數(shù)字電源技術(shù)

 

數(shù)字電源具有高性能和高可靠性的特點(diǎn),其設(shè)計(jì)非常靈活。隨著IC廠商不斷推出新型號、性能更好的數(shù)字電源IC產(chǎn)品以及用戶對數(shù)字電源認(rèn)識的深入,數(shù)字電源的應(yīng)用將會得到普及。 
近年來,許多相關(guān)的因素導(dǎo)致對數(shù)字電源管理的需求急劇上升。許多板卡設(shè)計(jì)人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向開發(fā)中間總線電源結(jié)構(gòu),通過使用多個單板DC/DC轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生不同矽器件所需要的多樣化的電源要求。這導(dǎo)致一個很明顯的結(jié)果就是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)測試及日常使用的過程中,配置、控制及監(jiān)控這些電源將變得更加的復(fù)雜。光是控制上電/下電時(shí)序就需要專門的可編程集成電路及大量的額外部件,更別說用于靈活的系統(tǒng)級控制和診斷所需要的配置或?qū)崟r(shí)反饋設(shè)施。 

目前許多高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換器仍是通過簡單的無源元件產(chǎn)生的模擬信號來進(jìn)行設(shè)置和控制。即使具有最先進(jìn)電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高性能轉(zhuǎn)換器,也有可能需要使用外部調(diào)節(jié)電阻和電容來確定諸如動時(shí)間、輸出點(diǎn)值及開關(guān)頻率等參數(shù)。當(dāng)然,這些參數(shù)沒有一個是可以在匆忙中更改的,因此自適應(yīng)的電源管理方案就不可能實(shí)現(xiàn)。 

除了一些專門用于微處理器（其以VID代碼的形式為輸出電壓控制提供有限的數(shù)字編程性）的轉(zhuǎn)換器之外,市場上大多數(shù)磚形轉(zhuǎn)換器、中間總線轉(zhuǎn)換器及負(fù)載點(diǎn)（Point of load, POL）轉(zhuǎn)換器仍然是采用模擬控制的。對數(shù)字控制需求最為迫切的是非隔離負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器,因?yàn)檫@些轉(zhuǎn)換器廣泛用于板卡上并為器件提供最終電壓。然而,這個需求也適合于隔離轉(zhuǎn)換器,因此,毫無疑問,設(shè)計(jì)者們希望能夠很快得到其他的數(shù)字可編程電源。 

　　一、數(shù)字電源的定義 

數(shù)字電源或數(shù)字控制電源有幾種不同的含義。 

最簡單的定義是通過數(shù)字接口控制開關(guān)穩(wěn)壓器,這可能包括通過I2C或類似的數(shù)字總線控制輸出電壓、開關(guān)頻率或多通道電源的排序,?動、裕度控制、加電和斷電排序等等都可以通過一個或多個數(shù)字信號控制。實(shí)際上,目前市場上的很多電源管理集成電路都以這種方式工作∶通過數(shù)字接口控制模擬開關(guān)穩(wěn)壓器。 

第二個是給前面定義加上所謂的數(shù)字遙測。在這種情況下,提供額外的控制功能以監(jiān)視開關(guān)電源的狀態(tài),如溫度、輸出電流、輸入電流、輸入電壓、輸出電壓等,并根據(jù)需求或周期性地向主機(jī)報(bào)告。ID標(biāo)記、故障狀態(tài)信息甚至?xí)r間標(biāo)記事件等其他信息也可以存儲在片上非易失性存儲器中,并在將來某個時(shí)間報(bào)告這些信息,具有大量數(shù)字集成電路的高端系統(tǒng)是這類數(shù)字電源的目標(biāo)市場,而較低成本的消費(fèi)類產(chǎn)品可能不需要這樣的信息。 

第三個也是最野心勃勃的數(shù)字電源含義是,用數(shù)字電路徹底取代開關(guān)穩(wěn)壓器中的所有模擬電路。據(jù)說這樣將使開關(guān)穩(wěn)壓器更容易設(shè)計(jì)、配置、穩(wěn)定、調(diào)節(jié)和銷售。更進(jìn)一步的理由是,通過編寫幾行簡單的代碼,一個核心數(shù)字電源集成電路就可以配置成升壓穩(wěn)壓器、降壓穩(wěn)壓器、負(fù)輸出、SEPIC、反激式或正激式轉(zhuǎn)換器。正是數(shù)字電源的這個含義最難以理解,因?yàn)閺母旧蟻碚f,電源是模擬的。甚至用ADC和DSP取代誤差放大器和脈沖寬度調(diào)制器的數(shù)字開關(guān)穩(wěn)壓器也仍然需要電壓基準(zhǔn)、電流檢測電路和開關(guān)或FET驅(qū)動器。此外,電感器或變壓器和電容器在實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源時(shí)也是不能沒有的。 

　　二、數(shù)字電源與模擬電源的區(qū)別 

數(shù)字電源與模擬電源的區(qū)別主要集中在控制與通信部分。在簡單易用、參數(shù)變更要求不多的應(yīng)用場合,模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢,因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對性可以通過硬件固化來實(shí)現(xiàn),而在可控因素較多、實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快、需要多個模擬系統(tǒng)電源管理的、復(fù)雜的高性能系統(tǒng)應(yīng)用中,數(shù)字電源則具有優(yōu)勢。 

此外,在復(fù)雜的多系統(tǒng)業(yè)務(wù)中,相對模擬電源,數(shù)字電源是通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)多方面的應(yīng)用,其具備的可擴(kuò)展性與重復(fù)使用性使用戶可以方便更改工作參數(shù),優(yōu)化電源系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)過電流保護(hù)與管理,它還可以減少外圍器件的數(shù)量。 

數(shù)字電源有用DSP控制的,還有用MCU控制的。相對來講,DSP控制的電源采用數(shù)字濾波方式,較MCU控制的電源更能滿足復(fù)雜的電源需求、實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快、電源穩(wěn)壓性能更好。 

數(shù)字電源有什麼好處它首先是可編程的,比如通訊、檢測、遙測等所有功能都可用軟件編程實(shí)現(xiàn)。另外,數(shù)字電源具有高性能和高可靠性,非常靈活。 

　　三、數(shù)字電源的發(fā)展 

數(shù)字電源是一種新技術(shù),現(xiàn)階段其發(fā)展受到人們對它的一些誤解而比較難推廣∶ 

1、數(shù)字電源成本高得嚇人 

過去,一說到“數(shù)字”,人們就認(rèn)為成本高于傳統(tǒng)的模擬解決方案──較之?dāng)?shù)字解決方案具有的其他優(yōu)點(diǎn),譬如尺寸縮小、具有靈活性與適應(yīng)性、可測試性增強(qiáng)、診斷功能及擴(kuò)展功能,成本高是一大負(fù)面因素。不過與使用所占空間較大的專有技術(shù)制造的模擬反饋回路相比,利用市場上現(xiàn)有的CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字反饋回路所需成本較少。另外,采用真正數(shù)字電源的解決方案整體成本比其他現(xiàn)有方案低得多。 

2、數(shù)字電源復(fù)雜得多 

人們有一種觀點(diǎn),認(rèn)為電源設(shè)計(jì)人員天生就是模擬技術(shù)設(shè)計(jì)人員,因而不想處理編程帶來的復(fù)雜性。數(shù)字電源管理的支持者提出,我們不但對力求創(chuàng)新的設(shè)計(jì)人員 (他們并沒有受到興起的數(shù)字電源的威脅)沒有給予足夠重視,而且實(shí)際上,編程并不是意味著編寫代碼,其實(shí)只是處理向?qū)С绦蝌?qū)動的圖形用戶界面(GUI),以獲得各種系統(tǒng)級優(yōu)點(diǎn),其中包括∶?? 

（1）通過實(shí)時(shí)遙測技術(shù)簡化了系統(tǒng)級溫度管理; 

（2）通過實(shí)時(shí)遙測技術(shù)提高了在故障出現(xiàn)前事先預(yù)測的可靠性; 

（3）通過在最終模塊或者主板測試階段完全自動化的檢查和可變電阻器微調(diào)等功能提高可制造性。 

實(shí)際上,數(shù)字電源遲遲得不到接受是因?yàn)轭櫩驼J(rèn)為數(shù)字技術(shù)未得到證明、技術(shù)復(fù)雜及成本高昂。這不足為奇,因?yàn)闃I(yè)界在70年代末遇到了相似的情況∶當(dāng)時(shí)電源從線性改為開關(guān)式,而最初開關(guān)式也被認(rèn)為價(jià)格昂貴、不可靠(輸出噪音大)。不過,一旦顧客認(rèn)識到開關(guān)式電源所具有的優(yōu)點(diǎn)(性能更高、尺寸更小),并且學(xué)會了如何實(shí)施新的開關(guān)式電源技術(shù),線性電源很快就被淘汰了。幾年後,隨著顧客熟悉其具有的優(yōu)點(diǎn)、市場上出現(xiàn)更多的提供商和解決方案、看到無需額外成本就能帶來的比模擬解決方案更好的效果,數(shù)字技術(shù)會出現(xiàn)類似的轉(zhuǎn)型。 

從目前情況看iWatt、TI德州儀器、凌特公司(Linear Technology)等大公司紛紛推出自己的數(shù)字電源IC,這表面業(yè)界對數(shù)字電源的前景是看好的。據(jù)iSuppli和雷曼兄弟公司的報(bào)告表明,整個數(shù)字電源市場將在2006年實(shí)現(xiàn)創(chuàng)收1.68億美元左右,并且很快會成為電源市場非常重要的一部分;業(yè)界估計(jì)年復(fù)合增長率(CAGR)在今後幾年將超過 100%。 

　　四、數(shù)字電源IC 

目前,比較領(lǐng)先的數(shù)字電源IC開發(fā)商有德州儀器、凌特公司(Linear Technology)、Integrated Power等大公司。下面以德州儀器的UCD7K、UCD8K和UCD9K系列數(shù)字電源IC為例,介紹數(shù)字電源IC的主要特點(diǎn)。 

　　1、UCD7K數(shù)字電源驅(qū)動器 

德州儀器的UCD7000系列IC主要應(yīng)用于數(shù)字電源或者需要快速局部電流限制保護(hù)的場合,兼容標(biāo)準(zhǔn)3.3V DSP微控制器I/O端口。UCD7201是該系列其中之一,其功能框圖如圖1。 



圖1、德州儀器數(shù)字電源IC UCD7201結(jié)構(gòu)框圖 

UCD7201 可與UCD9110、UCD9501等數(shù)字電源控制器進(jìn)行雙端拓?fù)溥B接?？删幊涕T限,具備可由主控制器監(jiān)視的數(shù)字輸出電流限制標(biāo)志。高阻抗數(shù)字輸入端,可以輸入頻率高達(dá)2MHz的3.3V邏輯電平信號,引腳內(nèi)部有施密特比較器防止外部噪聲干擾。有電流限制標(biāo)志引腳。電流限制門限設(shè)置端口,可將門限設(shè)置的 0.25V到1.0V之間的任意值當(dāng)其開路時(shí)門限缺省值為0.5V。以上端口的引腳配置位置根據(jù)元件封裝不同而有所變化。該IC內(nèi)部還可以向控制器提供電源。UCD7201典型應(yīng)用電路如圖2。 



圖2、UCD7201典型應(yīng)用（推挽轉(zhuǎn)換器） 

　　2、UCD8K系列數(shù)字電源控制器 

UCD8620是一種數(shù)字控制推挽式模擬PWM控制器,為UCD8K系列產(chǎn)品之一,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3。UCD8620的主要特點(diǎn)包括∶采用電壓模式或峰值電流模式控制,可以提供靈活的控制方法;采用帶標(biāo)記的可編程過流限制,可以提供故障保護(hù)以及靈活的過載保 

護(hù);可接受來自數(shù)字控制器的時(shí)鐘輸入,其數(shù)字控制式開關(guān)頻率具有最大占空比;帶有110V高壓?動電路,可以直接采用48V的簡化?動;以及通過片上3.3V、10mA線性穩(wěn)壓器為數(shù)字控制器供電等。圖4和圖5是分別是它在電信半橋式輸入轉(zhuǎn)換器和電信推挽式輸入轉(zhuǎn)換器方面的典型應(yīng)用。 


圖3、UCD8620內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 



圖4、UCD8620典型應(yīng)用∶電信半橋式輸入轉(zhuǎn)換器 



圖5、UCD8620典型應(yīng)用∶電信推挽式輸入轉(zhuǎn)換器 

　　3、UCD9K高分辨率數(shù)字控制器 

UCD9501是UCD9K系列高分辨率數(shù)字控制器的第一個產(chǎn)品,它包含一個100MHz、32位哈佛結(jié)構(gòu)DSP核,一個時(shí)鐘和定時(shí)控制模塊,一個12 位、6.25MS/s采樣速率的ADC;外部數(shù)字I/O,包括PWM輸出和存儲器。UCD9501內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖6。圖7是基于UCD9501或F2801 DSP的數(shù)字電源參考設(shè)計(jì)。 



圖6、UCD9501內(nèi)部結(jié)構(gòu) 



圖7、AC/DC整流器參考設(shè)計(jì) 

　　五、結(jié)語 

隨著IC廠商不斷推出新型號、性能更好的數(shù)字電源IC產(chǎn)品以及用戶對數(shù)字電源認(rèn)識的深入,數(shù)字電源將會得到普及,設(shè)計(jì)方法靈活可靠度高的數(shù)字電源產(chǎn)品將會給人們的生活帶來方便。