大勢(shì)所趨的數(shù)字電源設(shè)計(jì)方式

前言：早在十幾年前，諸如德州儀器、Microchip等公司就已經(jīng)在傳統(tǒng)的模擬電源設(shè)計(jì)中，混入了數(shù)字化的零件，現(xiàn)今信息產(chǎn)品在要求上要有更小的體積、更低的成本以及更高的可靠性即可控制能力，傳統(tǒng)的模擬供電架構(gòu)已經(jīng)明顯不敷這方面的應(yīng)用。

電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

圖說(shuō)：交換式電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

信息產(chǎn)業(yè)往更小的制程發(fā)展，期望能為功耗問(wèn)題帶來(lái)正面的解決方式，然而芯片整合的功能越來(lái)越多，速度越來(lái)越快，新制程所帶來(lái)的往往是更高的耗電與發(fā)熱。然而新一代的信息產(chǎn)品不是在外型上，便是在體積上大做文章，信息產(chǎn)品體積縮小有幾個(gè)好處，首先便是在大范圍應(yīng)用方面，比如說(shuō)企業(yè)機(jī)房?jī)?nèi)部，當(dāng)服務(wù)器的體積能夠有效縮小，便能夠在同樣的單位面積之內(nèi)，安裝更多的設(shè)備，并且提供更多的服務(wù)，換句話(huà)說(shuō)，設(shè)備體積越小，企業(yè)便可以用更小的機(jī)房面積來(lái)取得同等的菜單現(xiàn)。只是設(shè)備體積的微縮，相對(duì)而言，電源供應(yīng)系統(tǒng)也必須配合微縮，而且所能供給的電力負(fù)載還必須能維持甚至超越過(guò)去的水平，這對(duì)電源設(shè)計(jì)廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)是相當(dāng)嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

■數(shù)字電源設(shè)計(jì)有助縮小設(shè)備體積與增強(qiáng)管理能力

圖說(shuō)：數(shù)字與模擬回路比較。

雖然機(jī)器的體積縮小了，但是隨著效能與功能的增加，這些相對(duì)小的設(shè)備在功耗方面卻不會(huì)有絲毫的減少，為了滿(mǎn)足這些設(shè)備的供電需求，而又要能將電源供應(yīng)模塊塞進(jìn)這些輕薄的機(jī)殼內(nèi)，除了藉助絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、智能IGBT功率模塊(IPM)、MOS柵控晶閘管(MCT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、超過(guò)恢復(fù)二極管、無(wú)感電容器、無(wú)感電阻器、新型磁材料和變壓器、EMI濾波器等高效能組件以外，數(shù)字化PWM以及全數(shù)字化控制也都能夠有助于縮減電源供應(yīng)模塊所占的體積。

數(shù)字電源就是采用數(shù)字接口具有可程序化(programmable)的電源轉(zhuǎn)換器，數(shù)字接口(digital interface)與可程序化是數(shù)字電源的重要特征，也是其簡(jiǎn)化產(chǎn)品應(yīng)用的重要利基。控制器的實(shí)現(xiàn)可以模擬電路方式或數(shù)字電路方式，數(shù)字電源系指采用數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)交換式電源供應(yīng)器的控制回路與接口。與此相較，傳統(tǒng)的交換式電源供應(yīng)器主要采用模擬控制方式實(shí)現(xiàn)其控制回路與接口。

一般而言，采用全數(shù)字化控制技術(shù)，可以有效縮小電源體積，降低成本，并且提升設(shè)備的可靠性和對(duì)使用者的適應(yīng)性。整個(gè)電源的訊號(hào)取樣、處理、控制(包括電壓電流等環(huán)節(jié))、通訊等均采用DSP技術(shù)，可以獲得一致的穩(wěn)定的控制參數(shù)。

數(shù)字化電源控制可以采用更加靈活的方式，比如說(shuō)電源供應(yīng)器可以在各種電壓、溫度下動(dòng)態(tài)調(diào)整并最佳化電源的輸出，如降額保護(hù)、PFC數(shù)字控制諧波。利用DSP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單穩(wěn)定的通訊和均流，并且獲得良好的EMC控制。數(shù)字組件可提供的智能化程度更高，因此諸如靈活的LED警示組合，自我監(jiān)控能力以及遠(yuǎn)程通訊機(jī)制都可以輕易達(dá)成。數(shù)字化設(shè)計(jì)也可以有效減少組件使用數(shù)量并提高模塊化的程度、以及提高功率密度。消除模擬控制技術(shù)的組件離散性和溫度飄移，保證每個(gè)模塊均達(dá)到最優(yōu)指針，提高電源可靠性。模塊智能化程度更高，易于使用維護(hù)。

■手持式裝置電源管理趨向高度整合與數(shù)字化設(shè)計(jì)

而在手持式裝置上，對(duì)于電源管理的機(jī)制更是不斷的進(jìn)步。原本手持式裝置所主打的行動(dòng)便利性，卻逐漸被多功能、高效能導(dǎo)向口號(hào)所取代，在電池技術(shù)未得到突破性的發(fā)展之前，只能訴求更有效率的電源管理方式。

圖說(shuō)：2G與3G手機(jī)的功耗分布比較。

目前主流的行動(dòng)裝置通常都會(huì)整合視訊、音效、照相/錄像、檔案儲(chǔ)存/編輯等多種功能，比如PMP，能夠完成音效與視訊播放、錄像和檔案儲(chǔ)存等工作，手機(jī)能夠拍照、聽(tīng)音樂(lè)甚至利用無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行上網(wǎng)動(dòng)作。這些不同的功能通常都是透過(guò)相對(duì)應(yīng)的組件來(lái)達(dá)成，然而這些組件需要不同的電壓供應(yīng)才能正常動(dòng)作，而且要求電壓質(zhì)量穩(wěn)定可靠、干凈、高效能，這也是設(shè)計(jì)電源管理所面臨的挑戰(zhàn)。在這些日趨復(fù)雜化電源管理系統(tǒng)中，1款產(chǎn)品可能會(huì)同時(shí)需要5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、0.9V和0.7V等多種電壓供給，如何有效地管理多種電壓，并且使之互不干擾，是電源設(shè)計(jì)中正面臨的一個(gè)難題。

以目前的發(fā)展而言，電源系統(tǒng)單芯片(power-system-on-a-chip)的整合是整個(gè)行動(dòng)應(yīng)用，甚至是產(chǎn)業(yè)界的長(zhǎng)期趨勢(shì)，理所當(dāng)然，手持式行動(dòng)裝置的的電源供應(yīng)設(shè)計(jì)也是遵循這個(gè)趨勢(shì)，并且朝向更高階的芯片整合度發(fā)展。

過(guò)去行動(dòng)裝置的電源系統(tǒng)是由許多零散的模擬零件所組成，但是在新近的產(chǎn)品已經(jīng)看不到這樣的過(guò)時(shí)設(shè)計(jì)。原先行動(dòng)裝置電源供應(yīng)模塊在功能方面的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，主要是整合并盡量縮小這些離散模擬電源零件的體積，之后則是把這些零件整合至1顆或少數(shù)幾顆電源管理組件中。而這些電源零件開(kāi)始加入越來(lái)越多的功能和智能管理能力，在應(yīng)用范圍方面也逐漸普及到其它領(lǐng)域，并且進(jìn)入各種不同類(lèi)型的行動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)之中(比如說(shuō)GPS、掌上型游樂(lè)器、PMP、行動(dòng)電視等產(chǎn)品)。

芯片整合的理由對(duì)于整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)都相同：把更多功能整合至更少零件后，產(chǎn)品成本即可大幅下降，因?yàn)橹圃爝@些產(chǎn)品所需的組件數(shù)目和電路板面積都會(huì)減少、產(chǎn)品的組裝和制造程序會(huì)更簡(jiǎn)單，藉此可達(dá)到更高的系統(tǒng)可靠性并能大幅縮短測(cè)試時(shí)間。此外，更高的芯片整合度也能提高研發(fā)流程的效率，從而縮短制造商的新產(chǎn)品上市時(shí)間，對(duì)于提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力而言有著莫大的幫助。

數(shù)字交換式電源的設(shè)計(jì)方式

一般實(shí)現(xiàn)交換式電源的數(shù)字控制主要有以下兩種方法：

第一種：?jiǎn)涡酒刂破魍ㄟ^(guò)外接A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行取樣，取樣后對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)節(jié)，再把結(jié)果通過(guò)數(shù)字/模擬(D/A) 轉(zhuǎn)換后傳送到PWM芯片中，從而達(dá)到單芯片控制器對(duì)交換式電源的電源間接控制。這種方法的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，設(shè)計(jì)方法容易掌握，而且對(duì)單芯片控制器的要求不高，成本比較低。但是控制電路由于要用多個(gè)芯片，電路比較復(fù)雜;而經(jīng)過(guò)A/D和D/A轉(zhuǎn)換等步驟，會(huì)造成比較大的訊號(hào)延遲，這些延遲勢(shì)必影響電源的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精準(zhǔn)度。有些單芯片控制器整合了 PWM輸出，但交換式電源往高頻化發(fā)展，一般單芯片控制器的頻率頻率有限，產(chǎn)生的PWM輸出頻率與精確度成反比，因此無(wú)法產(chǎn)生足夠頻率和精準(zhǔn)度的PWM輸出訊號(hào)。