不再夸張的數(shù)字電源

要點

•數(shù)字電源可以降低成本，簡化你的設計，并提高精度。

•數(shù)字電源非常適用于輸出余量設定及逐周期回路補償。

•很多系統(tǒng)工程師并不想要或需要非線性控制或自適應補償。

•數(shù)字電源能提高效率的聲稱通常無法證實。

•數(shù)字電源確有獨特的性能，但也存在折衷。

最近，營銷部門一直在大肆吹噓已在學術界徘徊了幾十年的數(shù)字電源，他們沒有惡意，只是熱情過度(圖1)。現(xiàn)在，其中的一些夸張之詞已經(jīng)消逝，是時候討論一下數(shù)字電源適合什么，其工作原理，缺點，以及它的折衷(參考文獻1)。不過，盡管它有缺點，各家公司仍然開發(fā)和部署了一些器件，它們在不涉及折衷的情況下，充分利用了數(shù)字控制回路的好處。

圖1，數(shù)字電源最終達到了平穩(wěn)量產(chǎn)的階段(Gartner集團提供)。

芯片公司對數(shù)字電源的定義是五花八門。有些公司認為，數(shù)字電源包含了圍繞一個模擬PWM(脈沖寬度調(diào)制)回路的數(shù)字功能與通信鏈接。其它公司稱，數(shù)字電源是一種內(nèi)置數(shù)字PWM芯片的狀態(tài)機。還有一些公司表示，數(shù)字電源包括了一個通用DSP，DSP運行著一個閉合控制回路的算法。而過去

十年來學術意義上的真正數(shù)字電源，則擁有一個數(shù)字PWM回路，并帶有一個狀態(tài)機或一只DSP。一只模擬PWM器件上加上一個串行總線并不能成為數(shù)字電源。不過，數(shù)字電源可以免除或消除對某些元件的要求，從而可以降低成本。

你可以為一只DSP加一個FET驅(qū)動芯片和一些代碼，以控制渦輪風機的扇葉角度和變頻器，基本上這就是簡單的數(shù)字電源了。例如，德州儀器公司十多年前就開始為其DSP提供電源庫。該公司現(xiàn)在生產(chǎn)多個系列基于DSP的電源芯片(圖2)。CamSemi公司嘗試減少器件數(shù)，提供5W C2161PX2 ac/dc控制器，它采用反饋變壓器上的一個檢測繞組，而不是昂貴的光耦(參考文獻2與圖3)。數(shù)字電源不用二極管來檢測反饋波形，當檢測繞組的反饋信號為負值，以及不表示次級的輸出電壓時，就消除這個信號。至于降低成本，Exar公司制造了16A的XRP7740數(shù)字電源芯片，可為機頂盒或數(shù)據(jù)服務器提供多個電源軌(圖4)。Exar公司擁有芯片方面的很多專利，包括將一小塊片芯區(qū)域用于一個實用的控制回路(參考文獻3)。這樣，Exar公司的芯片定價就能與模擬芯片競爭。

圖2，你可以編譯德州儀器公司任何DSP的數(shù)字電源庫，或用一只該公司專用芯片，做出數(shù)字電源系統(tǒng)。TI還制造采用狀態(tài)機的數(shù)字電源芯片。

圖3，CamSemi公司提供5W的開關電源控制芯片，它有一個替代線性電源的雙極晶體管。開關設計有更高的效率，使用銅線也較少，因此降低了成本。

圖4，Exar公司的XRP7740可在四個通道上提供16A輸出電流。聰明的IC設計使得芯片很小，因此該公司提供的芯片價格能與模擬方案相競爭。

數(shù)字電源還可以完成逐周期的回路補償。例如，Intersil公司的數(shù)字電源管理集團Zilker Labs最近就推出了ZL6105，它采用了一個狀態(tài)機來完成逐周期的自動補償工作(圖5)。另一個例子是，新興的Powervation公司用一個數(shù)字電源ASIC，完成電源的逐周期補償(圖6)。這種實時的回路補償是數(shù)字芯片較其模擬對手的主要優(yōu)勢。這些數(shù)字電源控制器可以跟蹤由于老化和干涸所造成的電解電容降級問題。如果你將部件設計成一塊電源磚，則數(shù)字控制器可以檢測磚的輸入輸出電容，并在每個周期作補償。其它數(shù)字電源芯片可以做一次性的自補償周期，幫助創(chuàng)建數(shù)字補償濾波器的因數(shù)。