綠色混合數(shù)字計(jì)算電源管理

一、引言

圖1所示的模擬電源解決方案是一種眾所周知和經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的技術(shù)，功率電子工程師在時(shí)域中理解起來毫不費(fèi)力。模擬PWM控制器包括一個(gè)誤差放大器，用一些電阻和電容構(gòu)成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。通過對(duì)電阻和電容值進(jìn)行微調(diào)可實(shí)現(xiàn)最佳性能。模擬PWM控制器提供快速和準(zhǔn)確控制，人們開發(fā)了許多先進(jìn)的模擬控制方案來實(shí)現(xiàn)最佳性能，特別是在瞬態(tài)要求非常嚴(yán)格的微處理器核心電源應(yīng)用中，其針對(duì)核心及外設(shè)電源應(yīng)用的簡(jiǎn)單性、易用性和低成本是無可替代的。

圖1，模擬電源框圖。

最近，數(shù)字電源在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域受到重視。圖2偵測(cè)所示的數(shù)字電源解決方案通過數(shù)字化所偵測(cè)的電壓和電流信息以及以數(shù)字形式（頻域）重建補(bǔ)償器和PWM比較器來仿真模擬控制環(huán)路模塊。要想實(shí)現(xiàn)與模擬環(huán)路相似的性能，常常需要極高速（>100MHz）的數(shù)字算法處理器，這會(huì)導(dǎo)致較高的待機(jī)功耗，并可能需要非易失存儲(chǔ)器（NVM）來存儲(chǔ)具體設(shè)計(jì)配置信息，如反饋補(bǔ)償參數(shù)。它還需要工程師在模擬和數(shù)字域中理解設(shè)計(jì)。由于其復(fù)雜性的緣故，普通電源設(shè)計(jì)人員無法完全理解數(shù)字PWM控制器，這迫使數(shù)字PWM廠商向用戶提供所有支持和完成設(shè)計(jì)的大部分內(nèi)容。因此，設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性和可靠性嚴(yán)重依賴于廠商支持。數(shù)字電源有模擬電源所不具有的一些優(yōu)點(diǎn)，如輕松更新控制回路補(bǔ)償參數(shù)而不修改硬件電路。另一方面，偵測(cè)適合計(jì)算機(jī)應(yīng)用行業(yè)的解決方案仍然需要對(duì)熱補(bǔ)償和電流偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)在硬件電路層面進(jìn)行微調(diào)，因此它們根本不是全數(shù)字式方案，而是一種混合式方案。

圖2，數(shù)字電源框圖。

對(duì)于需要用戶接口和電源管理的系統(tǒng)，人們常常會(huì)引入串行總線，如PMBus。圖3所示的混合數(shù)字電源解決方案在模擬控制環(huán)路和電源管理模塊之間需要一個(gè)ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）和一個(gè)DAC（數(shù)/模轉(zhuǎn)換器），用于接口和通信。由于數(shù)字電源方案中一切采用數(shù)字形式的部分都包含在控制環(huán)路中，所以數(shù)字環(huán)路和電源管理模塊之間不需要專用的ADC或DAC，如圖4所示。但是，數(shù)字電源解決方案需要一個(gè)ADC來數(shù)字化偵測(cè)到的電壓和電流模擬信號(hào)，以便進(jìn)行數(shù)字控制處理，還需要一個(gè)DAC來將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換回模擬形式，用于控制功率級(jí)。該ADC和DAC都在數(shù)字控制環(huán)路內(nèi)部；這有可能影響環(huán)路響應(yīng)，除非使用非常高速和高位數(shù)（bit-count）的ADC/DAC，這會(huì)顯著提高偏置功率。PMBus電源管理模塊的工作頻率通常為100kHz或400kHz，而對(duì)于非常快速的ADC和DAC轉(zhuǎn)換，數(shù)字控制算法處理器的工作頻率必須大于100MHz。因此，混合解決方案通常具有比數(shù)字解決方案低得多的偏置功率和更快速的環(huán)路響應(yīng)。

本文將詳細(xì)討論全數(shù)字和混合數(shù)字電源方案，包括實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)性能、成本、制造和庫(kù)存控制以及環(huán)境影響。

圖4，全數(shù)字電源解決方案框圖。

二、混合數(shù)字電源管理與全數(shù)字電源管理

（1）偏置功率需求

要想實(shí)現(xiàn)高精密的DAC精度（比如0.5%）和高PWM分辨率（比如100ps），數(shù)字控制器需要極高速（>100MHz）處理器[2]來在數(shù)字域中仿真模擬控制環(huán)路。它通常使用低偏置電壓，如1.8V、2.5V或3.3V，這有助于最小化偏置功率。但是，為計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)的兩個(gè)多相數(shù)字PWM控制器會(huì)消耗超過100mA偏置電流，消耗的偏置功率是Intersil的混合數(shù)字多相PWM的的3~5倍。表1詳細(xì)說明了這一點(diǎn)，以及對(duì)Intersil和另外兩家數(shù)字PWM廠商針對(duì)英特爾VR12代多相控制器的其他相關(guān)比較信息。由于消耗的偏置功率較高，設(shè)計(jì)中使用該種數(shù)字控制器的穩(wěn)壓器具有輕負(fù)載時(shí)效率低的缺點(diǎn)，且無法滿足能源之星要求，同時(shí)通常不用于筆記本電腦應(yīng)用。由于未來產(chǎn)品要求更低的功耗和追求更綠色的環(huán)保，所以全數(shù)字控制似乎不是正確的道路。

此外，更低的偏置電壓通常會(huì)限制共模范圍，并可能在輸出電壓變高時(shí)使DCR電流偵測(cè)放大器飽和。它會(huì)導(dǎo)致各相間電流失衡，進(jìn)而導(dǎo)致功率級(jí)過載。而且，數(shù)字控制器具有更低的PWM輸出信號(hào)電平，并有可能引入相位轉(zhuǎn)換時(shí)的噪聲，可能會(huì)在空間緊張型設(shè)計(jì)中導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

表1，混合數(shù)字與全數(shù)字方案比較

（2）可編程性和用戶接口

市面上的多相數(shù)字PWM解決方案確實(shí)提供了對(duì)環(huán)路響應(yīng)進(jìn)行編程而不需要對(duì)硬件電路進(jìn)行修改的優(yōu)點(diǎn)，但仍然需要通過微小的電路修改對(duì)許多其他功能進(jìn)行微調(diào)。全數(shù)字方案非常傾向于算法驅(qū)動(dòng)方式，且因廠商的不同而異。通常，客戶不會(huì)成為解決方案方面的專家，或者可能只有1~2名工程師完全理解該控制器。因此，數(shù)字解決方案的穩(wěn)健性和可靠性嚴(yán)重依賴于廠商的支持。

混合數(shù)字方案提供了模擬控制環(huán)路來實(shí)現(xiàn)世界一流的瞬態(tài)性能，以及PMBus接口來實(shí)現(xiàn)可編程性和用戶接口?？刂骗h(huán)路可編程性可按需要來實(shí)現(xiàn)而不會(huì)產(chǎn)生全數(shù)字解決方案的高偏置電流缺點(diǎn)。精通模擬解決方案的電源工程師通常非常容易理解這一點(diǎn)，因而出錯(cuò)機(jī)會(huì)更小，更有可能在第一次就成功。

（3）環(huán)路和瞬態(tài)響應(yīng)

由于DAC和ADC轉(zhuǎn)換延遲，數(shù)字控制器的環(huán)路帶寬通常限于不超過100kHz范圍，而模擬和混合數(shù)字控制器可以超過100kHz，如圖5所示。圖6顯示慢速環(huán)路的響應(yīng)速度將會(huì)更慢并產(chǎn)生更高的過沖和下沖。模擬環(huán)路對(duì)負(fù)載和輸入瞬態(tài)的響應(yīng)快很多，最小化了輸入和輸出干擾，導(dǎo)致更小的輸入和輸出濾波器尺寸。盡管非線性技術(shù)通常用于加快數(shù)字控制器的響應(yīng)速度，但它會(huì)在寬負(fù)載范圍上造成不一致的響應(yīng)，如圖7所示，其原因在于離散閾值的觸發(fā)。此外，非線性控制會(huì)導(dǎo)致不均勻的脈沖分布和低劣的電流均衡能力，如圖9所示。與用于數(shù)字控制器的非線性控制方案相比，Intersil的混合數(shù)字控制器ISL6367/67H [9,10]使用的線性控制可產(chǎn)生平滑的負(fù)載階躍響應(yīng)和均勻分布的相位脈沖，如圖8和圖10分別所示。