實(shí)際內容。本文旨在澄清模擬與數字電源管理之間的不同。從多方面考察兩種技術(shù)差異及其對系統性能的影響。表1、表2分別列出了各自的優(yōu)、缺點(diǎn)：

　　從用戶(hù)的角度看，很難確定哪一種方式更好。不斷提高的系統復雜度為考慮使用數字電源管理方案的用戶(hù)鋪平了道路，雖然有些設想在不久以前還看起來(lái)難以逾越。但是，數字電源產(chǎn)品的應用案例及其相關(guān)的一些傳說(shuō)表明，人們在某種程度上為數字系統所能處理的問(wèn)題蒙上了一層不切實(shí)際的光環(huán)。隨著(zhù)這項技術(shù)步入其自然的發(fā)展軌道，應該平息其所伴隨的神秘色彩以及不切實(shí)際的宣傳。用戶(hù)隨后所面臨的問(wèn)題是：那一種方案最好?

　　總的來(lái)說(shuō)，電源管理沒(méi)有純粹的數字或模擬方案。以模擬控制架構為例，其內部脈寬調制電路即包含了數字電路，例如：時(shí)鐘、門(mén)電路等(如BobMammano設計的SG1524)。三十年后，數字脈寬調制(PWM)成電路同樣也包含了明顯的模擬電路，如：ADC、基準源、放大器等。因此，正確的方案選擇取決于電路功能的合理劃分，而正確的劃分又與當前可以利用的技術(shù)和系統需求有關(guān)。因此，當前的劃分標準可能不同于將來(lái)的標準。

　　目前，為了滿(mǎn)足系統誤差的要求，一個(gè)理想的系統應能提供較高精度，要求電源具有更小的體積，而且滿(mǎn)足高速通信、高速處理系統中微處理器或ASIC對電源容限的苛刻要求?；鶞示纫话銥?%，而最新的處理器、ASIC電源要求誤差不超過(guò)幾毫伏。工作在低壓狀態(tài)時(shí)，要求優(yōu)于1%的精度，而且在高溫情況下也必須滿(mǎn)足這一精度要求，目前大多數系統的工作溫度范圍為0℃～85℃。

　　由于多處理器核或小尺寸處理器對應的I/O口對于不正確的壓差所引起的“閉鎖”現象非常敏感，電源的跟蹤與上電順序也非常關(guān)鍵。復雜的電路板需要多電源供電，因此對上電順序和跟蹤的要求也更加嚴格。這些功能利用模擬技術(shù)很難實(shí)現，而數字技術(shù)則可解決這一復雜問(wèn)題，提供精確、簡(jiǎn)單的方案。

　　表1

　　表2

　　高端系統要求近乎為零的故障時(shí)間，因此，對于冗余系統的監控也十分重要，以確保系統可靠工作。這就需要了解產(chǎn)生電源故障的原因和過(guò)程，在出現問(wèn)題時(shí)采取迅速的解決措施。用模擬技術(shù)構建監控電路需要很多分離元件或專(zhuān)用電路。有些系統由于受體積、價(jià)格及復雜度的限制，不得不簡(jiǎn)化了監控環(huán)節，導致較低的系統可靠性。對于數字系統來(lái)說(shuō)，提供這種系統檢控幾乎不需要增加系統成本。在數字系統中，用于數字引擎操作的信息采用數字格式，可以很容易地增加通信容量。

　　為了快速占領(lǐng)市場(chǎng)、支持產(chǎn)品的需求，設計人員常常在很倉促情況下開(kāi)發(fā)ASIC，甚至沒(méi)有經(jīng)過(guò)完整的評估就投入使用。從而使產(chǎn)品在投放市場(chǎng)的過(guò)程中處于兩難境地，一方面可能需要昂貴的招回成本，修改工作電壓、監控電路及上電順序控制;另一方面可能忽視系統的可靠性，為系統的后續使用埋下隱患。這兩種情況都違背了零失效時(shí)間的系統要求，這時(shí)，比較明智的選擇可能是數字方案，對系統進(jìn)行現場(chǎng)編程，對用戶(hù)來(lái)說(shuō)實(shí)現方便、透明的系統升級。

　　圖1：基本數字處理功能，基于MAX8688數字控制/監測IC

　　圖2：可控制、監測4路電源的系統

　　方案的折中考慮

　　從目前的系統及不斷涌現的需求看，利用模擬方法解決所有問(wèn)題顯然不能滿(mǎn)足發(fā)展的需求。目前，很多用戶(hù)在考慮數字方案時(shí)，比較關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題是“閉環(huán)問(wèn)題”。對于大多數工程師來(lái)說(shuō)，數字電源意味著(zhù)一個(gè)能夠進(jìn)行數據通信、讀寫(xiě)信息、更改設置、無(wú)需改變硬件進(jìn)行升級的系統，在數字域完成這些操作無(wú)需閉環(huán)反饋。

　　對于選擇數字電源還是模擬電源這個(gè)問(wèn)題，其原則應該是“合適就好”。如上所述，數字或模擬方案都不能保證所用功能的最優(yōu)化。每種方案都有其固有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，正確的系統分析有助于為具體的應用提供最合理的解決方案。

　　表3：模擬與數字電路分析

　　上表中的脈寬調制電路(PWM)可能最好保留模擬架構，它主要由基準、誤差放大器、比較器和電壓斜波電路組成，有些方案還包括滯回電路。任何情況下，保留這些基本的模擬電路單元都是比較理想的選擇，它占用更小的硅片面積，也更便宜。PWM控制IC包括許多其它單元(電壓調節、MOSFET驅動(dòng)、遠端檢測放大器、欠壓鎖存電路及過(guò)壓、過(guò)流保護電路)，但大部分電路不受PWM電路形式(模擬或數字)的影響。

　　對保護電路的需求沒(méi)有改變，但要求電路在發(fā)生故障時(shí)做出快速響應，一般要求在幾個(gè)ns以?xún)?。采用最快的并行比較型ADC結構，可以提高數據量化的速度，但更多的響應時(shí)間由判決引擎(處理器或狀態(tài)機)決定?？紤]到驅動(dòng)鏈路固有的傳輸延時(shí)，所產(chǎn)生的總延時(shí)是難以接受的。因此，過(guò)流、過(guò)壓保護功能需要放在模擬電路側。

　　對于電流的測量，通常需要一個(gè)低失調、高線(xiàn)性度、高共模抑制比的差分放大器。這些要求不受量化數據的影響，只能通過(guò)高性能模擬電路才能滿(mǎn)足這一嚴格的要求。實(shí)際設計中，無(wú)論是否量化數據，電流和溫度的監測需采用模擬方案。

　　不管采用數字方案還是模擬方案，基準源都是必需的。在數字系統中，它為ADC提供參考電壓，從某種程度上講這也更傾向于模擬設計。ADC為數字輸出，但決定其精度與線(xiàn)性指標的是模擬電路。為此，我們把基準和ADC都放在了表3的左側。

　　顯然，通信電路屬于數字部分，非易失存儲器用于存儲電源設置。不管是處理器還是狀態(tài)機，都是數字方案的控制核心。DAC包含大部分模擬電路，但是，考慮到數字電路在DAC中的重要地位，我們將其置于表格右側。

　　另外一項有價(jià)值的數字技術(shù)是低速控制回路，可以進(jìn)一步提高系統模擬輸出的精度。該任務(wù)不可能由模擬電路實(shí)現，而是依靠高性能ADC精確、復雜的校準過(guò)程來(lái)實(shí)現，由此我們可以看到一個(gè)真正的混合信號處理架構，是精密的模擬電路與靈活的數字電路的有機結合。這種機制中所需要的ADC與數字PWM中的ADC不同。PWMADC要求擁有高分辨率和速率，而ADC不可能在同時(shí)擁有高速、高精度的同時(shí)保持低成本?？偟膩?lái)說(shuō)，PWMADC必須采用閃電式ADC提供必要的速率，而這種ADC拓撲在分辨率超過(guò)8位時(shí)就不太實(shí)用了，8位ADC與12位ADC相比精度降低了大約16倍，因此，比較可行的方案是選擇12位SARADC，能夠以較低的成本提供高精度和合理的轉換速率。

　　經(jīng)過(guò)數字轉換后，用戶(hù)可以方便地設定多個(gè)門(mén)限檢測過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、高溫等故障。為了在檢測到上述故障時(shí)做出快速的響應，有必要選擇模擬電路，但非常精確的門(mén)限檢測則需通過(guò)數字化實(shí)現。數字電路可以為上述檢測設定多種門(mén)限，并可以用不同方法實(shí)現。例如，告警和故障門(mén)限可以簡(jiǎn)單地用標志位實(shí)現，也可以控制關(guān)閉輸出。

　　為大部分現有的模擬PWM架構增加數字功能的一種方法是結合專(zhuān)用IC，例如Maxim的MAX8688。該IC配合模擬PWM電路，可以實(shí)現一系列數字功能。這種方法有兩個(gè)優(yōu)勢：一是所選擇的電源管理器件仍然可以作為主電源輸出;二是所有用于監控、跟蹤、裕量設置、基準設置的分立電路可以針對一個(gè)電源進(jìn)行設置，結合一些附加的邏輯電路，我們的器件提供4