大势所趋的数字电源设计方式

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前言：早在十几年前，诸如德州仪器、Microchip等公司就已经在传统的模拟电源设计中，混入了数字化的零件，现今信息产品在要求上要有更小的体积、更低的成本以及更高的可靠性即可控制能力，传统的模拟供电架构已经明显不敷这方面的应用。

        电源技术发展趋势

        图说：交换式电源转换系统。（资料来源：交通大学）

        信息产业往更小的制程发展，期望能为功耗问题带来正面的解决方式，然而芯片整合的功能越来越多，速度越来越快，新制程所带来的往往是更高的耗电与发热。然而新一代的信息产品不是在外型上，便是在体积上大做文章，信息产品体积缩小有几个好处，首先便是在大范围应用方面，比如说企业机房内部，当服务器的体积能够有效缩小，便能够在同样的单位面积之内，安装更多的设备，并且提供更多的服务，换句话说，设备体积越小，企业便可以用更小的机房面积来取得同等的菜单现。只是设备体积的微缩，相对而言，电源供应系统也必须配合微缩，而且所能供给的电力负载还必须能维持甚至超越过去的水平，这对电源设计厂商来说是相当严苛的挑战。

        ■数字电源设计有助缩小设备体积与增强管理能力

        图说：数字与模拟回路比较。（资料来源：交通大学）

        虽然机器的体积缩小了，但是随着效能与功能的增加，这些相对小的设备在功耗方面却不会有丝毫的减少，为了满足这些设备的供电需求，而又要能将电源供应模块塞进这些轻薄的机壳内，除了藉助绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、功率场效应晶体管（MOSFET）、智能IGBT功率模块（IPM）、MOS栅控晶闸管（MCT）、静电感应晶体管（SIT）、超过恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型磁材料和变压器、EMI滤波器等高效能组件以外，数字化PWM以及全数字化控制也都能够有助于缩减电源供应模块所占的体积。

        数字电源就是采用数字接口具有可程序化（programmable）的电源转换器，数字接口（digital interface）与可程序化是数字电源的重要特征，也是其简化产品应用的重要利基。控制器的实现可以模拟电路方式或数字电路方式，数字电源系指采用数字控制方式实现交换式电源供应器的控制回路与接口。与此相较，传统的交换式电源供应器主要采用模拟控制方式实现其控制回路与接口。

        一般而言，采用全数字化控制技术，可以有效缩小电源体积，降低成本，并且提升设备的可靠性和对使用者的适应性。整个电源的讯号取样、处理、控制（包括电压电流等环节）、通讯等均采用DSP技术，可以获得一致的稳定的控制参数。

        数字化电源控制可以采用更加灵活的方式，比如说电源供应器可以在各种电压、温度下动态调整并最佳化电源的输出，如降额保护、PFC数字控制谐波。利用DSP技术可以实现更简单稳定的通讯和均流，并且获得良好的EMC控制。数字组件可提供的智能化程度更高，因此诸如灵活的LED警示组合，自我监控能力以及远程通讯机制都可以轻易达成。数字化设计也可以有效减少组件使用数量并提高模块化的程度、以及提高功率密度。消除模拟控制技术的组件离散性和温度飘移，保证每个模块均达到最优指针，提高电源可靠性。模块智能化程度更高，易于使用维护。

        ■手持式装置电源管理趋向高度整合与数字化设计

        而在手持式装置上，对于电源管理的机制更是不断的进步。原本手持式装置所主打的行动便利性，却逐渐被多功能、高效能导向口号所取代，在电池技术未得到突破性的发展之前，只能诉求更有效率的电源管理方式。

        图说：2G与3G手机的功耗分布比较。（资料来源：Planet Analog）

        目前主流的行动装置通常都会整合视讯、音效、照相／录像、档案储存／编辑等多种功能，比如PMP，能够完成音效与视讯播放、录像和档案储存等工作，手机能够拍照、听音乐甚至利用无线模块进行上网动作。这些不同的功能通常都是透过相对应的组件来达成，然而这些组件需要不同的电压供应才能正常动作，而且要求电压质量稳定可靠、干净、高效能，这也是设计电源管理所面临的挑战。在这些日趋复杂化电源管理系统中，1款产品可能会同时需要5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、0.9V和0.7V等多种电压供给，如何有效地管理多种电压，并且使之互不干扰，是电源设计中正面临的一个难题。

        以目前的发展而言，电源系统单芯片（power-system-on-a-chip）的整合是整个行动应用，甚至是产业界的长期趋势，理所当然，手持式行动装置的的电源供应设计也是遵循这个趋势，并且朝向更高阶的芯片整合度发展。

        过去行动装置的电源系统是由许多零散的模拟零件所组成，但是在新近的产品已经看不到这样的过时设计。原先行动装置电源供应模块在功能方面的设计趋势，主要是整合并尽量缩小这些离散模拟电源零件的体积，之后则是把这些零件整合至1颗或少数几颗电源管理组件中。而这些电源零件开始加入越来越多的功能和智能管理能力，在应用范围方面也逐渐普及到其它领域，并且进入各种不同类型的行动装置的设计之中（比如说GPS、掌上型游乐器、PMP、行动电视等产品）。

        芯片整合的理由对于整个电子产业都相同：把更多功能整合至更少零件后，产品成本即可大幅下降，因为制造这些产品所需的组件数目和电路板面积都会减少、产品的组装和制造程序会更简单，藉此可达到更高的系统可靠性并能大幅缩短测试时间。此外，更高的芯片整合度也能提高研发流程的效率，从而缩短制造商的新产品上市时间，对于提升产品竞争力而言有着莫大的帮助。

        数字交换式电源的设计方式

        一般实现交换式电源的数字控制主要有以下两种方法：

        第一种：单芯片控制器通过外接A/D转换芯片进行取样，取样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果通过数字／模拟（D/A） 转换后传送到PWM芯片中，从而达到单芯片控制器对交换式电源的电源间接控制。这种方法的技术目前已经比较成熟，设计方法容易掌握，而且对单芯片控制器的要求不高，成本比较低。但是控制电路由于要用多个芯片，电路比较复杂；而经过A/D和D/A转换等步骤，会造成比较大的讯号延迟，这些延迟势必影响电源的动态性能和稳压精准度。有些单芯片控制器整合了 PWM输出，但交换式电源往高频化发展，一般单芯片控制器的频率频率有限，产生的PWM输出频率与精确度成反比，因此无法产生足够频率和精准度的PWM输出讯号。

        图说：PWM的结构区块图。（资料来源：www.spaennare.se）

        第二种：透过高性能数字芯片如DSP对电源实现直接控制，数字芯片完成讯号取样AD转换和PWM输出等工作，由于输出的数字PWM讯号功率不足以驱动开关管，需通过一个驱动芯片进行开关管的驱动。这样就可以简化控制电路的设计，由于而这些芯片有比较高的取样速度（TMS320LF2407内部的10位AD转换器完成 一次AD转换只需500ns的转换时间，相较之下，最快的8位单芯片控制器也要数微秒之久）和运算速度，可以快速有效的实现各种复杂的控制算法，实现对电源系统的有效控制，这样的设计具备较高的动态性能和稳压精度。不过DSP芯片结构复杂，成本比较高；而且DSP控制技术比较难以掌握，对设计者要求比较高，在主流交换式电源领域中难以广泛应用。虽然 DSP技术已经在交换式电源中开始应用，但目前主要仍局限在对电源性能要求较高的而且价格比较昂贵的应用领域上。

        电源控制数字化之后所需面对的问题

        数字控制的交换式电源不可避免地存在以下问题：A/D（模拟／数字）转换器的速度和精度成反比。为了保证交换式电源有较高的稳压精度，A/D转换器必需要有比较高精度的取样，但高精度的取样频率需要的更长的A/D转换时间。作为反馈回路的一部分，A/D转换时间过长必然造成额外的相位延迟时间。除了和模拟控制存在的相位延迟，转换过程的延迟时间必然也会造成额外的等待循环，造成回路的实时反应能力变差。

        和模拟芯片用RC（电阻电容）补偿进行PI调节（PI regulator）的方法一样，在控制回路中用引入PI调节的方法以提高控制回路的实时反应能力，这种做法需要占用数字芯片较大的系统资源，因为数字控制和模拟控制不同，讯号取样不是连续不断的，而是规则离散的，两次取样之间会有一段间隔时间，这段时间的值是无法取得的。为了要达到精确的控制，每次取样之间的时间间隔不能太长，即取样频率不能太低。作为数字芯片，每次AD转换结束后，得到的结果都会被送到系统的中央处理器，然后由处理器对取样的值进行运算和PI调节。

        在取样频率比较高的时候，这种做法相当耗费系统运算资源，因此对数字芯片的效能要求也比较高。专门用于电源控制的数字芯片并不算多，虽然在要求比较高的场合一般都会用DSP芯片，其运算和取样速度快，功能强大，但价格比较昂贵。而且通用DSP芯片不是专门的做为电源控制芯片使用，一般的电源应用对其芯片资源的利用率不高，在某些状况之下，采用DSP芯片做为电源数字控制的核心是一种浪费。

        应用在电源设计的DSP与MCU架构之争

        目前在数字电源领域占有龙头地位的非属德州仪器以及Microchip这两家半导体公司，然而单纯MCU或者是单纯的DSP架构，在应用上都有其缺憾之处，因此两家半导体业者都不约而同的朝向结合MCU与DSP的架构来进行数字电源设计，DSP拥有强大的数字计算处理能力，MCU则是对周边拥有强大的控制能力，对于设计可以面面俱到的数字控制电源而言，两者不可偏废。

        图说：Microchip公司的DSC产品。（资料来源：Microchip）

        虽然如此，两家业者还是认为各自专长领域中可占有较佳的优势，德州仪器自然是以DSP做为主角，极力强调强大计算能力所能带来的实时反应能力与控制精确度，而DSP的可程序化能力对系统的架构、可移植性以及可维护能力有着绝佳的表现；Microchip公司则是强调一般客户并不需要太过强大的DSP计算能力，复杂的可程序化设计只会拉长产品开发时程，该公司所提供的DSC（Digital Signal Controller）架构，将MCU与DSP成功整合，不仅在指令流成功单纯化，透过标准的C语言编译器，更能够有效缩短产品的设计时程。

        电源供应器的模拟组件可以完全被取代？　倒也未必！

        许多激进的厂商宣称，利用数字组件与电路，可以完全取代掉交换式稳压器中的模拟组件，藉此可以大幅简化交换式稳压器的设计，并且有助于整个供电系统的稳定，但是电源本身就物理定律而言，是属于模拟的范畴，就算是利用ADC（模拟／数字转换器）或DSP来取代误差放大器与脉冲宽度调变的数字交换式稳压器，也依旧需要电压基准、电流检测电路／开关以及FET驱动器，这些组件只存在于模拟形式，而且被普遍应用于各种类的交换式稳压器中，无法被取代。即使是ADC组件本身也是如此，ADC基本上要比较偏向于模拟多一点。

        模拟设计向来被比做为艺术，很多时候，模拟组件的调整与整体架构设计总要依靠设计者的经验与手腕才能调配出完美的比例，就好比是一名厨师，在做菜时对火侯的掌控必须依靠长久的经验，才能烹调出一道色香味俱全的料理。虽然模拟电路架构单纯，但往往在布局上都是牵一发而动全身，既然电源供应器无法抛弃模拟组件的包袱，在模拟技术上就更需要进一步的研究与发展，毕竟大多数的半导体公司都仅在数字领域称霸，对于模拟架构却都往往流于一知半解。以台湾为例，台湾虽然是IC设计的大宗，但是对于模拟制程却甚少有着墨，虽然市场上数字IC可以找到非常丰富的解决方案，但是在模拟方案上，却只能向国外厂商寻求。

        追求纯数字电源目前仍遥不可及　数字与模拟合理的搭配设计才是正途

        数字电源在近几年来引起了相当广泛的讨论，但是业界一般对于这个产业的看法并不一致。虽然行动装置对于电源管理所提出的严苛需求让数字电源得以大展身手，但是传统的模拟电源方案在经过数十年的发展，在大多数的应用领域中依然独占鳌头，即便模拟方案在某些方面较为弱势，比如控制回路组件数目、系统稳定性、灵活的可配置能力以及通讯能力等等，但是电源厂商也逐渐朝向不同的设计思维，并且开始加入数字组件或设计方式，以期突破传统的模拟电源设计藩篱。

        传统模拟电源简单易用，虽然可变更的参数不多，但是单纯是其最大的优点。而在较高阶的应用中，系统管理者可以需要额外的控制功能来监控电源供应器的状态，这些状态可能包含了温度、输出入电流、输出入电压等等，并且依据系统管理者的设定，定期向中央控制系统回报。除此之外，一些如ID标记、故障状态讯息、时间标记等等都可以储存在微控制器上的闪存或其它非易失性储存架构中，并且在指定的时间回报这些讯息。这些设计需要具备大量的整合数字电路，通常可能较常在高阶服务器中见到这些数字电源供应器，在一般平价消费性产品中，就不需要用到这些额外的控制功能。