- 模擬電源的優(yōu)勢與不足
- 數(shù)字電源的優(yōu)勢與不足
- 電源管理總線方案
- 單芯片控制器方案。
- 通過高性能數(shù)字芯片（如DSP或MCU）對電源實現(xiàn)直接控制的方案
隨著半導體工藝技術(shù)的不斷升級，電路板上的元器件運行速度更快、體積更小，而且還要求更多、更低的供電電壓和更大的供電電流；最終系統(tǒng)的功能不斷增加，平均售價卻不斷下降。此外，用戶對電源的故障修復時間、電源運行狀態(tài)的感知與控制的要求越來越高，電源設(shè)計人員不再滿足于實時監(jiān)控電流、電壓、溫度，還提出了診斷電源供應(yīng)情況、靈活設(shè)定每個輸出電壓參數(shù)的要求。這些需求已是今日的模擬解決方案難以滿足的。因此，作為電源管理發(fā)展的新思路的數(shù)字電源應(yīng)運而生，其目標就是將電源轉(zhuǎn)換與電源管理架構(gòu)用數(shù)字方法集成到單芯片中，實現(xiàn)智能、高效的轉(zhuǎn)換與控制及通信。
數(shù)字電源是采用數(shù)字方式實現(xiàn)電源的控制、保護回路與通信接口的新型電源技術(shù)。可編程、響應(yīng)性和數(shù)字環(huán)路控制是表征數(shù)字電源的3個主要特征。
隨著電源系統(tǒng)的性能和功率的不斷提高，實現(xiàn)電源性能指標所必需的元件數(shù)量和成本也隨之增加，越來越多的控制需要通過具有成本效益的數(shù)字電路實現(xiàn)。一般認為，在設(shè)計DC/DC變換器時，通常100W以上的系統(tǒng)中會應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)；而在設(shè)計AC/DC變換器時，250W以上的系統(tǒng)會應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，這樣電源的經(jīng)濟性會更高一些。因此，在未來的電源系統(tǒng)中，模擬與數(shù)字技術(shù)將共存相當一段時間。30年前，電源行業(yè)轉(zhuǎn)向開關(guān)電源是一個很大的變化，而電源數(shù)字化趨勢將會是一個更大的變化。
模擬電源的優(yōu)勢與不足
目前，除了一些專門用于微處理器的轉(zhuǎn)換器之外，市場上大多數(shù)磚形轉(zhuǎn)換器、中間總線轉(zhuǎn)換器及負載點POL轉(zhuǎn)換器仍采用模擬控制。這是因為許多模擬電源系統(tǒng)經(jīng)過了多年的檢驗，可靠性還是很高的。
可盡管模擬電源解決方案的成本、性能（如負載變化時的電源響應(yīng)時間）、占板面積等指標都優(yōu)于當前的數(shù)字電源解決方案，但對開發(fā)人員來說，它完全是一種固定模式的黑盒應(yīng)用，抑制了開發(fā)人員發(fā)揮創(chuàng)造力的激情。對電源進行同步跟蹤、電壓排序、故障診斷及適應(yīng)環(huán)境變化的能力還是比較差的。
目前，許多高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換器仍通過簡單的無源器件產(chǎn)生的模擬信號進行設(shè)置和控制。即使是具有最先進拓撲結(jié)構(gòu)的高性能轉(zhuǎn)換器，也還需要使用外部電阻、電容來確定諸如啟動時間、輸出點值及開關(guān)頻率等參數(shù)。這些電阻、電容的值都是設(shè)計調(diào)試時確定的，制造完成后不可輕易更改，因此自適應(yīng)的電源管理方案也就不可能實現(xiàn)。而且，為實現(xiàn)更多功能，就要設(shè)計更多的直接反饋電路，所以模擬控制環(huán)路會變得非常復雜。
傳統(tǒng)的模擬控制架構(gòu)已經(jīng)使用多年，但仍有不少缺陷。舉例來說，模擬控制電路因為使用許多元器件而需要很大空間，這些元器件本身的值還會隨使用時間、溫度和其他環(huán)境條件的變化而變動，從而對系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)能力造成負面影響。模擬控制的控制-響應(yīng)特性是由分立元器件的值決定的，它總是面向一個范圍狹窄的特定負載，因此無法為所有電壓值或負載點提供最優(yōu)化的控制響應(yīng)。換句話說，如果你需要一個可以在很多產(chǎn)品中重復使用而不必更換部件的設(shè)計平臺，則模擬方案難以勝任。除此之外，模擬系統(tǒng)的測試和維修都非常困難。
數(shù)字電源的優(yōu)勢與不足
數(shù)字電源正是為了克服現(xiàn)代電源的復雜性而提出的，它實現(xiàn)了數(shù)字和模擬技術(shù)的融合，提供了很強的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)視、處理并適應(yīng)系統(tǒng)條件的能力，能夠滿足幾乎任何電源要求。數(shù)字電源還可通過遠程診斷以確保持續(xù)的系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)故障管理、過電壓（流）保護、自動冗余等功能。由于數(shù)字電源的集成度很高，系統(tǒng)的復雜性并不隨功能的增加而增加過多，外圍器件很少（數(shù)字電源的快速響應(yīng)能力還可以降低對輸出濾波電容的要求），減少了占板面積，簡化了設(shè)計制造流程。同時，數(shù)字電源的自動診斷、調(diào)節(jié)的能力使調(diào)試和維護工作變得輕松。
數(shù)字電源管理芯片易于在多相以及同步信號下進行多相式并聯(lián)應(yīng)用，可擴展性與重復性優(yōu)秀，輕松實現(xiàn)負載均流，減少EMI，并簡化濾波電路設(shè)計。數(shù)字控制的靈活性能把電源組合成串聯(lián)或并聯(lián)模型，形成虛擬電源。而且，數(shù)字電源的智能化可保證在各種輸入電壓和負載點上都具有最優(yōu)的功率轉(zhuǎn)換效率。
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相對模擬控制技術(shù)，數(shù)字技術(shù)的獨特優(yōu)勢還包括在線可編程能力、更先進的控制算法、更好的效率優(yōu)化、更高的操作精確度和可靠性、優(yōu)秀的系統(tǒng)管理和互聯(lián)功能。數(shù)字電源不存在模擬電源中常見的誤差、老化（包括模擬器件的精度）、溫度影響、漂移、補償?shù)葐栴}，無須調(diào)諧、可靠性好，可以獲得一致、穩(wěn)定的控制參數(shù)。數(shù)字電源的運算特性使它更易于實現(xiàn)非線性控制（可改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力）和多環(huán)路控制等高級控制算法；更新固件即可實現(xiàn)新的拓撲結(jié)構(gòu)和控制算法，更改電源參數(shù)也無須變更板卡上的元器件。
數(shù)字控制還能讓硬件平臺重復使用，通過設(shè)計不同固件即可滿足各種最終系統(tǒng)的獨特要求，從而加快產(chǎn)品上市，減少開發(fā)成本、元器件庫存與風險。
數(shù)字電源已經(jīng)表現(xiàn)出相當多的優(yōu)點，但仍有一些缺點需要克服。例如，模擬控制對信號狀態(tài)的反應(yīng)是瞬時的，而數(shù)字電源需要一個采樣、量化和處理的過程來對負載的變化做出反饋，因此它對負載變化的響應(yīng)速度目前還比不上模擬電源。數(shù)字電源的占板面積要大于模擬電源，精度和效率也比模擬電源稍差。雖然數(shù)字控制方法的優(yōu)點在負載點（POL）系統(tǒng)中非常明顯，但模擬電源在分辨率、帶寬、與功率元件的電壓兼容性、功耗、開關(guān)頻率和成本（在簡單應(yīng)用中）等方面仍然占有優(yōu)勢。不過，如果考慮到數(shù)字電源解決方案具有的優(yōu)點，使用模擬電路搭建功能相似的電路，成本并不一定就比數(shù)字電源低。
數(shù)字電源中包含的技術(shù)無疑是復雜的，但它的使用并不一定就復雜。不過它要求設(shè)計人員具有一定的程序設(shè)計能力，而目前的電源設(shè)計人員普遍都是模擬設(shè)計為主，缺乏編程方面的訓練。這對數(shù)字電源的推廣也造成了一定的障礙。
人們對數(shù)字電源還有一個擔心就是它還不像模擬電源那樣經(jīng)過多年應(yīng)用的考驗，因而可靠性不高。但就像數(shù)字電路在概念上就優(yōu)于模擬電路一樣，可靠性是設(shè)計的問題，而不是數(shù)字化的問題。
不過，成本顯然是約束數(shù)字電源廣泛應(yīng)用的一個主要因素。由于數(shù)字實現(xiàn)方式的成本看似高于相似的模擬實現(xiàn)方式，而且人們對于數(shù)字電源產(chǎn)品的采用存在顧慮，所以，從用戶的角度來說，也只有當數(shù)字電源的成本等于或低于模擬電源（因為成本是中國市場考慮的第一市場因素），同時又能提供模擬電源做不到的許多先進功能的時候，數(shù)字電源才會被考慮。
綜上所述，在簡單易用、參數(shù)變更不多的應(yīng)用場合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應(yīng)用的針對性可以通過硬件固化來實現(xiàn)。而在可控因素較多、需要更快實時反應(yīng)速度、需要管理多個電源、復雜的高性能系統(tǒng)應(yīng)用中，數(shù)字電源則具有優(yōu)勢。
數(shù)字電源的實現(xiàn)與進展
數(shù)字電源有幾種不同的含意，實現(xiàn)方式也各不相同。
最簡單的是數(shù)字檢測，包括監(jiān)視開關(guān)電源的狀態(tài)，如溫度、輸入/出電流、輸入/出電壓、開關(guān)頻率（占空比）等，并根據(jù)需求向主機報告。故障狀態(tài)信息甚至時間標記等信息可以存儲在非易失性存儲器中，并在將來某個時間上報這些信息。
第二個定義是在“數(shù)字檢測”的基礎(chǔ)上通過數(shù)字接口控制開關(guān)電源，一般是通過I2C或類似的數(shù)字總線控制輸出電壓、開關(guān)頻率、多通道電源的（上/下電）排序、上升斜率、跟蹤、（軟）啟動、裕度控制、故障保護等等。實際上，目前市場上的很多電源管理集成電路都以這種方式工作。
第三個定義是用數(shù)字電路徹底取代開關(guān)電源中的所有模擬電路，這是真正的原生數(shù)字電源。只須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、負輸出、SEPIC、反激式或正激式轉(zhuǎn)換器，這樣將使開關(guān)電源更容易設(shè)計、配置而且更穩(wěn)定。但要實現(xiàn)這點從目前看來是相當困難的，因為從物理定律上來說，電流是模擬信號，即使用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)電源也仍然需要電壓基準、電流檢測電路和FET驅(qū)動器，這些組件目前只有模擬形式的產(chǎn)品。此外，電感器、變壓器以及電容器等模擬元器件在實現(xiàn)數(shù)字電源時也是不能沒有的。
傳統(tǒng)的模擬電源是以模擬控制環(huán)路為基礎(chǔ)的，如果在模擬控制環(huán)路外添加模擬量采樣、量化電路，并輔以通信電路，即可構(gòu)成上面第一個定義中所指的帶數(shù)字檢測的比較初級的數(shù)字電源。
目前的數(shù)字電源大都是按照上面第二個定義（即數(shù)字控制+數(shù)字監(jiān)視）實現(xiàn)的，電源內(nèi)部的模擬控制環(huán)路由數(shù)字控制環(huán)路替代。未來是屬于數(shù)字電源的，但數(shù)字化是個漸進的過程，其發(fā)展很可能由同時使用模擬和數(shù)字技術(shù)的混合系統(tǒng)開始，進而演進到全數(shù)字實現(xiàn)。以前，數(shù)字化是以采用高成本的復雜多芯片電路方案為代價的。例如，一個具有電壓、電流監(jiān)視及控制能力的應(yīng)用可能需要很多集成電路，如高穩(wěn)定度基準源、高精度多通道ADC、DAC和專用微控制器，此外還需要不小的軟件開發(fā)工作量。如果再考慮成本、復雜性、線路板空間限制和嚴苛的產(chǎn)品上市時間要求，以數(shù)字方式管理電源的確需要人們付出不菲的代價。
最近出現(xiàn)的數(shù)字電源產(chǎn)品的集成度和易用性已經(jīng)達到一個更高的高度。包括傳統(tǒng)的模擬電源廠商和新興的數(shù)字電源芯片設(shè)計廠商在內(nèi)的大部分廠商都在著手解決純粹的電源轉(zhuǎn)換以外的問題，包括添加監(jiān)測功能，提供可與系統(tǒng)通信的數(shù)字接口，以及建立數(shù)字控制反饋環(huán)路，即在模擬變換器外面使用“數(shù)字外殼”。常見的方案有兩種：
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（1）單芯片控制器方案。通過外接A/D轉(zhuǎn)換芯片進行取樣，取樣后對得到的數(shù)據(jù)進行運算處理，再把結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換后傳送到PWM芯片，從而實現(xiàn)單芯片控制器對開關(guān)電源的控制。這種方案的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，設(shè)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。但是整套電路用到多個芯片，電路比較復雜；且經(jīng)過A/D和D/A轉(zhuǎn)換等步驟，會造成比較大的信號延遲，進而影響電源的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。有些單芯片控制器整合了PWM輸出，但一般單芯片控制器的運行頻率有限，無法產(chǎn)生足夠高的頻率和精度的PWM輸出信號。
（2）通過高性能數(shù)字芯片（如DSP或MCU）對電源實現(xiàn)直接控制的方案。數(shù)字芯片完成信號采樣、處理和PWM輸出等工作。由于數(shù)字PWM輸出的信號功率不足以驅(qū)動開關(guān)管，一般還需通過一個驅(qū)動芯片驅(qū)動開關(guān)管，即數(shù)字控制器與功率級之間的接口由MOSFET驅(qū)動器提供。由于這些數(shù)字芯片有較高的取樣速度（DSP片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換只需數(shù)百納秒，相較之下，一般8位MCU控制器要數(shù)微秒之久）和指令周期，輸出的PWM信號的分辨率僅數(shù)百皮秒，過流檢測和關(guān)閉電源僅須數(shù)十納秒，可以快速有效的實現(xiàn)各種復雜的控制算法，使設(shè)計具備較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。此外，在微處理器的支持下添加RS232/485、USB、以太網(wǎng)等擴展通信手段也非常方便。數(shù)字控制的電源產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)大部分數(shù)字電源的功能需求，但如果不添加一些額外部件，還實現(xiàn)不了全部功能需求。
這種“數(shù)字外殼”的架構(gòu)存在以下問題：為了保證電源有較高的穩(wěn)壓精度，A/D轉(zhuǎn)換器必需要有較高精度的取樣，但高精度的取樣頻率需要更長的A/D轉(zhuǎn)換時間，造成回路的實時反應(yīng)能力變差。而且，高速的采樣和運算將產(chǎn)生巨大的運算量，能達到實時要求的核心處理器還是很少的。雖然在要求比較高的場合一般都會用DSP芯片，其運算和取樣速度快，功能強大，但DSP芯片結(jié)構(gòu)復雜，成本比較高；而且DSP控制技術(shù)較難掌握，對設(shè)計者要求比較高。
通用DSP芯片不是專門作為電源控制芯片使用的，一般的電源應(yīng)用對通用DSP芯片資源的利用率不高。不過目前以DSP為主要處理單元的數(shù)字電源芯片廠商，如TI、Freescale等公司都在優(yōu)化其作為數(shù)字電源核心的DSP的結(jié)構(gòu)，同時努力降低成本，并改善開發(fā)手段（提供評估板、IP模塊等），以幫助開發(fā)人員輕松地如期完成開發(fā)。除了DSP的方案，有的廠商提供基于MCU（如SiliconLabs公司）或狀態(tài)機（如Zilker公司）的方案。MCU長于控制，而狀態(tài)機的優(yōu)點是低功耗。鑒于DSP和MCU兩種方案各有長處，現(xiàn)在有的廠商（如SiliconLabs公司、Microchip公司）開始將硬件DSP和輔助MCU同時集成入芯片中，使系統(tǒng)性能最優(yōu)，效率已經(jīng)可以與模擬電源相媲美。
軟件設(shè)計對數(shù)字電源設(shè)計人員而言是另一個挑戰(zhàn)。為降低數(shù)字電源的設(shè)計門檻，很多半導體廠商推出了不需要軟件編程或者支持圖形用戶接口（GUI）的數(shù)字電源解決方案，設(shè)計人員通過GUI界面就能設(shè)定電源特性參數(shù)，而不需要任何編程技能。此外，還可根據(jù)具體系統(tǒng)的情況，設(shè)定每個輸出電壓的跟蹤、升壓時間和延時等。有的數(shù)字電源管理芯片允許設(shè)計人員通過芯片管腳配置電源特性參數(shù)。許多數(shù)字電源芯片允許在系統(tǒng)運行中通過電源管理總線（PMBus）來實時更改電源輸出特性。系統(tǒng)控制算法的設(shè)計通常是在專用的集成開發(fā)環(huán)境IDE中進行，例如TI的面向DSP的CCS、SiliconLabs的基于MCS51的IDE等。
目前，數(shù)字電源芯片的集成度已經(jīng)達到較高的水平，適合復雜系統(tǒng)如服務(wù)器、通信設(shè)備等使用。芯片中集成數(shù)個同步控制器和自適應(yīng)驅(qū)動器，有的集成了MOSFET或功率驅(qū)動模塊、LDO、電荷泵及電源管理（包括熱管理）功能。其他有特色的特性還包括可編程中斷輸出、看門狗等。
先進的半導體制造工藝在數(shù)字電源芯片上也得以利用，其中數(shù)字電路應(yīng)用0.18～0.25μmVLSI工藝；模數(shù)混合電路應(yīng)用高壓BiCMOS工藝還比較常見。有的廠商借鑒大功率芯片的成功設(shè)計，在數(shù)字電源芯片上采用先進的封裝技術(shù)，使芯片可在工業(yè)級的溫度范圍內(nèi)可靠工作。
PMBus
電源管理總線（PMBus）通信協(xié)議規(guī)范定義了一個用在功率轉(zhuǎn)換器件和管理器件之間的數(shù)字通信協(xié)議（包括接口和命令）。該規(guī)范對于數(shù)字電源產(chǎn)品的推廣有著非常重要的意義，意味著數(shù)字電源產(chǎn)品的接口完成了標準化。借助PMBus，數(shù)字電源可以依據(jù)一套標準命令進行配置、監(jiān)控和維護（設(shè)置電源的工作參數(shù)并監(jiān)控其工作，而且能夠在故障發(fā)生時采取應(yīng)對措施），還能使多個數(shù)字電源產(chǎn)品協(xié)同工作。
PMBus規(guī)范的傳輸層基于低成本SMBus（系統(tǒng)管理總線）的1.1版本，這是個功能更為強健的基于業(yè)界標準I2C串行總線的版本，具有分組錯誤檢查和主機通知功能。
PMBus規(guī)范定義了2個必需信號和3個可選信號：必需信號為時鐘信號（SCL）和數(shù)據(jù)信號（SDA），可選信號為SMBALERT#、CONTROL和WP。SMBALERT#由任何需要獲得PMBus主控器支持的從屬設(shè)備發(fā)起。當SMBALERT#有效時，主控器在PMBus上發(fā)送告警（alert）響應(yīng)地址，然后每個發(fā)信號（alerting）的器件將其器件地址放在SDA上。一旦器件成功地將其地址加入總線，它就會釋放SMBALERT#線。SMBALERT#信號可以使從屬設(shè)備（如負載點轉(zhuǎn)換器）中斷系統(tǒng)主機或總線的控制，這就使設(shè)計人員能夠更容易地實現(xiàn)基于事件驅(qū)動的閉環(huán)控制方案。CONTROL信號用于啟動和關(guān)閉單個從屬設(shè)備。WP信號可用于防止意外更改存儲器中的數(shù)據(jù)。此外，PMBus協(xié)議規(guī)定所有從屬設(shè)備必須將其默認的配置數(shù)據(jù)保存在永久性存儲器內(nèi)或使用針腳編程，這樣它們在上電時無須與總線通信。
除采用SMBus傳輸層之外，PMBus規(guī)范還增加了用于電源設(shè)計的控制語言。PMBus的通信是按照一個連續(xù)的字節(jié)流進行的。每個字節(jié)流包含一個地址字節(jié)，一個命令字節(jié)，若干個數(shù)據(jù)字節(jié)，以及一個可選的包錯誤碼（PEC）字節(jié)。主機使用單獨的“開始”和“停止”信號來表明一個通信過程的開始和結(jié)束。而從屬設(shè)備則使用單獨的位來確認收到的每個字節(jié)。為了減少響應(yīng)時間及處理器開銷，從屬設(shè)備在收到“停止”信號時立即處理并執(zhí)行命令。
毫無疑問，隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展和市場需求的驅(qū)動，電源領(lǐng)域里數(shù)字電源的優(yōu)勢將會越來越明顯，但從模擬電源到數(shù)字電源的完全轉(zhuǎn)換還需要很長時間，因此模擬和數(shù)字控制技術(shù)將在未來數(shù)年內(nèi)共存。數(shù)字電源技術(shù)為電源設(shè)計領(lǐng)域注入了新的活力，同時也對電源設(shè)計人員提出了更高的要求。如何在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，進而設(shè)計出滿足未來市場需求的電源系統(tǒng)將成為電源設(shè)計人員必須面對的新課題。
