【導(dǎo)讀】數(shù)字電源技術(shù)在經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展之后，取得突破性進(jìn)展。針對當(dāng)前的數(shù)字電源市場就由不同的解決方案，那么，數(shù)字電源意味著什么？數(shù)字電源還將迎來那些挑戰(zhàn)？本文將為你一一解答。
數(shù)字電源的發(fā)展趨勢
10多年前，當(dāng)數(shù)字電源產(chǎn)品第一次出現(xiàn)時，大多數(shù)的電源設(shè)計(jì)工程師都對利用DSP的數(shù)字電源控制器代替模擬的PWM控制器的概念持懷疑態(tài)度，因?yàn)槿藗內(nèi)菀讓?shù)字電源和軟件故障或者是因?yàn)橄到y(tǒng)死機(jī)引起的電源爆炸事故聯(lián)系在一起。在包含了數(shù)字通信和控制復(fù)雜的功率系統(tǒng)所必需的全部功能性產(chǎn)品面世之前，這些基本概念是通過高成本的DSP或者性能有限的FPGA得到驗(yàn)證的。雖然數(shù)字電源技術(shù)已被證實(shí)具有提高功率系統(tǒng)性能的能力，但業(yè)界還不能接受利用數(shù)字技術(shù)處理原來一直通過模擬方式完成的工作。在過去的幾年間，數(shù)字電源技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，市場分析人士以及投資者對其未來增長潛力非常樂觀。
首先，我們要了解一下當(dāng)前數(shù)字電源市場有哪些不同的解決方案，先了解清楚數(shù)字電源究竟意味著什么是很重要的。功率系統(tǒng)監(jiān)視、監(jiān)測、故障檢測和數(shù)據(jù)記錄是“數(shù)字電源管理”的一個重要方面，其可以通過價廉的微控制器、FPGA或者PLD實(shí)現(xiàn)，而時基要求比較低。不過，數(shù)字電源更具有挑戰(zhàn)性的例子是“數(shù)字控制電源”，其中有一個或多個電源控制環(huán)路，以高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和微控制器、狀態(tài)機(jī)或DSP控制算法為基礎(chǔ)。
根據(jù)半導(dǎo)體市場研究機(jī)構(gòu)IMS估計(jì)，全球數(shù)字功率半導(dǎo)體市場將從2012年的27億美元增長到2017年的124億美元。服務(wù)器現(xiàn)在是數(shù)字電源的最大單一市場，預(yù)計(jì)2013年占到整體營業(yè)收入的33%。2012-2017年該領(lǐng)域的復(fù)合年度增長率將達(dá)44.8%。增長最快的數(shù)字電源應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹钦彰鳎A(yù)計(jì)2012至2017年，該領(lǐng)域的復(fù)合年度增長率將達(dá)146%。其中來自LED照明解決方案的使用不斷增長，尤其是需要滿足切相調(diào)光解決方案適合采用數(shù)字電源控制來實(shí)現(xiàn)對不同相位調(diào)光器的兼容性。同時，筆記本與平板電腦中的PFC數(shù)字電源的復(fù)合年度增長將分別達(dá)99%和82%。主要家用電器中數(shù)字電源將增長76%，手機(jī)中數(shù)字電源將增長52%。從中可以看出，未來幾年內(nèi)數(shù)字電源的營收增長勢頭將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過模擬電源。
迄今為止市場上出現(xiàn)的專用數(shù)字控制器中，大多數(shù)是隔離DC/DC和AC/DC功率因數(shù)校正（PFC），它們之所以在市場上獲得更多認(rèn)可的原因，主要是在于最近幾年市場上蓬勃發(fā)展的智能手機(jī)/平板快速充電的需求日益提高，和更加節(jié)能綠色的LED照明替換傳統(tǒng)照明的大勢所趨。此外，市場上對非隔離DC/DC功率轉(zhuǎn)換（例如電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）和POL轉(zhuǎn)換器）的數(shù)字化需求也日益增加。
數(shù)字PFC控制器的功能性要求與POL控制器截然不同。PFC穩(wěn)壓器對于負(fù)載調(diào)節(jié)精度要求較低，而且工作在更低的開關(guān)頻率和更低的控制環(huán)路帶寬下，容易帶來量化誤差以及ADC分辨率下降等設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。此外，PFC控制器存在獨(dú)特的設(shè)計(jì)問題，需要豐富的系統(tǒng)知識和經(jīng)驗(yàn)。AC/DC電源一般需要能夠降低諧波失真和開關(guān)穩(wěn)壓所產(chǎn)生噪聲的電磁干擾（EMI）濾波器。數(shù)字PFC穩(wěn)壓器可以整合功能以降低對EMI濾波器的要求，可以使得EMI濾波器更小更高效。根據(jù)所采用的控制算法和工作模式（比如不連續(xù)傳導(dǎo)模式、連續(xù)傳導(dǎo)模式或者邊界傳導(dǎo)模式）的不同，模擬PFC控制器可以分為好幾類。每一種PFC工作模式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在不同功率級更為顯著。數(shù)字PFC控制器可以被分配在任一種PFC控制模式下。
不論是對PFC應(yīng)用，還是POL應(yīng)用，一個可以配置在許多OEM（原始設(shè)備制造商）產(chǎn)品平臺上的控制器有助于加快開發(fā)速度，并減少需維護(hù)的元件庫存，以提高更高的價值。
數(shù)字電源更適合于更大功率的應(yīng)用，因?yàn)檫@類應(yīng)用需要一個或多個PFC（功率因數(shù)校正）穩(wěn)壓器、多個隔離和非隔離的電源軌，以及復(fù)雜的冷卻溫度曲線。服務(wù)器電源系統(tǒng)就是數(shù)字控制和電源管理在分布式電源架構(gòu)中提供性能和效率優(yōu)勢的實(shí)例之一。隨著越來越多的數(shù)字電源進(jìn)入到服務(wù)器和計(jì)算功率領(lǐng)域，其他大功率DPA（分布式電源架構(gòu)）系統(tǒng)（比如用于電信和數(shù)據(jù)通信的DPA系統(tǒng)）開始采用數(shù)字電源解決方案。
POL轉(zhuǎn)換器一般為低電壓、大電流數(shù)字負(fù)載（如FPGA、微處理器、DSP及其他具有極高動態(tài)特性的數(shù)字電路）提供電壓。保持電壓在1V左右的精確調(diào)節(jié)，同時利用純模擬控制技術(shù)來滿足近200A/ns的負(fù)載瞬態(tài)要求變得越來越困難。有些數(shù)字控制器能夠提供在同類模擬IC中難以實(shí)現(xiàn)的功能，例如非線性控制。事實(shí)上，幾乎所有的POL數(shù)字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬態(tài)響應(yīng)的控制技術(shù)。這些專用控制算法構(gòu)成了傳統(tǒng)模擬電源公司進(jìn)入數(shù)字電源開發(fā)的門檻。Altera的電源事業(yè)部在去年成功收購創(chuàng)新電源公司Enpirion的基礎(chǔ)上，成功于今年12月在市場上推出一系列高性能的全集成數(shù)字電源解決方案。其中，EM1130內(nèi)部采用數(shù)字內(nèi)核實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路，可以滿足極為嚴(yán)苛的瞬態(tài)要求，實(shí)現(xiàn)極低的紋波電壓（5mV峰峰值），以及在輸出電壓范圍（0.6V~1.5V）實(shí)現(xiàn)極高的精確穩(wěn)壓±0.5%。同時可以支持PMBus通信接口，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確的電流、電壓和溫度監(jiān)控。
不論是模擬還是數(shù)字方案，為市場應(yīng)用開發(fā)的電源對于成本特別敏感。在對數(shù)字和模擬電源解決方案兩者的成本進(jìn)行比較時，必須從系統(tǒng)整體角度出發(fā)，包括設(shè)計(jì)成本、工藝開發(fā)、測試、驗(yàn)證、制造、庫存控制、外圍元器件節(jié)省以及可靠性導(dǎo)致的維護(hù)成本等。
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數(shù)字控制比模擬控制具有某些更好的性能、設(shè)計(jì)更靈活且在復(fù)雜的設(shè)計(jì)中更容易上手使用。如下總結(jié)的六個方面的性能決定了模擬電源被數(shù)字電源取代的主要原因。
(1)瞬態(tài)響應(yīng)：控制機(jī)制極大影響了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。例如，與電流模式相比，磁滯控制器的瞬態(tài)響應(yīng)會有很大不同。每種控制模式都既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。數(shù)字解決方案能無縫地從一種模式轉(zhuǎn)換到另一種模式，從而提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應(yīng)。
(2)效率：許多應(yīng)用條件都會影響到效率，包括死區(qū)時間、開關(guān)頻率、柵極驅(qū)動等級、二極管仿真和相移等。針對這些因素，當(dāng)前數(shù)字控制所提供的數(shù)字控制算法在整個工作條件范圍內(nèi)進(jìn)行了優(yōu)化。因此，在某個工作點(diǎn)下，也許能將模擬控制器調(diào)整到很高的效率，但數(shù)字控制器卻可對所有的工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。
(3)調(diào)節(jié)精度：一般來說，調(diào)節(jié)精度是根據(jù)線電壓、負(fù)載和溫度來定義的，因?yàn)檫@些條件中的每一個都會影響調(diào)節(jié)精度。數(shù)字控制器可以監(jiān)視這些條件，并采取控制措施，在整個工作條件范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化。
(4)穩(wěn)定性：數(shù)字控制能夠提供比模擬方案更好的補(bǔ)償（更好地調(diào)用極點(diǎn)和零點(diǎn)），因此在穩(wěn)定性上的控制要好很多。另外，補(bǔ)償能夠隨著條件的變化而變化，使系統(tǒng)能在很寬范圍的條件下實(shí)現(xiàn)最佳的穩(wěn)定性。模擬控制器的補(bǔ)償是固定的，而數(shù)字控制可提供可調(diào)的甚至是自適應(yīng)的補(bǔ)償。
(5)故障響應(yīng)：數(shù)字電源控制器提供了大量故障響應(yīng)的選項(xiàng)。每種故障都有唯一的響應(yīng)特性，可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行調(diào)整。模擬控制器一般只有一個固定的故障響應(yīng)（如斷電/斷續(xù)/過載），用戶也只能選擇用或者不用。數(shù)字控制還能提供濾波器功能，降低虛假故障的可能。
(6)可靠性：減少元件數(shù)量和降低工作溫度（通過效率優(yōu)化）是數(shù)字電源提高系統(tǒng)可靠性的兩個途徑。此外，靈活的故障響應(yīng)和探測元器件參數(shù)微小變化的能力，可以大幅減少停機(jī)時間。
如今，數(shù)字電源在市場上的普及正在加快。以通信基站系統(tǒng)舉例，如果能夠監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)，則可更好地管理系統(tǒng)性能，進(jìn)而提高系統(tǒng)可靠性。基帶單元必須具備強(qiáng)大的信號處理能力，以處理大量數(shù)據(jù)和語音流量。上電/斷電期間，多路不同電流/電壓的電源必須按照正確的順序開啟/關(guān)閉。需要對基帶工作過程中的電流和溫度進(jìn)行監(jiān)測，以確保系統(tǒng)工作在容限范圍內(nèi)，并在必要時提供報警或故障指示信號。另外，遠(yuǎn)端控制功能和先進(jìn)的故障管理功能能夠確保基站實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。
如果采用模擬方案，這些功能將需要多個器件和電源管理的支持。而數(shù)字方案則可降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，只需獨(dú)立的電源管理芯片。基站電源往往要求非常復(fù)雜的電源管理控制器，每項(xiàng)功能需要多個分立元件配合。設(shè)計(jì)方案的總電路板面積和復(fù)雜度也相應(yīng)增長。另外，由于基站工作在極端溫度條件下，設(shè)計(jì)方案必須在較寬的工作溫度范圍內(nèi)保持可靠。對于傳統(tǒng)的模擬電源方案，只能在單一工作條件下設(shè)置補(bǔ)償，而又必須解決寬工作范圍問題。同時，無源器件（例如電感和電容）的差異也加劇了電源補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜度。
數(shù)字電源可作為更好的替代方案，數(shù)字架構(gòu)中能夠?qū)崿F(xiàn)自動補(bǔ)償，并有利于優(yōu)化帶寬。更大頻寬的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)有助于改善系統(tǒng)容限或省掉輸出電容，從而縮小系統(tǒng)尺寸。此外，由于無源器件參數(shù)隨著溫度的變化而發(fā)生變化，自動補(bǔ)償功能能夠自適應(yīng)調(diào)整，適應(yīng)條件的變化，從而在整個溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。
在提高效率方面，數(shù)字電源的作用也非常大。在正確實(shí)現(xiàn)時，數(shù)字控制有可能通過占空比優(yōu)化和自適應(yīng)直通控制，在滿足瞬態(tài)要求的同時，實(shí)現(xiàn)更低的開關(guān)頻率、關(guān)鍵時序的實(shí)時適應(yīng)（比如同步整流或者諧振死區(qū)時間）、切相以及根據(jù)負(fù)載電流變換工作模式等等，在一定程度上提高效率。由于系統(tǒng)功率根據(jù)負(fù)載要求進(jìn)行更有效的管理，故數(shù)字控制能夠提高總體效率。這里，不得不再次提到EM1130和Altera的Gen10 FPGA合作降低系統(tǒng)靜態(tài)功耗的成功案例。通過SmartVID雙向通信接口應(yīng)用，EM1130可以幫助Arria10的靜態(tài)功耗顯著降低——通過實(shí)際測試，可以幫助A10的靜態(tài)功耗降低多達(dá)40%，且不會影響FPGA本身的工作性能表現(xiàn)。這個產(chǎn)品將極大地幫助Altera及其他PFGA/ASIC廠家實(shí)現(xiàn)高性能和低功耗的顯著設(shè)計(jì)目標(biāo)。
圖 FPGA供電解決方案的未來發(fā)展趨勢
任何數(shù)字功率控制器獲得成功的基本要求之一是可行的，易于使用的圖形用戶界面（GUI）。許多功率設(shè)計(jì)工程師都很快認(rèn)同需要數(shù)字控制器來提供全面的設(shè)計(jì)靈活性。通過可編程命令來實(shí)現(xiàn)靈活性，需要對軟件層、劃分、保護(hù)功能和命令分組進(jìn)行謹(jǐn)慎周密的考慮。GUI必需直觀，操作簡單自然，最為重要的是，必須全天候工作。電源行業(yè)開始逐步向數(shù)字電源轉(zhuǎn)變。模擬控制器內(nèi)存在著組合邏輯、時鐘、計(jì)數(shù)器和定時器等數(shù)字內(nèi)容。隨著混合信號設(shè)計(jì)流程不斷進(jìn)步，這有望大大提高數(shù)字和模擬元件之間關(guān)系的優(yōu)化程度。根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的復(fù)雜情況，某些功能可能最好采用數(shù)字處理。而另一些功能更適合于模擬領(lǐng)域。大多數(shù)認(rèn)識到數(shù)字電源價值的資深電源設(shè)計(jì)人員都將相應(yīng)更新自己的設(shè)計(jì)技能，不管對采用時間點(diǎn)的看法如何不同，有一點(diǎn)是確定的：數(shù)字電源乃大勢所趨。
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