現(xiàn)代設(shè)計(jì)中電源子系統(tǒng)的創(chuàng)建(下)

數(shù)字管理或控制的電源采用一個(gè)普通模擬 PWM 回路，但與真正的數(shù)字控制建立聯(lián)系，而不是指多數(shù)控制器上普遍都有的數(shù)字關(guān)斷腳(圖 6)。數(shù)字管理的功率 IC 首先在電池充電器 IC 中找到用途。過去的化學(xué)電池(例如鉛酸電池)經(jīng)常使用一組穩(wěn)壓 IC，為每節(jié)電池提供 2.3V ~ 2.36V 電壓，這要取決于應(yīng)用能否承受較高的充電電壓。即使這些簡單的充電器也經(jīng)常增加環(huán)境溫度檢測、時(shí)間限制器，或電池溫度檢測功能，以調(diào)整充電電壓。鎳金屬氫電池及更廣泛使用的鋰離子化學(xué)電池需要更多的數(shù)字監(jiān)控。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可能要根據(jù)溫升或電壓上升而終止充電周期。如果電池已報(bào)廢，就不應(yīng)起動(dòng)全功率的充電。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，充電器 IC 必須以“打嗝”方式向電池送入一個(gè)小電流，并進(jìn)行監(jiān)控，直到電壓升高到足以接受全功率充電。如果電池已經(jīng)充了幾小時(shí)，仍然沒有到達(dá)終止點(diǎn)，則 IC 應(yīng)結(jié)束充電周期。環(huán)境溫度故障和很多其它變量也可能有關(guān)系。美國國家半導(dǎo)體公司的應(yīng)用工程師 Mary Kao 說：“我們不再把電池充電器 IC 看作一個(gè)帶有一些邏輯的 PWM 電路。我們認(rèn)為它現(xiàn)在是帶模擬 PWM 的一個(gè)微控制器。”

一旦電池充電器 IC 道路被鋪平，很多其它應(yīng)用也需要對模擬 PWM 回路的大量數(shù)字控制。例如，Xilinx FPGA 需要嚴(yán)格的上電順序和控制。有一家供應(yīng)商 Cradle 制作了一個(gè)多核 DSP IC。由于它是一個(gè) 0.13 μm的CMOS 器件，使用了 DDR SDRAM，因此電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就成為挑戰(zhàn)。需求包括 I/O 的 3.3V、內(nèi)核的 1.2V、DDR-SDRAM I/O 的 2.5V、用于 DDR-SDRAM 阻抗電壓的 1.25V 陷流源、DRAM 電壓基準(zhǔn)，以及用于另一 IC 的 1.8V。Cradle 工程師 Tapeng Huang 和 Craig Calder 與 Intersil 的 Mike Cheong 一起，用單只多通道控制器重新設(shè)計(jì)了五個(gè)獨(dú)立的電源輸出。他們使用了兩個(gè) DC/DC 控制器、兩個(gè)專用的 DDR 輸出，以及兩個(gè)獨(dú)立的低壓差穩(wěn)壓器。在一個(gè)更熟悉的領(lǐng)域中，大多數(shù) PC 機(jī)用

戶都知道處理器和內(nèi)存的供電電壓是采用數(shù)字控制的。手持設(shè)備可能有復(fù)雜的控制需求，以節(jié)省電池能量和延長運(yùn)行時(shí)間。

數(shù)字電源采用 DSP 而不是模擬 PWM 回路，通過算術(shù)運(yùn)算保持回路的穩(wěn)定(圖 7)。這種方案可以提供回路補(bǔ)償?shù)撵`活性，但這種靈活性是有代價(jià)的。Elandesigns 的主管 Dave Mathis 指出：“如果你準(zhǔn)備修改補(bǔ)償，就必須根據(jù)變化而檢測一些東西。在采集時(shí)間和錯(cuò)誤條件下，這是自找麻煩。”當(dāng)然，有經(jīng)驗(yàn)的控制系統(tǒng)工程師都知道，性能良好的系統(tǒng)通常有一個(gè)優(yōu)勢的部分。然而，德州儀器、Silicon Labs 和 Primarion 都制造數(shù)字電源設(shè)備。Primarion 發(fā)表的文章中表示，未來所有電源都將是數(shù)字化的，模擬工程師要抵抗數(shù)字電源的實(shí)現(xiàn)，就只能保護(hù)自己的領(lǐng)地。Primarion 并不使用 DSP 管理控制回路。它使用了一個(gè)自由運(yùn)行的狀態(tài)機(jī)，其功耗遠(yuǎn)低于 DSP。控制仍在數(shù)字回路中，而不是模擬 PWM 回路。德州儀器公司數(shù)字電源經(jīng)理 Steven Bakota 指出：“數(shù)字電源不是什么新鮮東西。TI 已經(jīng)銷售了 10 年數(shù)字電源……以庫的形式使用標(biāo)準(zhǔn) DSP?，F(xiàn)在的差別是，我們有了自己的 Fusion 系列定制件，和一個(gè)軟件開發(fā)環(huán)境，可以簡化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。”

一片 DSP 中的 6 萬支晶體管為數(shù)字電源系統(tǒng)提供控制回路，而模擬方案只需要大約 100 支晶體管。數(shù)字電源迷們還吹噓說靜態(tài)功耗只有 7 mA。這個(gè)數(shù)字在一個(gè)刀片服務(wù)器中也許是可以接受的，因?yàn)樗褂脡ι想娫垂ぷ鳎揽侩姵毓ぷ骰虮銛y產(chǎn)品就難以承受這么大的功耗。而模擬方案可以工作在 1 mA 以下。設(shè)計(jì)者還應(yīng)評估系統(tǒng)的瞬時(shí)功耗。如果在一次供電瞬時(shí)后，DSP 還要重新初始化，并運(yùn)行用戶編寫的代碼，那么就可能不適合某些應(yīng)用。最后還有一個(gè)警告，經(jīng)理們希望把復(fù)雜的軟件開發(fā)工作放在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的結(jié)尾，這通常是設(shè)計(jì)電源子系統(tǒng)的時(shí)間。經(jīng)理們不要因設(shè)計(jì)的平淡無奇而放松警惕。如果設(shè)計(jì)簡單，可以使用低成本和靜態(tài)電流也較低的模擬 PWM 部分。要設(shè)法確認(rèn)，一個(gè)數(shù)字管理的系統(tǒng)并不比全 DSP 數(shù)字控制回路更合適。