數(shù)字電源帶來的設計變革

數(shù)字電源是當今的熱門話題。采用數(shù)字技術的電源使功率轉換和電源控制發(fā)生快速改變。即便數(shù)字電源炙手可熱，工程師對數(shù)字電源的接受速度看起來還是很慢。擺在數(shù)字電源面前的兩個最大障礙是可見成本和知識產權(專利侵權)。當然，成本對非常簡單的電源設計的確是個問題。但在需要電源管理、故障管理、遙測的更復雜設計中，由于大多數(shù)產品的集成度都比較高，數(shù)字電源在成本上是有優(yōu)勢的。諸如Intersil Zilker Labs的ZL2008的新產品的上市，為解決知識產權難題提供了靈活的處理原則，知識產權、授權交易都已經得到解決。一旦排除這些障礙，數(shù)字電源將成為功率轉換的發(fā)展方向。

本文將解答“為什么應該改用數(shù)字電源” 這個問題“。要回答這個問題，首先來看看兩個相關的問題：為什么要全面改變?為什么要從模擬技術改用其他技術?

為什么要全面改變?

對這個問題的簡短回答是，確實沒有其他選擇。技術在不斷進步，因此功率轉換的需求也在變化。伴隨這些變化而來的是政府法規(guī)的變化及經濟因素的變化。

從電源的角度看，負載正在發(fā)生變化。半導體技術演進的方向是工藝尺度越來越小，這推動著負載發(fā)生改變。以前的微處理器和ASIC需要幾伏電壓，現(xiàn)在則需要不到1伏電壓。這意味著，電源的驅動阻抗必須比以前的電源低得多。新出現(xiàn)的應用產生了新的負載類型(如高亮度LED)。電路板變得更加擁擠，因此元器件的集成度也在提高。功率轉換對電源提出的要求遠不是滿足靜態(tài)要求那么簡單。事實上，需求的變化正在加速。為滿足技術變化的要求，電源工程師要跳出條條框框，尋找能夠滿足今天和未來設計挑戰(zhàn)的解決方案。

政府的法規(guī)也不是一成不變的。從限制使用有害物質，到對電源質量的要求，再到對效率的要求，法規(guī)因素使我們的設計超出了簡單的功率轉換的范疇，而是必須進行更全面的考慮。設計的變化必須跟上法規(guī)的需求變化。此外，在經濟全球化的時代，不但是當?shù)胤ㄒ?guī)，客戶所在的國家也會制定電源方面的相關法規(guī)。

最后，經濟因素導致的壓力頁越來越大，這要求工程師設計出創(chuàng)新的產品，為客戶提供更多價值。這不僅要求產品的價格便宜，而且還關心為實現(xiàn)一定性能所付出的成本。一輛自行車可能比一輛汽車便宜得，但如果你需要在兩個小時內從北京趕到天津，無論自行車多么便宜，自行車都不可能滿足這個要求。你需要更多先進的技術。定價競爭的壓力、燃料成本、人工成本和質保成本只是推動電源設計發(fā)生變化的經濟因素當中的幾個。

經濟因素迫使企業(yè)雇傭更少的電源工程師。因此，以前需要好幾個工程師和近一年時間完成的設計，現(xiàn)在必須用一個兼職工程師在幾個月內完成。

為什么要從模擬轉向其他技術?

如果模擬功率轉換是完美無缺的，顯然就沒有必要從模擬控制轉向數(shù)字控制。模擬電源控制有其局限性，其中一個關鍵的局限性是模擬控制器缺乏靈活性，影響到了隨環(huán)境而變的能力。特別是，模擬控制器的功能是固定的，控制器所使用的模擬元器件受限，數(shù)值也是固定的。

模擬控制器的特性是由硅芯片和外部元器件的參數(shù)控制器來設定的。如果需要改變內部的特性，有兩個選擇：要不改變硅芯片，要不增加外部的有源器件來廢止、改進、模仿或替代控制器。改變硅芯片的時間從3個月到超過1年不等，而且硅芯片的設計變化常常趕不上市場的變化。增加外部有源器件會增加成本，使進度延后，降低功率密度，而且通常會對可靠性造成負面影響。

用于設定控制器可變工作參數(shù)的外部元件的數(shù)值是固定的，可用的數(shù)值也是受限的。例如，如果選定了一個電阻并把電阻焊到電路板上，只有把電阻取下來并用其他電阻替換，才能改變電阻值。而且，外部元件的數(shù)值只有一個，無法適應變化的環(huán)境。當然，非線性電容器、電阻和電感器偶而也會用在電源設計當中，但這些元件的變化范圍仍然是固定的。如果你使用一個正溫度系數(shù)(PTC)電阻，這個電阻不可能表現(xiàn)出負溫度系數(shù)電阻的特性。因此，模擬電源控制設計仍然受限于其進行優(yōu)化、或適應變化的負載或環(huán)境狀況的能力。

除此之外，我們只能采用供應商產品目錄里面的阻值、容值和感值，而且元件的數(shù)值還受到物理特性的制約。電阻、電容器和電感器只有正的數(shù)值。這種數(shù)值上的限定會制約模擬解決方案的參數(shù)空間。雖然大多數(shù)模擬電源設計者都明白只能用正值的元件，但他們對電路工作狀態(tài)的限定卻不甚了了。在做設計變更時，假使你所用的模擬元件沒有限定，你在方案選擇上所受到的限制要少得多。

一個相關的例子出現(xiàn)在電壓模式控制的補償當中。在電壓模式控制中，輸出濾波電感器和電容器形成了閉環(huán)傳遞函數(shù)中的雙極點。在高效電路里，這個雙極點可能會變成一個復數(shù)共軛成對極點。一個Type III模擬補償網絡(圖)通常用來對電壓模式控制器進行補償。糟糕的是，采用電阻和電容器實現(xiàn)的典型Type III補償網絡，只有一個實零點可以補償受控器件的極點。如果沒有出現(xiàn)對復數(shù)極點補償不足的情況，實零點勉強能做些補償。在Type III補償網絡中，用正值的電阻和電容器不可能實現(xiàn)復數(shù)共軛零點。工程師設法用有限的模擬補償網絡對電壓模式控制器進行補償，但在上面提到的情況下，是無法實現(xiàn)足夠的補償，從而會在這方面浪費大量的時間。

為什么改用數(shù)字電源?

假設我們必須從模擬控制轉向其他技術，為什么數(shù)字控制是解決問題的辦法呢?數(shù)字控制能解決問題，是因為它具有比模擬控制更好的性能、更靈活且在復雜的設計中更易用。數(shù)字控制發(fā)揮了模擬控制的優(yōu)點，并超越模擬控制。

想象一下使用同樣的電源元器件，包括相同的FET、電感器、電容器，把使用模擬控制器和數(shù)字控制的系統(tǒng)性能做個比較。起初，你自然會想到，既然性能是由元器件決定的，很難說性能會有什么差別。但接著你會意識到，控制器會影響到性能的很多方面。下面是一些例子。