數(shù)字功率管理的優(yōu)勢成為設計人員爭論熱點
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然而，真正需要數(shù)字控制嗎？數(shù)字技術(shù)的擁戴者認為這種趨勢是無可避免的，在經(jīng)驗豐富的模擬工程師缺乏時尤其如此，但模擬陣營卻指出模擬設計成本更低。
“數(shù)字功率管理包括兩種類型：數(shù)字控制功率轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)級數(shù)字功率管理，”美國國家半導體公司便攜式電源系統(tǒng)先進技術(shù)總監(jiān)Ravi Ambatipudi介紹說。他指出，傳統(tǒng)上，功率轉(zhuǎn)換器是和模擬控制環(huán)路以及模擬電路設計在一起的。而“在數(shù)字功率管理的最基本形式中，功率轉(zhuǎn)換器是和完整的數(shù)字控制環(huán)路及數(shù)字電路設計在一起的。除了外部輸出濾波器之外，沒有別的模擬元件，”他解釋道，“系統(tǒng)級數(shù)字功率管理涉及了系統(tǒng)級芯片設計技術(shù)，能夠使用先進功率管理專用接口智能地控制電壓調(diào)節(jié)器。”
ADI主張有兩種方法定義數(shù)字功率控制：一是功率控制器的轉(zhuǎn)換器具有串行總線端口時，或者是由控制環(huán)路本身定義。有些公司(包括ADI)提供的控制器能夠進行完全環(huán)路控制并具有SMBus接口、數(shù)字通信報告和狀態(tài)信息，但有一個以模擬形式被控制的環(huán)路。
既然定義無法達成一致，而且模擬也一直工作良好，那么，究竟是什么在驅(qū)動數(shù)字控制市場呢？
Silicon Laboratories公司市場總監(jiān)Don Alfano 認為：“首先，現(xiàn)在的設備都日趨小巧，功能更加密集。這意味著有更多的電路，或電路數(shù)量相同但運行更快，從而產(chǎn)生更大的電流。由此一來，就存在空間和效率的問題，因為電流加大，器件往往產(chǎn)生過多的熱量。而不斷縮小的工藝尺寸導致了對極精確功率調(diào)節(jié)的需求。”
關(guān)于哪一種方案更好，并沒有定論，Maxim公司業(yè)務經(jīng)理Ahmad Ashrafzadeh指出，復雜系統(tǒng)的需求為考慮和研究數(shù)字方案以進行功率管理做好了鋪墊，這似乎在不久之前還是不可能的。“不幸的是，正如所有新技術(shù)一樣，該技術(shù)也存在著大肆渲染夸張的現(xiàn)象，一旦經(jīng)過它的自然發(fā)展進程穩(wěn)定下來，這種現(xiàn)象即會煙消云散，”他補充說。
“2004年，業(yè)界的嵌入式設計到達一個轉(zhuǎn)折點，即投在功率管理上的時間、金錢和電路板空間比投在功率轉(zhuǎn)換上的還要多，”Zilker Labs公司創(chuàng)始人兼市場副總裁 Jim Templeton表示，“對相關(guān)半導體企業(yè)而言，這成為一個非常有趣的問題。而現(xiàn)在，它是確保集成性的一大重要問題。”
這么做的第一步是把功率轉(zhuǎn)換到數(shù)字領域，以支持結(jié)合功率管理和轉(zhuǎn)換功能所需的邏輯密度。
Templeton表示，在功率環(huán)境中提及數(shù)字技術(shù)唯一有意義的時候是在談論轉(zhuǎn)換環(huán)路(控制功率調(diào)節(jié)的反饋環(huán)路)本身。“數(shù)字功率必須包括功率轉(zhuǎn)換方面。在數(shù)字功率中，必須把信號轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，并在數(shù)字域?qū)﹀e誤信號和補償環(huán)路進行處理，然后再將其輸出到關(guān)閉環(huán)路的PWM中，”他指出。
Primarion公司工程副總裁Steve Pullen則認為，對大多數(shù)功率客戶而言，最棘手的問題只是如何找到時間和資源來開發(fā)能夠解決復雜功率管理問題的解決方案。此外，他補充道：“在選擇功率解決方案時應考慮到的前5個推動因素就是成本、成本、成本、成本和尺寸。”
國半的Ambatipudi認為工程師完成一個數(shù)字功率設計要面臨的4大挑戰(zhàn)是：
1. 把模擬輸出電壓轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。輸出電壓本質(zhì)上是模擬的，要轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字形式，需要高速、高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。
2. 把數(shù)字環(huán)路濾波器的數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制信號，需要用到數(shù)字PWM。要獲得所需的分辨率，需要消耗相當大的功率。數(shù)字PWM的分辨率必須大于輸出電壓A/D的分辨率以避免極限環(huán)振蕩(limit-cycle oscillations)。
3. 只采用數(shù)字技術(shù)很難實現(xiàn)某些控制功能，比如輸入電源電壓前饋(feed-forward)，以及某些系統(tǒng)功能，如限流、振蕩器，電壓電流參考等。
4 .需要雙電壓硅工藝技術(shù)來同時支持面向密集數(shù)字電路的低電壓與面向輸出功率FET或驅(qū)動器的高電壓。
圖1：脈沖寬度調(diào)制是數(shù)字功率控制的關(guān)鍵所在
“便攜式應用中客戶面臨的最大挑戰(zhàn)之一節(jié)省能源，因為他們使用的是電池，”Summit Microelectronics公司應用工程主管Tom DeLurio表示，“他們需要關(guān)斷某些功能并動態(tài)改變電壓以停止電池的消耗。此外，客戶還希望能夠關(guān)斷那些暫不需要的功能的不同供電電壓，并把元件數(shù)目減至最少，以適應外形日益小巧的設備。”
究竟哪一個才是最好的設計，數(shù)字還是模擬？至今，答案很大程度上取決于應用。此外還取決于設計人員在數(shù)字和模擬領域的專業(yè)能力。必需考慮到需要集成的部分有哪些，以及哪些東西涉及到工藝技術(shù)。
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