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真正的数字电源是什么?

2017-05-12 10:37:16

[导读] 最近,营销部门一直在大肆吹嘘已在学术界徘徊了几十年的数字电源,他们没有恶意,只是热情过度(图1)。现在,其中的一些夸张之词已经消逝,是时候讨论一下数字电源适合什么,其工作原理,缺点,以及它的折衷(参考文献1)。不过,尽管它有缺点,各家公司仍然开发和部署了一些器件,它们在不涉及折衷的情况下,充分利用了数字控制回路的好处。

要点

数字电源可以降低成本,简化你的设计,并提高精度。

数字电源非常适用于输出余量设定及逐周期回路补偿。

●很多系统工程师并不想要或需要非线性控制或自适应补偿。

数字电源能提高效率的声称通常无法证实。

数字电源确有独特的性能,但也存在折衷。

最近,营销部门一直在大肆吹嘘已在学术界徘徊了几十年的数字电源,他们没有恶意,只是热情过度(图1)。现在,其中的一些夸张之词已经消逝,是时候讨论一下数字电源适合什么,其工作原理,缺点,以及它的折衷(参考文献1)。不过,尽管它有缺点,各家公司仍然开发和部署了一些器件,它们在不涉及折衷的情况下,充分利用了数字控制回路的好处。

不再夸张的数字电源

图1,数字电源最终达到了平稳量产的阶段(Gartner集团提供)。

芯片公司对数字电源的定义是五花八门。有些公司认为,数字电源包含了围绕一个模拟PWM(脉冲宽度调制)回路的数字功能与通信链接。其它公司称,数字电源是一种内置数字PWM芯片的状态机。还有一些公司表示,数字电源包括了一个通用DSP,DSP运行着一个闭合控制回路的算法。而过去

十年来学术意义上的真正数字电源,则拥有一个数字PWM回路,并带有一个状态机或一只DSP。一只模拟PWM器件上加上一个串行总线并不能成为数字电源。不过,数字电源可以免除或消除对某些元件的要求,从而可以降低成本。

你可以为一只DSP加一个FET驱动芯片和一些代码,以控制涡轮风机的扇叶角度和变频器,基本上这就是简单的数字电源了。例如,德州仪器公司十多年前就开始为其DSP提供电源库。该公司现在生产多个系列基于DSP的电源芯片(图2)。CamSemi公司尝试减少器件数,提供5W C2161PX2 ac/dc控制器,它采用反馈变压器上的一个检测绕组,而不是昂贵的光耦(参考文献2与图3)。数字电源不用二极管来检测反馈波形,当检测绕组的反馈信号为负值,以及不表示次级的输出电压时,就消除这个信号。至于降低成本,Exar公司制造了16A的XRP7740数字电源芯片,可为机顶盒或数据服务器提供多个电源轨(图4)。Exar公司拥有芯片方面的很多专利,包括将一小块片芯区域用于一个实用的控制回路(参考文献3)。这样,Exar公司的芯片定价就能与模拟芯片竞争。

不再夸张的数字电源

图2,你可以编译德州仪器公司任何DSP的数字电源库,或用一只该公司专用芯片,做出数字电源系统。TI还制造采用状态机的数字电源芯片。

不再夸张的数字电源

图3,CamSemi公司提供5W的开关电源控制芯片,它有一个替代线性电源的双极晶体管。开关设计有更高的效率,使用铜线也较少,因此降低了成本。

不再夸张的数字电源

图4,Exar公司的XRP7740可在四个通道上提供16A输出电流。聪明的IC设计使得芯片很小,因此该公司提供的芯片价格能与模拟方案相竞争。

数字电源还可以完成逐周期的回路补偿。例如,Intersil公司的数字电源管理集团Zilker Labs最近就推出了ZL6105,它采用了一个状态机来完成逐周期的自动补偿工作(图5)。另一个例子是,新兴的Powervation公司用一个数字电源ASIC,完成电源的逐周期补偿(图6)。这种实时的回路补偿是数字芯片较其模拟对手的主要优势。这些数字电源控制器可以跟踪由于老化和干涸所造成的电解电容降级问题。如果你将部件设计成一块电源砖,则数字控制器可以检测砖的输入输出电容,并在每个周期作补偿。其它数字电源芯片可以做一次性的自补偿周期,帮助创建数字补偿滤波器的因数。

图4,Exar公司的XRP7740可在四个通道上提供16A输出电流。聪明的IC设计使得芯片很小,因此该公司提供的芯片价格能与模拟方案相竞争。

图5,可以手动设定Zilker Labs公司ZL6105演示板的补偿,但这样做并非理想的方案 (a)。当你打开自动补偿时,可改进设计的瞬态响应稳定性 (b)。

不再夸张的数字电源

图6,为提高轻载时的效率,Powervation公司的数字电源芯片可以去掉一个相。然后,即使在单一相位时,自动补偿功能也能维持满回路带宽

当对一个系统作测试和验证(以确定能在生命周期内正常工作)期间,数字电源还提供了在一个区间上余量可变的电源输出电压。例如,英飞凌公司旗下Primarion集团提供的PX7510就可通过PMBus(电源管理总线)完成余量设定和其它操作。思科系统公司DSSG(数据中心、交换以及服务集团)的技术领导Bob Thomas称:“余量可以让我们验证当输出电压超出设定的极限时,系统的电气性能与热性能情况。”

数字电源的大话

有关数字电源的夸大言论可追溯到十年前有关模糊逻辑的争论。有些人认为,模糊逻辑将取代对模拟控制的需求。不过,看似模糊逻辑只在某些应用中优于模拟方案,并且,即使在这些应用中,也可以用一个PID(比例/积分/微分)控制器完成几乎所有功能(参考文献4)。有些推销者还声称,数字回路的电源可以做自适应补偿,即具有在快速瞬态响应和低噪声之间切换的能力。这个特性迫使你去测量噪声与瞬态响应,然后必须决定何时在两者间切换。Powervation公司已成功完成了这个工作,但它要花费大量的处理能力。

数字电源专家们还炫耀了“非线性”控制方案,但这些回路却让你无法在数字电源芯片上连接网络分析仪。非线性数字回路并不提供有效的增益与相位响应。于是芯片公司转而让工程师们在时域中评估稳定性,声称他们应给回路施加一个瞬态条件,并确保振铃会在一个可接受的时间量内消失。不过,有经验的控制系统工程师们都不喜欢非线性控制,而喜欢采用熟悉的增益与相位方法。

有些公司称数字电源芯片可以在一个多相电源中,保持各相位之间有更紧密的电流匹配。不过,与一个30%失配的模拟电源作比较是不切实际的,并且,没有一个负责的工程师会把这样一种设计送去量产。

有些芯片公司还声称数字电源的效率高于模拟电源,但这种说法并不可靠。一只芯片关闭多相控制器中各个相的能力可表示为一种效率收益。在轻载时,它可提供相当不错的效率,不过这种能力并非源于数字PWM回路。任何模拟芯片都可以完成这个功能。开关电源中的主要损耗是磁、开关以及铜损耗,一只控制芯片无法影响这些损耗。凌特技术公司的模拟式LTM4609降-升压转换模块可得到98%的效率,几乎优于所有数字芯片。

还有一种有关效率的说法是,数字芯片可提供更好的死区时间控制。换句话说,它们可以驱动同步与功率FET,因此没有反向电流。然而,凌特技术公司拥有一个模拟方法的专利,能确保同步FET永远不会反向导通,而美国国家半导体、Allegro与飞兆公司在多款芯片中采用了模拟的山谷模式(valley-mode)控制,实现了相同的效果。凌特技术公司工程副总裁兼首席技术官Bob Dobkin指出:“没有理由说数字控制回路有更高的效率。用模拟方式可以做stage-shedding。穿通控制也不是问题了,我们一些较新的电路还有自适应穿通控制。”

折衷是不可避免的

实际上,一款芯片采用数字回路还是模拟控制回路并没有什么关系。在选择一种数字方案时,你只需要关心要做哪些折衷。例如,数字电源的静态电流较高。尽管德州仪器公司的DSP有很高的功率效率和速度,但它们消耗的功率也大于状态机芯片,而远超过模拟芯片。在吸收的静态电流方面,一只离散时间式采样数据的PWM芯片总是高于低功耗模拟PWM芯片。因此,Summit MicroelectroNIcs公司以及其它公司便做出了“数字管理”的模拟电源。这种方案是围绕模拟PWM区域,做出手持电子设备所需要的数字通信与控制功能。这些是准备用在电池工作设备上的器件,无法拥有高速ADC/DAC和DSP,因为它们的静态电流都在毫安量级。Summit公司营销与应用副总裁Abid Hussain说:“如果我带一个静态电流大于100 μA的芯片去见一个客户,我肯定会受到嘲笑的。”

无论怎样,如果你有了DSP,就可以增加一个软件模块,建立一个电源轨。注意DSP必须要引导,因此,如果这时有一个小差错,则可能损失数字电源轨,直到器件装入引导码,开始运行时。另外,你的DSP最好是确定性的。如果它有太多的循环和中断,那么就无法为数字电源代码提供服务,电源轨循环就不会真正闭合。

你会发现,模拟器件也可以减少器件数量。例如,Power Integrations公司提供不需要光耦的低成本离线模拟器件,而凌特技术公司生产的LTC4278和其它模拟器件采用检测线圈作电压反馈,而不是光耦。它们未用数字电源也能提供这些功能,因此不需要一个数字PWM回路也可以消除负反馈电压,而用反馈波形的适当部分作反馈控制。你关心的不应该是芯片公司采用了模拟PWM回路还是数字PWM回路,而应注意在没有光耦情况下,器件是否可以提供严密的输出调节。

数字电源芯片的制造还需要更昂贵的遮罩集,有较高的NRE(非重发性工程)成本。Exar XRP7740数字电源芯片充分利用了数字PWM回路的尺寸,提供了价格上可与模拟器件相竞争的低成本芯片。然而,这些芯片的遮罩集要贵得多,因此各家公司销售这些芯片时都把变动做到最少,哪怕客户订量达数百万片。片芯的低成本是对高成本精细CMOS遮罩集的一种折衷,因此制造商必须面向大批量应用。Cadence公司工程服务副总裁Time Henricks称:“总归是技术-经济的问题。”他指出,在精细CMOS上置入大输出或大驱动晶体管几乎不一种有性价比的方案。一般来说,在廉价CMOS工艺下用较粗的线更有好处(参考文献5)。另外,很多电源芯片必须工作的电压都高于细线或宽线CMOS可以提供的电压,因此双极模拟芯片永远会有其地位。

数字电源擅长于那些需要逐周期补偿的应用,但很多公司更愿意采用一种简单而耐用的模拟设计,对器件的寿命作适当的补偿。数字电源自动补偿仍然是一个发展中的技术。思科公司Thomas称:“我们有一个传统电源轨,在布局上有一些寄生电阻和电感。有家公司认为它的芯片可以补偿它。当我们对芯片在此应用中作评估时,客户的结论是,它的自动调整算法不能实现合理的余量。”模拟芯片在设计中工作良好,不过设计者有意降低了其交叉频率,以补偿由于电路板上机械约束所致的非最优布局。

如果一家公司要制造输入输出电容未知的电源砖,一只能作自动补偿的芯片也许很关键,但设计者通常是为特定应用开发电源。尽管为一个数字电源部件的补偿作一次性调节很不错,但模拟部件并不要求开发数字滤波器的因数。你只需要修改一个补偿电容和电阻,就能改变回路的响应。Cadence公司的Henricks评论道:“模拟芯片只有一个基准、一个比较器、一个开关、一个单极滤波器和一些输出电路,这种健壮性和简单性很难被超越。”注意,扰动回路做实时补偿的办法并非数字电源域所专有。凌特技术公司刚发布了LT4180,它就是一个能够检测电源输出阻抗的新颖模拟器件,还能调节供电,补偿AC和DC电压降。

模拟芯片也可以做余量调节,这种系统功能并不依赖于数字PWM回路。例如,Maxim公司的MAX16064监控与控制芯片可监视四个模拟开关电源转换器(参考文献6),而凌特技术公司的LTC2978监控与控制芯片则可监视八个模拟电源转换器(参考文献7)。

简言之,数字电源在某些应用中有意义,而在其它应用中则相反。对一个系统工程师来说这无关紧要,他们不应关心半导体公司如何去闭合回路。系统工程师都应关注的是芯片工作情况,以及自己需要的功能。系统工程师需要的是价格、供货,以及数据表。数字电源与模拟电源之争是教授与IC设计者的事。你需要的是能在真实世界中解决问题的芯片与功能。除非它确实能满足你的需求,否则就不应该为数字电源支付额外的费用。

[整理编辑:中国测控网]
标签:  数字电源[46]    控制回路[5]
 
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