誘惑系統(tǒng)架構(gòu)師與電源供應(yīng)商的數(shù)字電源技術(shù)

　　數(shù)字電源指望通過改善維護(hù)成本和可靠性、降低電源元件成本、簡化BOM來降低系統(tǒng)電源總成本。設(shè)計(jì)者必須為傳統(tǒng)的笨拙電源子系統(tǒng)增加智能。數(shù)字電源控制與管理IC有助于這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。 

　　要 點(diǎn)
　　數(shù)字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數(shù)字控制和數(shù)字電源管理與通信任務(wù)。系統(tǒng)可以使用一種或兩種形式的數(shù)字電源。
　　預(yù)計(jì)年內(nèi)將有更多的數(shù)字控制、數(shù)字管理IC面世。
　　隨著處理能力越來越廉價(jià)，有望看到向數(shù)字電源的逐步轉(zhuǎn)移。

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　　過去幾年，數(shù)字電源一直是系統(tǒng)架構(gòu)師、電源設(shè)計(jì)者和混合信號 IC 供應(yīng)商的一個(gè)熱門話題。反對者認(rèn)為數(shù)字電源是一種無用的高價(jià)玩意兒，而且很復(fù)雜，不過是一種查找問題的解決方案。擁護(hù)者則力辯說數(shù)字電源是不可避免的，差不多數(shù)年內(nèi)就會占據(jù)電源子系統(tǒng)的領(lǐng)地。初看來，兩種論點(diǎn)完全相反
 
。對系統(tǒng)電源這類明確的技術(shù)來說，這種現(xiàn)象有點(diǎn)奇怪，但如果你發(fā)現(xiàn)雙方對數(shù)字電源定義存在的差異，并且雙方經(jīng)常是指不同的應(yīng)用，那么這種情況就可以理解了。這種混淆源于數(shù)字電源的兩個(gè)性質(zhì)不同的部件：PWM 反饋回路的數(shù)字控制；電源管理與通信。

　　數(shù)字化閉環(huán)是數(shù)字電源迄今最復(fù)雜的部分。腦中躍出的第一個(gè)問題是：為什么要用數(shù)字控制，使用模擬控制環(huán)路的 SMPS（開關(guān)模式電源系統(tǒng)）不是挺好嗎？模擬控制環(huán)路的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確、工程師對自己設(shè)計(jì)的理解，以及有極多模擬控制 IC 的支持。然而，模擬控制環(huán)路是面向一個(gè)定義范圍狹窄的特定負(fù)載。如果負(fù)載變化范圍寬，則很難在負(fù)載的整個(gè)變化范圍內(nèi)調(diào)整模擬環(huán)路。另外，如果你需要一個(gè)可以在很多產(chǎn)品中重用而不必更換部件的設(shè)計(jì)平臺，則模擬方案難以勝任。Primarion 的總裁兼首席執(zhí)行官 Ron van Dell 稱：“如果使用一個(gè)真正的數(shù)字控制器，則設(shè)計(jì)者可以將數(shù)值放在寄存器內(nèi)，對控制器的各個(gè)方面作配置，而無需改變外部的硬件?！痹O(shè)計(jì)者只需要工作在 PC 的 GUI 上，就可以更快地優(yōu)化和調(diào)試系統(tǒng)，而不必將各種電阻電容在板上焊上焊下。（有關(guān)數(shù)字 PWM 工作的更詳細(xì)說明，見參考文獻(xiàn) 1）。

　　數(shù)字控制環(huán)路需要一個(gè)速度相對較快而功能強(qiáng)大的處理器，這在錙銖必較的電源子系統(tǒng)中是一個(gè)缺陷。數(shù)字電源的擁護(hù)者稱設(shè)計(jì)者可以去掉某些元件，或使用較廉價(jià)的無源元件，從而補(bǔ)償處理器的成本。Linear 技術(shù)公司電源管理產(chǎn)品副總裁兼總經(jīng)理 Don Paulus 表示：“產(chǎn)生電源精度的本身是模擬功能。然而，當(dāng)你擁有了這種數(shù)字能力時(shí)，就不用制造有絕對精度的部件，而可以制造精度較差的部件，然后用數(shù)字控制來校準(zhǔn)這些誤差。這與信號調(diào)節(jié)發(fā)生的情況類似，即通常制造出不那么精確的系統(tǒng)，然后再校準(zhǔn)所有誤差?！?

　　但對電源來說，性能尺度不只意味著精度。Paulus 說：“我們希望數(shù)字技術(shù)能夠具備應(yīng)付瞬變能力。例如，如果電源知道要有一個(gè)大的負(fù)載步進(jìn)，則它可以即時(shí)調(diào)整環(huán)路動態(tài)，對該瞬變作出快速響應(yīng)，然后再返回穩(wěn)定狀態(tài)以及較低的帶寬精度。這種靈活性可以影響對負(fù)載電容器的要求?！彪m然傳統(tǒng)的“銀盒子”（封閉結(jié)構(gòu)）電源制造商對數(shù)字電源有興趣，但只有少數(shù)幾家熱衷于這種轉(zhuǎn)換。Paulus 說，只有少數(shù)幾家 Linear 客戶對數(shù)字電源有興趣。

　　但數(shù)字電源的作用并不只是數(shù)字式地閉鎖控制環(huán)路。它還包括管理與通信功能，這在數(shù)據(jù)通信和電信系統(tǒng)中正變得日益重要。這些系統(tǒng)依賴于能應(yīng)付多種電壓線路的電源處理器，這些電壓線路必須以設(shè)定的順序完成上電和斷電。除了上電順序要求以外，路由器和高端服務(wù)器等設(shè)備都很可能是使用數(shù)字電源的候選者，因?yàn)樗鼈冃枰c系統(tǒng)管理裝置通信，并且有很高的潛在維護(hù)費(fèi)用。高效的數(shù)控環(huán)路在電力經(jīng)濟(jì)性上有優(yōu)勢，但與電源整個(gè)生命周期的維護(hù)成本相比，電力成本只是一個(gè)小頭。Intersil 計(jì)算電源產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Bob Lucas 認(rèn)為：“服務(wù)器的關(guān)鍵是可靠性。”數(shù)字電源能夠?qū)㈦娫醋酉到y(tǒng)的健康狀況通知系統(tǒng)，如當(dāng)前的電流與溫度，這種能力使它能夠在高端計(jì)算系統(tǒng)中獲得一席之地。數(shù)字電源管理的優(yōu)點(diǎn)是可靠性和可維護(hù)性，如報(bào)告電源子系統(tǒng)的溫度變化、突發(fā)的電流流動，以及風(fēng)扇速度變化等。所有這些都可告知維護(hù)工人更多細(xì)節(jié)，更不只是簡單地閃動一盞警燈。

　　iSuppli 高級分析師 Chris Ambarian 對于超級服務(wù)器和交換農(nóng)場的擁有成本以及初始電源硬件成本作了一個(gè)比喻：對于每一美元的電源成本，維護(hù)與擁有成本為 6 美元。如果你只想獲得數(shù)字電源的通信與管理優(yōu)勢，那么就不需要數(shù)字控制。有些 IC 供應(yīng)商根據(jù)客戶的意愿，采取了一種小心翼翼的數(shù)字電源方案，即在不增加數(shù)字控制環(huán)路復(fù)雜性前提下，獲得電源管理的好處。Microchip 將這種方案看作一種漸進(jìn)的對策，它擁有一個(gè)四級數(shù)字電源集成的路線圖，使企業(yè)能夠按部就班地采用該項(xiàng)技術(shù)。

　　在最簡單的實(shí)現(xiàn)方案中，主系統(tǒng)可以開、關(guān)電源子系統(tǒng)。Microchip 的安全、微控制器以及技術(shù)研發(fā)部首席應(yīng)用工程師 Keith Curtis 表示，這種能力看似無足輕重，但是卻很重要?！八o了你一些有價(jià)值的控制選項(xiàng)?！边@些選項(xiàng)包括故障判別，以及重新起動、遙控起動、上電序列和軟件起動等。“這種水平的控制在模擬環(huán)路設(shè)計(jì)中是非常少見的。”

　　在下一個(gè)復(fù)雜等級中，系統(tǒng)電源控制器控制電源的輸出與響應(yīng)。Microchip 有時(shí)也把這種設(shè)計(jì)叫做數(shù)字輔助：微控制器更具侵入性，只限于訪問模擬控制環(huán)路的某些元件，如電壓基準(zhǔn)。這種實(shí)現(xiàn)級別可以達(dá)到真正的軟起動，因?yàn)榭梢钥刂戚敵鲭妷?，它只需要一種廉價(jià)的微控制器，如 Microchip 的 PIC10，它的價(jià)格不高于 50 美分（批量價(jià)格）。用微控制器可以增加很多特性，如 SOT-23 封裝的微控制器就能實(shí)現(xiàn)欠壓鎖定、延遲起動，以及防時(shí)鐘抖動等，而免除用單獨(dú)電路實(shí)現(xiàn)這些功能的成本。增加微控制器還可以通過某種協(xié)議（如 PMBus，它是受業(yè)界支持的標(biāo)準(zhǔn)，基于硬件標(biāo)準(zhǔn) I2C 總線而開發(fā)）支持?jǐn)?shù)字通信功能（參考文獻(xiàn) 2）。對于那些對純數(shù)字電源設(shè)計(jì)抱有疑問的人，這種實(shí)現(xiàn)級別很受歡迎。Maxim 數(shù)字電源產(chǎn)品業(yè)務(wù)經(jīng)理 Ahmad Ashrafzadeh 說：“大多數(shù)對數(shù)字電源感興趣的設(shè)計(jì)者并沒有把閉環(huán)當(dāng)作最重要的事情，它遠(yuǎn)沒有達(dá)到最高優(yōu)先級”。他說，實(shí)際上，設(shè)計(jì)者期待的是控制輸出電壓的能力；跟蹤、定序以及獲取元件的反饋；用這些診斷功能跟蹤整個(gè)系統(tǒng)的完好狀況。Maxim 計(jì)劃在下個(gè)月推出一款芯片，它可以實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，并能夠同模擬 PWM 控制器 IC 相互協(xié)作運(yùn)行。

　　Microchip 的再下一級實(shí)現(xiàn)仍然依賴于傳統(tǒng)的模擬反饋回路，但微控制器可以修改電源的拓?fù)?，例如充電電池?nbsp;LED 閃燈應(yīng)用。電池充電采用一種降壓結(jié)構(gòu)，而放電則使用升壓結(jié)構(gòu)。這種電路可以使用相同（但不同結(jié)構(gòu)配置）的電感器、電容器，充電時(shí)配置成降壓電源，升壓電源則通過電容放電入電源線。至今，只有 Microchip 提供一款面向這種集成級別的微控制器 PIC16F785。

　　Microchip 最高級的實(shí)現(xiàn)是真正的數(shù)字控制，它在一個(gè)數(shù)字控制器中集成了所有 PWM 控制環(huán)路。最近幾個(gè)月來，這一領(lǐng)域出現(xiàn)了很多動向。去年夏天，只有德州儀器(Texas Instruments)公司和 Silicon 實(shí)驗(yàn)室推出了這類產(chǎn)品，前者是基于 DSP 的 UCD9k 和 UCD7k 芯片組，后者則是 Si8250。那以后，Primarion 也推出了用于 POL（點(diǎn)負(fù)載）系統(tǒng)應(yīng)用的 PX7510，Zilker Labs 推出了 ZL2005，Linear 技術(shù)公司宣布它成為 Primarion POL 芯片的第二個(gè)供貨源，Intersil 則宣布了用于主板內(nèi)核電壓的 Primarion PX3535 第二個(gè)供貨源。另外，預(yù)期到今年第三季度，加入這些芯片競爭的還有 Analog Devices、Microchip 和德州儀器等公司。

　　除了來自德州儀器的 UCD9k 和 UCD7k 以外，所有這些芯片都從完全可編程、通用 DSP 型號轉(zhuǎn)向?yàn)楦呒啥鹊膶Ｓ脿顟B(tài)機(jī)/數(shù)字濾波器組合。即使這樣，針對這些芯片的軟件配置數(shù)量也變化多端，如 Zilker Lab 幾乎完全采用硬接線的 ZL2005，它可以通過捆綁芯片的管腳輸入來設(shè)置環(huán)路與性能特性，而 Silicon Labs 的方案則使用一個(gè) 8051 內(nèi)核，完成通信任務(wù)。所有制造商的芯片都帶有 GUI，能隱藏設(shè)計(jì)者的數(shù)字環(huán)路控制算法。這些芯片的價(jià)格從 1.50美元~5美元不等。

　　雖然 IC 供應(yīng)商們?nèi)の栋蝗唬珜Ｓ?nbsp;IC 未必會霸占數(shù)字控制市場。Lambda Power 曾有數(shù)字控制器的研發(fā)經(jīng)歷，可以將其作為一個(gè)真實(shí)的案例，看如何用新技術(shù)滿足客戶的需求。Densai-Lambda 公司（Lambda Power 公司在日本的子公司）首席技術(shù)官 Hiroyuki Yashiro稱，該公司在三個(gè)領(lǐng)域作研發(fā)，均涉及轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)應(yīng)用： DC/DC 轉(zhuǎn)換器、 UPS（不間斷電源），以及AC/DC 轉(zhuǎn)換器。每個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)小組獨(dú)立選擇自己的控制芯片：他們分別選擇通用的 TI DSP 芯片、定制的 ASIC、 Atmel FPGA。為什么 Lambda 要堅(jiān)持放棄自制原則？Lambda 高級開發(fā)部的一個(gè)設(shè)計(jì)工程師 Eiji Takegami 這么解釋：“如果新電源性能與模擬環(huán)路的電源相當(dāng)，沒有客戶會去買它，所以數(shù)字電源性能一定要更好?！盩akegami 引用一個(gè)事實(shí)，即數(shù)字控制環(huán)路可以對范圍更寬的容性負(fù)載作出響應(yīng)，并且仍然能保持在規(guī)定范圍內(nèi)，這比模擬環(huán)路要優(yōu)越。

　　除了有出色的性能以外，Yashiro 還指出具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平臺的優(yōu)勢，它既能節(jié)省成本也具備靈活性。設(shè)計(jì)者必須通過軟件作修改，而不是采用手工修改、重新設(shè)計(jì)或替換元器件。開發(fā)內(nèi)部控制電路的另外一個(gè)理由是產(chǎn)品差異化的重要性。雖然有些供應(yīng)商希望盡可能省事地完成數(shù)字控制環(huán)路設(shè)計(jì)，Lambda 卻認(rèn)為交鑰匙方案有不足之處：如果任何人都可以設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字控制環(huán)路，那么Lambda 還能為這個(gè)過程增什么值？



　　前途如何？

　　大多數(shù)電源子系統(tǒng)現(xiàn)在都提供簡單的開/關(guān)通信功能，因此還需要過一段時(shí)間，才會有相當(dāng)百分比的系統(tǒng)采用某些形式的數(shù)字電源。Intel 微處理器研究部門總監(jiān) Shekhar Borkar 認(rèn)為，高性能處理器現(xiàn)在管理電源的能力有限，而這對未來電子產(chǎn)品至關(guān)重要。他將芯片功耗分為兩個(gè)部分：供電和耗電。他說：“你可以在可承受的供電與功耗包絡(luò)范圍內(nèi)提高性能。如何在這個(gè)電源包絡(luò)中提高處理器性能？答案是：讓它具備更多的處理能力。”過去，限制這一領(lǐng)域設(shè)計(jì)者能力的是處理能力，而不是電能。Moore 定律已使晶體管過剩，而 Borkar 利用過剩晶體管將電源數(shù)字控制環(huán)路置于服務(wù)器處理器的控制之下，即有些公司的產(chǎn)品就包括了數(shù)字電源。Borkar 預(yù)言，主處理器控制數(shù)字電源的趨勢將逐漸滲入主流產(chǎn)品中，如筆記本電腦和臺式系統(tǒng)（參考文獻(xiàn) 3）。

　　除處理器電源以外，系統(tǒng)架構(gòu)師也必須能夠在系統(tǒng)水平上管理電源。各種節(jié)能規(guī)定都關(guān)注電源效率，如 EnergyStar 等，它們都很重要，但也只看到了問題的一面。例如，在一個(gè)手機(jī)發(fā)射/接收系統(tǒng)中，無線基站功耗占一個(gè)網(wǎng)絡(luò)功耗的 90%，包括手機(jī)及功率轉(zhuǎn)換（參考文獻(xiàn) 4）。使手機(jī) AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器更高效是轉(zhuǎn)向可管理電源的一步，能使該設(shè)備效率提高約 1%。但是，由于無線電基站本身相對效率較高，這個(gè)百分比的效率增長并不會顯著影響設(shè)備的總體效率。愛立信(Ericsson)微波系統(tǒng)的一名工程師 Pierre Gildert 就指出：“你離天線越近，損耗就會越高?！庇谑?，實(shí)現(xiàn)最大節(jié)能的辦法就是將遠(yuǎn)程無線電裝置放在天線塔尖上，使之能對功率變動作出動態(tài)響應(yīng)。例如，系統(tǒng)會得益于睡眠模式，它需要智能、開/關(guān)控制、快速喚醒響應(yīng)，以及適應(yīng)于低流量周期和高流量周期的智能。

　　iSuppli 的 Ambarian 預(yù)測，系統(tǒng)電源管理的下一步將要建立一個(gè) POS（電源操作系統(tǒng)），它依賴電源子系統(tǒng)驅(qū)動器進(jìn)行通信。這些驅(qū)動器可以是銀盒電源、穩(wěn)壓器芯片，或 POL 轉(zhuǎn)換器。POS 將使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)，根據(jù)各級控制機(jī)制管理某個(gè)電源系統(tǒng)的各個(gè)方面。這些時(shí)間段范圍從數(shù)納秒至數(shù)秒級，而 Ambarian 還預(yù)言，對它們的完全控制將為系統(tǒng)提供效率、靈活性和可靠性。