真正的數(shù)字電源是什么？

　　最近，營銷部門一直在大肆吹噓已在學術(shù)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)?，F(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(shù)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(wù)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(guān)電源控制芯片，它有一個替代線性電源的雙極晶體管。開關(guān)設(shè)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(shè)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(shè)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)。

　　圖5，可以手動設(shè)定Zilker Labs公司ZL6105演示板的補償，但這樣做并非理想的方案 (a)。當你打開自動補償時，可改進設(shè)計的瞬態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定性 (b)。

　　圖6，為提高輕載時的效率，Powervation公司的數(shù)字電源芯片可以去掉一個相。然后，即使在單一相位時，自動補償功能也能維持滿回路帶寬

　　當對一個系統(tǒng)作測試和驗證(以確定能在生命周期內(nèi)正常工作)期間，數(shù)字電源還提供了在一個區(qū)間上余量可變的電源輸出電壓。例如，英飛凌公司旗下Primarion集團提供的PX7510就可通過PMBus(電源管理總線)完成余量設(shè)定和其它操作。思科系統(tǒng)公司DSSG(數(shù)據(jù)中心、交換以及服務(wù)集團)的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)Bob Thomas稱：“余量可以讓我們驗證當輸出電壓超出設(shè)定的極限時，系統(tǒng)的電氣性能與熱性能情況?！?/p>

　　數(shù)字電源的大話

　　有關(guān)數(shù)字電源的夸大言論可追溯到十年前有關(guān)模糊邏輯的爭論。有些人認為，模糊邏輯將取代對模擬控制的需求。不過，看似模糊邏輯只在某些應(yīng)用中優(yōu)于模擬方案，并且，即使在這些應(yīng)用中，也可以用一個PID(比例/積分/微分)控制器完成幾乎所有功能(參考文獻4)。有些推銷者還聲稱，數(shù)字回路的電源可以做自適應(yīng)補償，即具有在快速瞬態(tài)響應(yīng)和低噪聲之間切換的能力。這個特性迫使你去測量噪聲與瞬態(tài)響應(yīng)，然后必須決定何時在兩者間切換。Powervation公司已成功完成了這個工作，但它要花費大量的處理能力。

　　數(shù)字電源專家們還炫耀了“非線性”控制方案，但這些回路卻讓你無法在數(shù)字電源芯片上連接網(wǎng)絡(luò)分析儀。非線性數(shù)字回路并不提供有效的增益與相位響應(yīng)。于是芯片公司轉(zhuǎn)而讓工程師們在時域中評估穩(wěn)定性，聲稱他們應(yīng)給回路施加一個瞬態(tài)條件，并確保振鈴會在一個可接受的時間量內(nèi)消失。不過，有經(jīng)驗的控制系統(tǒng)工程師們都不喜歡非線性控制，而喜歡采用熟悉的增益與相位方法。

　　有些公司稱數(shù)字電源芯片可以在一個多相電源中，保持各相位之間有更緊密的電流匹配。不過，與一個30%失配的模擬電源作比較是不切實際的，并且，沒有一個負責的工程師會把這樣一種設(shè)計送去量產(chǎn)。

　　有些芯片公司還聲稱數(shù)字電源的效率高于模擬電源，但這種說法并不可靠。一只芯片關(guān)閉多相控制器中各個相的能力可表示為一種效率收益。在輕載時，它可提供相當不錯的效率，不過這種能力并非源于數(shù)字PWM回路。任何模擬芯片都可以完成這個功能。開關(guān)電源中的主要損耗是磁、開關(guān)以及銅損耗，一只控制芯片無法影響這些損耗。凌特技術(shù)公司的模擬式LTM4609降-升壓轉(zhuǎn)換模塊可得到98%的效率，幾乎優(yōu)于所有數(shù)字芯片。

　　還有一種有關(guān)效率的說法是，數(shù)字芯片可提供更好的死區(qū)時間控制。換句話說，它們可以驅(qū)動同步與功率FET，因此沒有反向電流。然而，凌特技術(shù)公司擁有一個模擬方法的專利，能確保同步FET永遠不會反向?qū)?，而美國國家半?dǎo)體、Allegro與飛兆公司在多款芯片中采用了模擬的山谷模式(valley-mode)控制，實現(xiàn)了相同的效果。凌特技術(shù)公司工程副總裁兼首席技術(shù)官Bob Dobkin指出：“沒有理由說數(shù)字控制回路有更高的效率。用模擬方式可以做stage-shedding。穿通控制也不是問題了，我們一些較新的電路還有自適應(yīng)穿通控制?！?/p>

　　折衷是不可避免的

　　實際上，一款芯片采用數(shù)字回路還是模擬控制回路并沒有什么關(guān)系。在選擇一種數(shù)字方案時，你只需要關(guān)心要做哪些折衷。例如，數(shù)字電源的靜態(tài)電流較高。盡管德州儀器公司的DSP有很高的功率效率和速度，但它們消耗的功率也大于狀態(tài)機芯片，而遠超過模擬芯片。在吸收的靜態(tài)電流方面，一只離散時間式采樣數(shù)據(jù)的PWM芯片總是高于低功耗模擬PWM芯片。因此，Summit Microelectronics公司以及其它公司便做出了“數(shù)字管理”的模擬電源。這種方案是圍繞模擬PWM區(qū)域，做出手持電子設(shè)備所需要的數(shù)字通信與控制功能。這些是準備用在電池工作設(shè)備上的器件，無法擁有高速ADC/DAC和DSP，因為它們的靜態(tài)電流都在毫安量級。Summit公司營銷與應(yīng)用副總裁Abid Hussain說：“如果我?guī)б粋€靜態(tài)電流大于100 μA的芯片去見一個客戶，我肯定會受到嘲笑的?！?/p>

　　無論怎樣，如果你有了DSP，就可以增加一個軟件模塊，建立一個電源軌。注意DSP必須要引導(dǎo)，因此，如果這時有一個小差錯，則可能損失數(shù)字電源軌，直到器件裝入引導(dǎo)碼，開始運行時。另外，你的DSP最好是確定性的。如果它有太多的循環(huán)和中斷，那么就無法為數(shù)字電源代碼提供服務(wù)，電源軌循環(huán)就不會真正閉合。

　　你會發(fā)現(xiàn)，模擬器件也可以減少器件數(shù)量。例如，Power Integrations公司提供不需要光耦的低成本離線模擬器件，而凌特技術(shù)公司生產(chǎn)的LTC4278和其它模擬器件采用檢測線圈作電壓反饋，而不是光耦。它們未用數(shù)字電源也能提供這些功能，因此不需要一個數(shù)字PWM回路也可以消除負反饋電壓，而用反饋波形的適當部分作反饋控制。你關(guān)心的不應(yīng)該是芯片公司采用了模擬PWM回路還是數(shù)字PWM回路，而應(yīng)注意在沒有光耦情況下，器件是否可以提供嚴密的輸出調(diào)節(jié)。

　　數(shù)字電源芯片的制造還需要更昂貴的遮罩集，有較高的NRE(非重發(fā)性工程)成本。Exar XRP7740數(shù)字電源芯片充分利用了數(shù)字PWM回路的尺寸，提供了價格上可與模擬器件相競爭的低成本芯片。然而，這些芯片的遮罩集要貴得多，因此各家公司銷售這些芯片時都把變動做到最少，哪怕客戶訂量達數(shù)百萬片。片芯的低成本是對高成本精細CMOS遮罩集的一種折衷，因此制造商必須面向大批量應(yīng)用。Cadence公司工程服務(wù)副總裁Time Henricks稱：“總歸是技術(shù)-經(jīng)濟的問題?！彼赋?，在精細CMOS上置入大輸出或大驅(qū)動晶體管幾乎不一種有性價比的方案。一般來說，在廉價CMOS工藝下用較粗的線更有好處(參考文獻5)。另外，很多電源芯片必須工作的電壓都高于細線或?qū)捑€CMOS可以提供的電壓，因此雙極模擬芯片永遠會有其地位。

　　數(shù)字電源擅長于那些需要逐周期補償?shù)膽?yīng)用，但很多公司更愿意采用一種簡單而耐用的模擬設(shè)計，對器件的壽命作適當?shù)难a償。數(shù)字電源自動補償仍然是一個發(fā)展中的技術(shù)。思科公司Thomas稱：“我們有一個傳統(tǒng)電源軌，在布局上有一些寄生電阻和電感。有家公司認為它的芯片可以補償它。當我們對芯片在此應(yīng)用中作評估時，客戶的結(jié)論是，它的自動調(diào)整算法不能實現(xiàn)合理的余量?！蹦M芯片在設(shè)計中工作良好，不過設(shè)計者有意降低了其交叉頻率，以補償由于電路板上機械約束所致的非最優(yōu)布局。

　　如果一家公司要制造輸入輸出電容未知的電源磚，一只能作自動補償?shù)男酒苍S很關(guān)鍵，但設(shè)計者通常是為特定應(yīng)用開發(fā)電源。盡管為一個數(shù)字電源部件的補償作一次性調(diào)節(jié)很不錯，但模擬部件并不要求開發(fā)數(shù)字濾波器的因數(shù)。你只需要修改一個補償電容和電阻，就能改變回路的響應(yīng)。Cadence公司的Henricks評論道：“模擬芯片只有一個基準、一個比較器、一個開關(guān)、一個單極濾波器和一些輸出電路，這種健壯性和簡單性很難被超越。”注意，擾動回路做實時補償?shù)霓k法并非數(shù)字電源域所專有。凌特技術(shù)公司剛發(fā)布了LT4180，它就是一個能夠檢測電源輸出阻抗的新穎模擬器件，還能調(diào)節(jié)供電，補償AC和DC電壓降。

　　模擬芯片也可以做余量調(diào)節(jié)，這種系統(tǒng)功能并不依賴于數(shù)字PWM回路。例如，Maxim公司的MAX16064監(jiān)控與控制芯片可監(jiān)視四個模擬開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器(參考文獻6)，而凌特技術(shù)公司的LTC2978監(jiān)控與控制芯片則可監(jiān)視八個模擬電源轉(zhuǎn)換器(參考文獻7)。

　　簡言之，數(shù)字電源在某些應(yīng)用中有意義，而在其它應(yīng)用中則相反。對一個系統(tǒng)工程師來說這無關(guān)緊要，他們不應(yīng)關(guān)心半導(dǎo)體公司如何去閉合回路。系統(tǒng)工程師都應(yīng)關(guān)注的是芯片工作情況，以及自己需要的功能。系統(tǒng)工程師需要的是價格、供貨，以及數(shù)據(jù)表。數(shù)字電源與模擬電源之爭是教授與IC設(shè)計者的事。你需要的是能在真實世界中解決問題的芯片與功能。除非它確實能滿足你的需求，否則就不應(yīng)該為數(shù)字電源支付額外的費用。