模擬電源與數(shù)字電源的比較與選擇

   一種新技術(shù)的引入通常需要一個過渡過程，在這個過程中，用戶不斷地檢驗新技術(shù)中實際可行的因素和不切實際內(nèi)容。本文旨在澄清模擬與數(shù)字電源管理之間的不同。從多方面考察兩種技術(shù)差異及其對系統(tǒng)性能的影響。表1、表2分別列出了各自的優(yōu)、缺點。

   從用戶的角度看，很難確定哪一種方式更好。不斷提高的系統(tǒng)復(fù)雜度為考慮使用數(shù)字電源管理方案的用戶鋪平了道路，雖然有些設(shè)想在不久以前還看起來難以逾越。但是，數(shù)字電源產(chǎn)品的應(yīng)用案例及其相關(guān)的一些傳說表明，人們在某種程度上為數(shù)字系統(tǒng)所能處理的問題蒙上了一層不切實際的光環(huán)。隨著這項技術(shù)步入其自然的發(fā)展軌道，應(yīng)該平息其所伴隨的神秘色彩以及不切實際的宣傳。用戶隨后所面臨的問題是：那一種方案最好？

   總的來說，電源管理沒有純粹的數(shù)字或模擬方案。以模擬控制架構(gòu)為例，其內(nèi)部脈寬調(diào)制電路即包含了數(shù)字電路，例如：時鐘、門電路等(如Bob Mammano設(shè)計的SG1524)。三十年后，數(shù)字 脈寬調(diào)制(PWM)成電路同樣也包含了明顯的模擬電路，如：ADC、基準源、放大器等。因此，正確的方案選擇取決于電路功能的合理劃分，而正確的劃分又與當前可以利用的技術(shù)和系統(tǒng)需求有關(guān)。因此，當前的劃分標準可能不同于將來的標準。

   目前，為了滿足系統(tǒng)誤差的要求，一個理想的系統(tǒng)應(yīng)能提供較高精度，要求電源具有更小的體積，而且滿足高速通信、高速處理系統(tǒng)中微處理器或ASIC對電源容限的苛刻要求?；鶞示纫话銥?%，而最新的處理器、ASIC電源要求誤差不超過幾毫伏。工作在低壓狀態(tài)時，要求優(yōu)于1%的精度，而且在高溫情況下也必須滿足這一精度要求，目前大多數(shù)系統(tǒng)的工作溫度范圍為0℃～85℃。

   由于多處理器核或小尺寸處理器對應(yīng)的I/O口對于不正確的壓差所引起的“閉鎖”現(xiàn)象非常敏感，電源的跟蹤與上電順序也非常關(guān)鍵。復(fù)雜的電路板需要多電源供電，因此對上電順序和跟蹤的要求也更加嚴格。這些功能利用模擬技術(shù)很難實現(xiàn)，而數(shù)字技術(shù)則可解決這一復(fù)雜問題，提供精確、簡單的方案。

表1

表2

   高端系統(tǒng)要求近乎為零的故障時間，因此，對于冗余系統(tǒng)的監(jiān)控也十分重要，以確保系統(tǒng)可靠工作。這就需要了解產(chǎn)生電源故障的原因和過程，在出現(xiàn)問題時采取迅速的解決措施。用模擬技術(shù)構(gòu)建監(jiān)控電路需要很多分離元件或?qū)Ｓ秒娐?。有些系統(tǒng)由于受體積、價格及復(fù)雜度的限制，不得不簡化了監(jiān)控環(huán)節(jié)，導(dǎo)致較低的系統(tǒng)可靠性。對于數(shù)字系統(tǒng)來說，提供這種系統(tǒng)檢控幾乎不需要增加系統(tǒng)成本。在數(shù)字系統(tǒng)中，用于數(shù)字引擎操作的信息采用數(shù)字格式，可以很容易地增加通信容量。

   為了快速占領(lǐng)市場、支持產(chǎn)品的需求，設(shè)計人員常常在很倉促情況下開發(fā)ASIC，甚至沒有經(jīng)過完整的評估就投入使用。從而使產(chǎn)品在投放市場的過程中處于兩難境地，一方面可能需要昂貴的招回成本，修改工作電壓、監(jiān)控電路及上電順序控制；另一方面可能忽視系統(tǒng)的可靠性，為系統(tǒng)的后續(xù)使用埋下隱患。這兩種情況都違背了零失效時間的系統(tǒng)要求，這時，比較明智的選擇可能是數(shù)字方案，對系統(tǒng)進行現(xiàn)場編程，對用戶來說實現(xiàn)方便、透明的系統(tǒng)升級。

圖1：基本數(shù)字處理功能，基于MAX8688數(shù)字控制/監(jiān)測IC

方案的折中考慮

   從目前的系統(tǒng)及不斷涌現(xiàn)的需求看，利用模擬方法解決所有問題顯然不能滿足發(fā)展的需求。目前，很多用戶在考慮數(shù)字方案時，比較關(guān)心的一個問題是“閉環(huán)問題”。對于大多數(shù)工程師來說，數(shù)字電源意味著一個能夠進行數(shù)據(jù)通信、讀寫信息、更改設(shè)置、無需改變硬件進行升級的系統(tǒng)，在數(shù)字域完成這些操作無需閉環(huán)反饋。

   對于選擇數(shù)字電源還是模擬電源這個問題，其原則應(yīng)該是“合適就好”。如上所述，數(shù)字或模擬方案都不能保證所用功能的最優(yōu)化。每種方案都有其固有的優(yōu)點和缺點，正確的系統(tǒng)分析有助于為具體的應(yīng)用提供最合理的解決方案。

表3：模擬與數(shù)字電路分析

    上表中的脈寬調(diào)制電路(PWM)可能最好保留模擬架構(gòu)，它主要由基準、誤差放大器、比較器和電壓斜波電路組成，有些方案還包括滯回電路。任何情況下，保留這些基本的模擬電路單元都是比較理想的選擇，它占用更小的硅片面積，也更便宜。PWM控制IC包括許多其它單元(電壓調(diào)節(jié)、MOSFET驅(qū)動、遠端檢測放大器、欠壓鎖存電路及過壓、過流保護電路)，但大部分電路不受PWM電路形式(模擬或數(shù)字)的影響。

   對保護電路的需求沒有改變，但要求電路在發(fā)生故障時做出快速響應(yīng)，一般要求在幾個ns以內(nèi)。采用最快的并行比較型ADC結(jié)構(gòu)，可以提高數(shù)據(jù)量化的速度，但更多的響應(yīng)時間由判決引擎(處理器或狀態(tài)機)決定?？紤]到驅(qū)動鏈路固有的傳輸延時，所產(chǎn)生的總延時是難以接受的。因此，過流、過壓保護功能需要放在模擬電路側(cè)。

   對于電流的測量，通常需要一個低失調(diào)、高線性度、高共模抑制比的差分放大器。這些要求不受量化數(shù)據(jù)的影響，只能通過高性能模擬電路才能滿足這一嚴格的要求。實際設(shè)計中，無論是否量化數(shù)據(jù)，電流和溫度的監(jiān)測需采用模擬方案。

   不管采用數(shù)字方案還是模擬方案，基準源都是必需的。在數(shù)字系統(tǒng)中，它為ADC提供參考電壓，從某種程度上講這也更傾向于模擬設(shè)計。ADC為數(shù)字輸出，但決定其精度與線性指標的是模擬電路。為此，我們把基準和ADC都放在了表3的左側(cè)。

   顯然，通信電路屬于數(shù)字部分，非易失存儲器用于存儲電源設(shè)置。不管是處理器還是狀態(tài)機，都是數(shù)字方案的控制核心。DAC包含大部分模擬電路，但是，考慮到數(shù)字電路在DAC中的重要地位，我們將其置于表格右側(cè)。

   另外一項有價值的數(shù)字技術(shù)是低速控制回路，可以進一步提高系統(tǒng)模擬輸出的精度。該任務(wù)不可能由模擬電路實現(xiàn)，而是依靠高性能ADC精確、復(fù)雜的校準過程來實現(xiàn)，由此我們可以看到一個真正的混合信號處理架構(gòu)，是精密的模擬電路與靈活的數(shù)字電路的有機結(jié)合。這種機制中所需要的ADC與數(shù)字PWM中的ADC不同。PWM ADC要求擁有高分辨率和速率，而ADC不可能在同時擁有高速、高精度的同時保持低成本?？偟膩碚f，PWM ADC必須采用閃電式ADC提供必要的速率，而這種ADC拓撲在分辨率超過8位時就不太實用了，8位ADC與12位ADC相比精度降低了大約16倍，因此，比較可行的方案是選擇12位SAR ADC，能夠以較低的成本提供高精度和合理的轉(zhuǎn)換速率。

   經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換后，用戶可以方便地設(shè)定多個門限檢測過壓、欠壓、過流、高溫等故障。為了在檢測到上述故障時做出快速的響應(yīng)，有必要選擇模擬電路，但非常精確的門限檢測則需通過數(shù)字化實現(xiàn)。數(shù)字電路可以為上述檢測設(shè)定多種門限，并可以用不同方法實現(xiàn)。例如，告警和故障門限可以簡單地用標志位實現(xiàn)，也可以控制關(guān)閉輸出。

   為大部分現(xiàn)有的模擬PWM架構(gòu)增加數(shù)字功能的一種方法是結(jié)合專用IC，例如Maxim的MAX8688。該IC配合模擬PWM電路，可以實現(xiàn)一系列數(shù)字功能。這種方法有兩個優(yōu)勢：一是所選擇的電源管理器件仍然可以作為主電源輸出；二是所有用于監(jiān)控、跟蹤、裕量設(shè)置、基準設(shè)置的分立電路可以針對一個電源進行設(shè)置，結(jié)合一些附加的邏輯電路，我們的器件提供4×4 TQFN封裝。

   利用檢流電阻、電感或電路板引線的直流電阻可以檢測不同的輸出電壓、電流，從而監(jiān)視電源輸出。通過比較REFIN和反饋信號，直接控制PWM操作和輸出電壓設(shè)置。借助用戶可編程寄存器智能模塊，可以實現(xiàn)軟啟動、啟動延時、關(guān)閉延時、軟關(guān)閉、擺率控制等功能，同時也可以實現(xiàn)過壓、欠壓、過流、高溫保護。

   作為輸出監(jiān)控的附屬產(chǎn)品，裕量與電流分配等簡單功能不增加系統(tǒng)的任何成本。這樣，在考慮整個系統(tǒng)成本的情況下，MAX8688提供了一種簡單而又精準的數(shù)字電源管理方法。