電源與電源管理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

 
Mansour Izadinia
Maxim公司副總裁

未來(lái)的DC-DC轉(zhuǎn)換器采用何種技術(shù)—模擬還是數(shù)字？

　　未來(lái)的電源管理系統(tǒng)對(duì)效率和可靠性的要求越來(lái)越高，電源管理產(chǎn)品的設(shè)計(jì)專(zhuān)家就如何提高系統(tǒng)效率和可靠性的問(wèn)題產(chǎn)生了許多爭(zhēng)議。許多專(zhuān)家提議借助數(shù)字系統(tǒng)改善效率和可靠性。這無(wú)疑對(duì)傳統(tǒng)的模擬方案提出了挑戰(zhàn)，模擬設(shè)計(jì)人員為了維護(hù)模擬設(shè)計(jì)的地位也提出了不同的觀點(diǎn)。我們相信在數(shù)字DC-DC轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展成熟之前，有關(guān)數(shù)字和模擬DC-DC轉(zhuǎn)換器的爭(zhēng)議還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

　　了解數(shù)字電源管理不可混淆的兩個(gè)方面非常重要，一方面是數(shù)字電源管理技術(shù)，另一方面是輸出電壓調(diào)節(jié)反饋環(huán)路的離散時(shí)間控制。許多設(shè)計(jì)人員沒(méi)有分清這兩方面的問(wèn)題，因而也混淆了真正的“數(shù)字電源”的含義。我們認(rèn)為一個(gè)“數(shù)字電源”系統(tǒng)可以利用傳統(tǒng)的模擬架構(gòu)實(shí)現(xiàn)主調(diào)節(jié)環(huán)路。典型的數(shù)字電源系統(tǒng)具有一個(gè)系統(tǒng)控制器和一個(gè)或多個(gè)帶有通信接口(例如PMBusTM)的器件，通信接口有三個(gè)作用：首先可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PMBus器件的監(jiān)測(cè)，通過(guò)檢測(cè)輸出電壓、輸出電流、溫度等參數(shù)獲得有助于系統(tǒng)管理的信息，最終達(dá)到器件控制的目的。系統(tǒng)控制是數(shù)字電源的第二個(gè)主要功能。第三個(gè)主要功能是系統(tǒng)配置，系統(tǒng)配置主要發(fā)生在上電或系統(tǒng)裝載時(shí)。系統(tǒng)配置有多種不同目的，例如：Intel VRM規(guī)范要求通過(guò)配置VRM獲得為Intel CPU供電的精確輸出電壓。在PWM控制器中一般通過(guò)引腳設(shè)置達(dá)到這一目的，Intel要求通過(guò)不同的電源配置改善CPU的工作速率?？偠灾娫垂芾硐到y(tǒng)為我們提供了三個(gè)功能：監(jiān)測(cè)、控制和配置。當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)這三個(gè)功能，我們還需要連接系統(tǒng)和器件的串口或并口。

　　推動(dòng)數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換器的動(dòng)力由多種因素，最主要的一個(gè)因素是：能夠?qū)崿F(xiàn)更有效的電源管理，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)工作模式進(jìn)行高層管理達(dá)到提高系統(tǒng)效率目標(biāo)。例如，在服務(wù)器中按照數(shù)據(jù)吞吐量控制DC-DC的工作模式 ，絕大多數(shù)大電流服務(wù)器電源采用多相架構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)工作在輕載時(shí)，可以關(guān)閉一相或多相DC-DC轉(zhuǎn)換器，從而改善系統(tǒng)在輕載條件下的工作效率。在交換機(jī)/路由器，系統(tǒng)控制器可能只需要改變DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作模式，動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)時(shí)鐘，從而達(dá)到降低ASIC及其他相關(guān)電路功耗的目的。另外一個(gè)更有效的電源管理途徑是動(dòng)態(tài)控制DC-DC開(kāi)關(guān)頻率或輸出電壓。例如：為了降低系統(tǒng)在大電流條件下的功耗，系統(tǒng)控制器可以降低輸出電壓。Intel的VRM規(guī)范既是一個(gè)成功的應(yīng)用范例。

　　但是，構(gòu)建最佳的數(shù)字DC-DC轉(zhuǎn)換器，其性能受限于模擬電路，例如：電壓基準(zhǔn)或A/D轉(zhuǎn)換器。

　　高速數(shù)字PWM的定時(shí)問(wèn)題實(shí)際上是其內(nèi)核電路的模擬問(wèn)題，可以通過(guò)數(shù)字和模擬方案的相互配合解決這一問(wèn)題。基于這一考慮，若干年內(nèi)，DC-DC轉(zhuǎn)換器將是一個(gè)模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的混合架構(gòu)。

　　設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)具體設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇最適合的方案，關(guān)于采用數(shù)字技術(shù)還是模擬技術(shù)的爭(zhēng)議最終取決于對(duì)性能和成本的合理折衷。■

 
Madhu Rayabhari
Microsemi，VP of Business Development

幾個(gè)有關(guān)電源和電源管理方面的關(guān)鍵技術(shù)動(dòng)向：

　　.　趨向于獲得更高的效率；
　　.　趨向于減小尺寸和降低重量；
　　.　具有更低的待機(jī)功率容量；
　　.　綠色的電源；
　　.　遵守制訂的規(guī)章；
　　.　趨向于數(shù)字化控制的電源和電源管理集成電路 。

　　全世界各地的人對(duì)功率的需求在不斷地增加。而功率的產(chǎn)生和分配并沒(méi)有跟上這個(gè)需求。因此，能夠提高電源的效率，并使之具有更低待機(jī)功率的電源和電源管理集成電路逐漸成為起決定性作用的關(guān)鍵產(chǎn)品。

　　建立綠色系統(tǒng)的潮流也影響到了電源和電源管理集成電路產(chǎn)品。綠色的系統(tǒng)消耗更少的功率，并且不使用危害環(huán)境的材料。一些這樣的要求是通過(guò)立法來(lái)規(guī)定的。因此，對(duì)于電源的設(shè)計(jì)者而言，遵守制訂的規(guī)章也是起決定性的關(guān)鍵。另外，按照諸如WEEE對(duì)環(huán)境考慮的要求，計(jì)劃要減少電子廢棄物，也會(huì)影響到設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)和制作新的電源集成電路產(chǎn)品的理念和方式方法。

　　智能化電源管理集成電路提供了包括數(shù)字控制和監(jiān)測(cè)功能在內(nèi)的顯著提高，因而能夠完成上述的其他目標(biāo)。事實(shí)上，由于集成電路所具有的數(shù)字能力，所以能夠執(zhí)行效率非常高的控制方法；既監(jiān)測(cè)正在運(yùn)行的功率消耗，又監(jiān)測(cè)待機(jī)的功率消耗；還能自適應(yīng)的調(diào)整電源的工作， 以獲得非常好的效率。另外，數(shù)字性能使得電源能夠達(dá)到一個(gè)很高的集成度，因而潛在地致使系統(tǒng)成本下降。這也有可能致使系統(tǒng)減輕重量。

　　降低和減小電源的重量和尺寸是從以下幾個(gè)方面來(lái)著手進(jìn)行的。采用工作頻率較高的技術(shù)能夠減小系統(tǒng)中無(wú)源元件的尺寸，從而降低重量和減小尺寸，而且還去除了某些原來(lái)需要使用的無(wú)源元件。

　　Microsemi是一個(gè)領(lǐng)先的集成電路和分立器件的供應(yīng)商, 其產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)是電源的管理和實(shí)現(xiàn)。
 
　　我們?cè)诜至⑵骷糠肿钚峦瞥龅漠a(chǎn)品是Power MOS 8TM。與上一代的器件相比較，該新系列的高速、高電壓N-溝道開(kāi)關(guān)模式功率晶體管能夠給設(shè)計(jì)者提供的好處是更低的EMI 和更低的成本。而這個(gè)新系列的成員 --  MOSFET/FREDFET對(duì)典型額定值 500W以上的、高頻率、高電壓應(yīng)用中的硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)都做了優(yōu)化。FREDFET具有一個(gè)快恢復(fù)體二極管的特性，可用在 ZVS電路中，提供高的抗換向dv/dt 的能力和高的可靠性。

　　近來(lái)，Microsemi推出的其他重要產(chǎn)品是業(yè)界第一個(gè)為以太網(wǎng)應(yīng)用供電的多端口PSE 控制器，該控制器符合IEEE802.3at 標(biāo)準(zhǔn)的1.0版本草案的要求。PD69012 和PD69008控制器給設(shè)計(jì)者提供一個(gè)水平非常高的數(shù)字控制和電源管理，因而使用以太網(wǎng)電纜的基本設(shè)施就能夠得到非常高效率的功率使用和分配 。

　　由于認(rèn)識(shí)到在諸如數(shù)字圖像框、小型和便攜式DVD播放器等應(yīng)用中，能夠高效率地為使用冷陰極熒光燈的小形狀因子顯示器提供背光照明的電路的需求，Microsemi推出LX6512，它給設(shè)計(jì)者提供一個(gè)多種拓?fù)涞倪x擇，以及較低的BOM成本，這是該類(lèi)價(jià)格敏感應(yīng)用的關(guān)鍵所在。
 
　　另外，還認(rèn)識(shí)到業(yè)界采用LED背光照明的發(fā)展趨勢(shì)，最近又推出了相當(dāng)重要的LX1996和DAZL 系列控制器，給設(shè)計(jì)者提供 許多性能，以實(shí)現(xiàn)高能效的、高性能的LED背光照明。LX1996實(shí)現(xiàn)使用白色LED的背光照明，DAZL給使用者提供用于RGB LED背光照明的非常先進(jìn)的數(shù)字處理能力。采用LED作為背光照明源可以免除使用通常用于熒光燈的汞。

新的應(yīng)用

1.不斷上升的金屬銅的價(jià)格將會(huì)驅(qū)使開(kāi)關(guān)頻率的增加，以及新拓?fù)浜陀性礊V波器技術(shù)的出現(xiàn)。

2.通常，新拓?fù)涞拈_(kāi)發(fā)將提高效率。但是，它們也許會(huì)更復(fù)雜，尤其是它們的控制電路。更多增加的效率將是開(kāi)發(fā)所需求的控制和可能的新控制器芯片的驅(qū)動(dòng)力。

　　在直接變頻器中，采用背-背晶體管來(lái)阻斷和開(kāi)導(dǎo)兩極，不再需要一個(gè)整流的步驟。
　　三電平變換器使得原先拓?fù)渌枰玫?200V器件可以使用600V的器件。
　　兩-開(kāi)關(guān)無(wú)橋式電路的功率因數(shù)正器。
       Vienna整流器。
       諧振拓?fù)鋺?yīng)用的擴(kuò)展。

3. 電源和電源管理的新產(chǎn)品有：

      . 太陽(yáng)能逆變器專(zhuān)用功率模塊；
      . 帶有內(nèi)置電流和溫度傳感的功率模塊，用作DC固態(tài)繼電器和電子負(fù)載的預(yù)制構(gòu)件；
      . 諧振模式IGBT Combis，用于相-移諧振全橋電路；
      . 高頻MOSFET用于無(wú)線電通信和其他次千兆赫的大功率應(yīng)用；
      . 線性模式MOSFET用于DC固態(tài)繼電器和電子負(fù)載。