關(guān)于數(shù)字電源的應(yīng)用價值與優(yōu)勢的探討

1.數(shù)字電源的同步和時序控制

通常電源系統(tǒng)的時序和同步控制都需要使用特殊的控制器件來實(shí)現(xiàn)，而需要額外增加器件來實(shí)現(xiàn)時序控制，即增加了成本還需要在電路板上占有一定的空間，并且是完全由硬件電路實(shí)現(xiàn)，沒有適應(yīng)性和擴(kuò)展性，每做一個新的產(chǎn)品都需要重新進(jìn)行時序設(shè)計和相應(yīng)的硬件設(shè)計。特別是針對復(fù)雜的系統(tǒng)來說，每個系統(tǒng)中可能有多達(dá)10幾路的電源軌需要進(jìn)行精確的時序設(shè)計，一不小心如果有一路時序設(shè)計錯誤，整個系統(tǒng)設(shè)計就功虧一簣。而數(shù)字電源的應(yīng)用，讓時序和同步控制變得異常簡單，Zilker系列數(shù)字電源管理芯片使用單線制的DDC總線和SYNC管腳就可輕松實(shí)現(xiàn)各路電源軌之間的同步和時序管理，不再需要使用專門的頻率同步信號發(fā)生器件和時序控制器件，只需通過單線將各芯片的DDC管腳和SYNC管腳分別連接在一起，相應(yīng)器件的時序和工作的相位就可以進(jìn)行精確的設(shè)定。時序設(shè)定是通過配置Pre Sequence和Sequence寄存器實(shí)現(xiàn)，同步和相位是通過配置SYNC Output Mode，SYNC Input Mode, SYNC Pin Configure來實(shí)現(xiàn)。

而芯片運(yùn)行的過程中是完全不需要外部控制的，只需事先將配置文件寫入芯片中，芯片就可以完全在獨(dú)立運(yùn)行的過程中實(shí)現(xiàn)精確的排序和同步錯相功能了。

下圖是通過配置的基于ZL系列數(shù)字電源芯片電源軌的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形圖以及輸出電壓軌的時序控制結(jié)果：

圖1：電源軌相位交錯效果

圖2：系統(tǒng)的上電時序控制效果

圖3：系統(tǒng)的下電時序控制效果

從上面的圖像可以看出，通過配置后電源系統(tǒng)輕松實(shí)現(xiàn)了排序、同步和錯相等功能，工作狀態(tài)穩(wěn)定。同時在使用了數(shù)字電源解決方案后，出現(xiàn)錯誤時也可以通過軟件進(jìn)行及時簡單的進(jìn)行修正，不需要重新花費(fèi)人力物力來對復(fù)雜的硬件進(jìn)行重新設(shè)計，設(shè)計人員也可以節(jié)省更多的時間去完成對系統(tǒng)處理功能的優(yōu)化，潛在的經(jīng)濟(jì)效益也很大。

2.數(shù)字電源對系統(tǒng)動態(tài)功耗管理的幫助

針對工業(yè)界越來越嚴(yán)格的能耗管理需求，為使電源系統(tǒng)能夠得到最優(yōu)化的效能。除了提高電源系統(tǒng)的工作效率，另一個途徑就是針對系統(tǒng)處理器芯片工作在不同業(yè)務(wù)密度時，動態(tài)的調(diào)節(jié)處理器芯片的供電電壓來優(yōu)化處理器的能耗，通常情況下即要實(shí)現(xiàn)下面的功能：當(dāng)系統(tǒng)處在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的時候，需要系統(tǒng)有很強(qiáng)的處理能力，讓系統(tǒng)達(dá)到最高的處理速度和能力，需要相應(yīng)的提高系統(tǒng)處理器芯片的供電電壓；而當(dāng)系處于低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的時候，又需要盡可能的把閑散的功能模塊屏蔽，不讓或者少讓其損耗能量，從而相應(yīng)的降低系統(tǒng)處理器芯片的供電電壓。

使用模擬電源方案，電源系統(tǒng)的輸出電壓是由硬件固定設(shè)置的，不能夠或者很難進(jìn)行實(shí)時的動態(tài)調(diào)整。而使用了數(shù)字電源方案，我們不僅可以通過接口（Zilker系列數(shù)字電源使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C/SMBUS接口）和相應(yīng)的協(xié)議（Zilker系列數(shù)字電源使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的PMBus協(xié)議）實(shí)時的控制電源的輸出，而且還可以實(shí)時監(jiān)測電源軌的工作電壓、電流、溫度等信息（如圖4是通過Intersil公司的GUI顯示了多路數(shù)字電源軌的工作狀態(tài)）， 這樣可以比較容易的實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的動態(tài)管理和性能優(yōu)化了。

圖4：系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控

通常的系統(tǒng)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)流程圖如下圖5所示，在調(diào)節(jié)的過程中需要CPU發(fā)送調(diào)節(jié)指令，對于模擬電源來說，指令是不能夠被直接接收和執(zhí)行的，那么整個調(diào)節(jié)過程就不能夠有效的執(zhí)行。只有使用了數(shù)字電源的系統(tǒng)才能有效的進(jìn)行相應(yīng)指令接收和操作，系統(tǒng)動態(tài)功耗的管理和優(yōu)化就變的有操作性了。

圖5：根據(jù)負(fù)載運(yùn)行狀況實(shí)時對電源軌電壓進(jìn)行調(diào)整

3.數(shù)字電源應(yīng)用對系統(tǒng)長期可靠性的幫助

幾乎所有的ZL系列數(shù)字電源都帶有自動補(bǔ)償功能（Auto Compensation），數(shù)字電源的自動補(bǔ)償功能用來幫助設(shè)計工程師對電源設(shè)計中復(fù)雜的反饋環(huán)路進(jìn)行設(shè)計的輔助工具。

但是使用自動補(bǔ)償還可以實(shí)現(xiàn)其他一些有用的功能，例如幫助提高系統(tǒng)的長期可靠性。

ZL系列數(shù)字電源中數(shù)字補(bǔ)償回路的參數(shù)包括以下三個參數(shù)：Gc,Fn和Q，其中Gc為增益，這個值用來補(bǔ)償功率通路直流增益的不足，增加低頻增益，以達(dá)到更加緊密的輸出電壓調(diào)節(jié)精度。Fn為自然頻率，用來補(bǔ)償系統(tǒng)中輸出濾波器件在諧振頻率處產(chǎn)生的雙極點(diǎn)，以保證電壓的設(shè)計更加穩(wěn)定可靠。而Q值則是一個逼近電源本身輸出濾波器件品質(zhì)因素的參數(shù)，當(dāng)電源本身的品質(zhì)因素發(fā)生變化的時候，補(bǔ)償?shù)腝值就會隨之變化，以補(bǔ)償這部分的變化。而對于自動補(bǔ)償器件來說，這三個參數(shù)是可以根據(jù)電源的設(shè)計自動產(chǎn)生的，只要將自動補(bǔ)償功能啟動，就可以產(chǎn)生一套參數(shù)。

那么通過觀察系統(tǒng)補(bǔ)償值的變化，我們是否就可以了解系統(tǒng)中的各個分立器件參數(shù)的變化情況呢？帶著這個問題，進(jìn)行了研究。下面以ZL8101為基礎(chǔ)設(shè)計的1V30A的數(shù)字電源的軌作為例子，對電源進(jìn)行自動補(bǔ)償測試，比較在不同情況下得到的自動補(bǔ)償結(jié)果，得到如下表的參數(shù)：

表1:不同系統(tǒng)狀況下的自動補(bǔ)償參數(shù)

對比上面三組參數(shù)，很明顯，在輸出電容不同的情況下，補(bǔ)償參數(shù)中的Q值有明顯的變化。這個說明了什么呢？

對于Q值，前面說過，其和整個電源軌的品質(zhì)因素有直接關(guān)系，它是補(bǔ)償電源軌功率通路品質(zhì)因素的，當(dāng)功率通路品質(zhì)因素發(fā)生變化的時候，Q值當(dāng)然也應(yīng)該發(fā)生變化，只有這樣我們才能得到一個穩(wěn)定的補(bǔ)償回路，系統(tǒng)才能夠可靠的工作，這結(jié)果即得到了不同情況下單自動補(bǔ)償參數(shù)值，也從側(cè)面反映了自動補(bǔ)償功能的可靠性。

而對于數(shù)字電源來說，一個電源軌中除了功率通路之外，就是數(shù)字控制器本身，外圍其他電路已經(jīng)被減少到了基本沒有的地步，所以功率回路和數(shù)字控制器就是最主要的器件了，我們只要保證了這兩種器件的可靠性就可以保證整個電源軌的可靠性，從而保證整個系統(tǒng)的可靠性。而對于半導(dǎo)體器件，本身的可靠性非常高，失效率也極低，一旦設(shè)計完成，他的失效率就基本可以忽略不計；對于磁性元器件，由于其是物理結(jié)構(gòu)，在整個生命周期中都比較穩(wěn)定，在不受外界應(yīng)力干擾的情況下，失效率同樣極低；只有一個器件是容易產(chǎn)生失效的，這個器件就是輸出級的大容量儲能電解電容，電解電容的失效率會隨著工作時間增加而增加。在使用模擬電源產(chǎn)品的時候，系統(tǒng)的可靠性是由第一次設(shè)計來保證，但是在設(shè)計的時候是不會考慮到電容失效這種情況的，設(shè)計出來的電源產(chǎn)品只能在保證電路主要器件完好情況下的可靠性，就是說如果輸出電容發(fā)生失效，或性狀發(fā)生變化的時候是不能保證電源正常工作可靠性的，而電容是否發(fā)生故障或者會什么時候發(fā)生故障，這個是沒有辦法知道的，所以模擬電源的長期可靠性也無從監(jiān)控或者追蹤。但是通過這個實(shí)驗(yàn)，使用數(shù)字電源的自動補(bǔ)償功能，首先我們能夠在輸出電容發(fā)生變化的時候，仍然保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其次，當(dāng)輸出電容發(fā)生變化后，我們可以通過自動補(bǔ)償功能檢測到這個變化，從而預(yù)先防止電源的進(jìn)一步惡化，在整個系統(tǒng)出現(xiàn)較大問題之前我們就可以知道并且更換掉即將失效的器件，從而可以有效的阻止整個系統(tǒng)的崩潰。

使用數(shù)字電源的系統(tǒng)，我們能夠通過檢測系統(tǒng)在長期使用過程中的自動補(bǔ)償參數(shù)值的變化，進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)的對比，從中了解到系統(tǒng)中的某些元器件的老化程度，從而決定是否需要及時的進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和元器件更換。這即增強(qiáng)了系統(tǒng)的長期可靠性也為系統(tǒng)長期可靠性的評估提供了一個可行的辦法，并且所有的這些工作都只需要通過遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)中的數(shù)字電源就可以實(shí)現(xiàn)，從而可以有效的降低系統(tǒng)后期的維護(hù)費(fèi)用和成本，有非常重要的實(shí)際意義。

綜合上述得到的使用數(shù)字電源的優(yōu)點(diǎn)，以及傳統(tǒng)來說使用數(shù)字電源得到的外圍分立元器件的減少和系統(tǒng)的更加智能化，數(shù)字電源應(yīng)用的優(yōu)勢就顯得異常突出了。業(yè)界還有什么理由來拒絕使用數(shù)字電源產(chǎn)品呢？