數(shù)字電源淺析

過去的幾年里，半導(dǎo)體和電源供貨商花了很大力氣，通過大量市場上發(fā)布的關(guān)于數(shù)字技術(shù)文獻(xiàn)，推廣數(shù)字電源的概念，這也可以解釋為什么我們在今天看到越來越多的復(fù)雜的電源系統(tǒng)。但很多最終用戶都持觀望的態(tài)度，主要是由于不同的電源廠家采用不同的實(shí)現(xiàn)方法和架構(gòu)。目前來看，還沒有一個(gè)明確的大范圍采用數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)的征兆，設(shè)計(jì)人員仍處于不明確的氛圍。此外，各種各樣的供應(yīng)商對“數(shù)字電源”定義也不同，這也引起市場層面對這一概念的混淆。那么，什么是真正的數(shù)字電源，它又能帶來什么直接的好處呢?

電源管理和電源控制的區(qū)別

電源控制和電源管理之間的區(qū)別，是關(guān)于數(shù)字電源討論中的關(guān)鍵概念。愛立信使用“電源控制”術(shù)語來強(qiáng)調(diào)電源供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的控制功能，尤其是個(gè)體內(nèi)部能量流的循環(huán)管理。這一定義包含了反饋回路和內(nèi)部管理維持功能。功率控制功能在與電源供應(yīng)的開關(guān)頻率實(shí)時(shí)監(jiān)控中起到作用。這種類型的控制功能可以由模擬或者數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)，電源供應(yīng)系統(tǒng)無論采用哪種方式，呈現(xiàn)給最終用戶的表現(xiàn)是基本一致的。這就是說，數(shù)字電源的使用不要求最終用戶做任何改變和新的設(shè)計(jì)。

相應(yīng)的，“電源管理”是關(guān)于一個(gè)或多個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)之外的通訊和控制。

包括電源系統(tǒng)配置，單個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)的監(jiān)控，以及故障監(jiān)測信息傳送等。電源管理功能不是實(shí)時(shí)的，它們在一定的時(shí)間范圍內(nèi)起作用，要慢于電源供應(yīng)系統(tǒng)的開關(guān)頻率。目前，這些功能都趨于將模擬和數(shù)字技術(shù)結(jié)合。例如，電阻器通常用于調(diào)整輸出電壓，而給每個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)的電源排序則需要專線控制。按照愛立信的定義，數(shù)字電源管理意味著這些功能全部使用數(shù)字技術(shù)。此外，簡化互連方式應(yīng)用在某些類型的數(shù)據(jù)通信母線結(jié)構(gòu)，優(yōu)于在每個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)之間使用多種定制的互連手段進(jìn)行排序和偵錯(cuò)。

電源控制的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

參見圖1左面，脈寬調(diào)制芯片提供了典型的原邊模擬控制回路。電源的輸出電壓由一個(gè)阻性分壓器件采樣后送入誤差放大器與直流標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。誤差放大器的輸出是一個(gè)模擬信號，其幅度與電源輸出電壓所需要的校正大小成正比。這個(gè)信號反饋到脈寬調(diào)制芯片，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)脈寬的脈沖信號，用以控制功率半導(dǎo)體器件(一般為MOS管)的“導(dǎo)通時(shí)間”。因?yàn)镸OS管的輸入門電容較大，驅(qū)動電路便能有效地開關(guān)它們。一般使用一個(gè)固定的阻容網(wǎng)絡(luò)來補(bǔ)償控制回路，以確保電源動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定度之間的合理平衡。

電源的另外兩個(gè)主要部分就是輸入輸出的濾波網(wǎng)絡(luò)。它們通常由電感、電容和電阻組成并提供多種功能。輸入濾波部分保護(hù)電源不受輸入電壓跳變的影響，在負(fù)載跳變時(shí)提供儲能，同時(shí)和外部濾波電路一起使電源滿足輸入傳導(dǎo)電磁兼容的要求。輸出濾波部分使輸出電壓更平滑以滿足紋波噪聲的指標(biāo)，同時(shí)也幫助電源儲能以滿足負(fù)載的動態(tài)電流要求。重要的是，無論是模擬或數(shù)字控制架構(gòu)，輸入和輸出濾波電路以及功率器件在本質(zhì)上會保留一致。

典型的數(shù)字電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參見圖1右面。輸出電壓的遙測與模擬系統(tǒng)相似。但是數(shù)字控制系統(tǒng)中使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器替代了模擬控制系統(tǒng)中的誤差放大器，將采樣得到的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。除了輸出電壓，知道其它模擬參數(shù)也很重要，例如輸出電流和電源的溫度。當(dāng)然使用多個(gè)分開的模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠測量各個(gè)參數(shù)，但是一般使用一個(gè)前置多路復(fù)用器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將會更經(jīng)濟(jì)。復(fù)用器會在各個(gè)測得的模擬參數(shù)之間切換并將其按序(并—>串)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

由于多路復(fù)用器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率是固定的，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為每一個(gè)參數(shù)輸出一系列數(shù)字，每一系列數(shù)字是由一個(gè)已知的周期分開。這些數(shù)值提供給一個(gè)微處理器，為系統(tǒng)提供了工作流程。板子上的程序存儲器存儲了微處理器的控制運(yùn)算法，用于執(zhí)行一系列基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出值的計(jì)算。這些計(jì)算的結(jié)果是一些參數(shù)，例如誤差信號，驅(qū)動極所需的脈寬，針對各種驅(qū)動輸出優(yōu)化的延遲值，以及環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)。模擬系統(tǒng)中外部環(huán)路補(bǔ)償元件就不再需要了。生產(chǎn)過程中，參數(shù)的比較參考值，例如輸出電壓、輸出電流、溫度限定值存儲在非易失性存儲器里，或者在系統(tǒng)啟動時(shí)可以下載到數(shù)據(jù)存儲器中。

和模擬控制相比，數(shù)字控制在適應(yīng)輸入和負(fù)載條件變化方面更加靈活。通常，模擬的方法是為一個(gè)給定的控制參數(shù)配置一個(gè)折衷的設(shè)置，然而數(shù)字控制系統(tǒng)能夠在轉(zhuǎn)換器工作環(huán)境作用下改變控制參數(shù)。例如，在同步的負(fù)載點(diǎn)(POL)降壓型的穩(wěn)壓器里，死區(qū)時(shí)間保證了上端和下端的場效應(yīng)晶體管永遠(yuǎn)不會同時(shí)工作。模擬控制系統(tǒng)為了最惡劣的工作條件，采用了固定的定時(shí)網(wǎng)絡(luò)去設(shè)置死區(qū)時(shí)間。但是對于典型的工作環(huán)境下，這個(gè)死區(qū)時(shí)間比需要的時(shí)間長，從而降低了轉(zhuǎn)換器的效率。通過對比，一個(gè)數(shù)字控制環(huán)可以根據(jù)工作環(huán)境動態(tài)的變化死區(qū)時(shí)間，優(yōu)化了POL整流器的效率。

同時(shí)，模擬系統(tǒng)中的反饋回路補(bǔ)償是必要的，是環(huán)路穩(wěn)定和動態(tài)響應(yīng)性能的折衷。使用數(shù)字控制技術(shù)，能夠建立非線性或者自適應(yīng)的控制環(huán)路，從而補(bǔ)償因數(shù)可以根據(jù)工作環(huán)境來改變。也就是說，電源或者負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器在需要時(shí)提高了響應(yīng)速度，或者在某些情況下放慢了響應(yīng)速度。這種方法還有其它好處，輸出電容就減少了。對于給定的電壓穩(wěn)定度，輸出電容的減少是必須的，因?yàn)樗档土顺杀竞蜏p小了元件占用的空間。數(shù)字控制可以允許工作在非連續(xù)模式，即，當(dāng)電源在非常小的負(fù)載時(shí)跳過一些開關(guān)周期，而且沒有動態(tài)負(fù)載特性變壞這樣的常見問題。

數(shù)字電源管理

數(shù)字電源管理是指利用數(shù)字的方式從供電單元外部對于板上的電源進(jìn)行監(jiān)控。例如，控制多個(gè)電壓的開啟和關(guān)斷順序，用以滿足系統(tǒng)的每個(gè)單元對于供電電壓裕量的要求。這類數(shù)字控制對于在系統(tǒng)中正確運(yùn)行DSP和FPGA等器件尤顯重要，因?yàn)檫@類器件通常需要供給低壓的核心電壓和多種I/O電壓。

今天的數(shù)字電源管理系統(tǒng)的架構(gòu)通常由板級電源和其通過數(shù)字通信總線連接的中心控制器件等部分組成。板級電源可以是隔離的DC/DC模塊或者是非隔離的POL DC/DC轉(zhuǎn)換器。中心控制器件的形式亦可多樣化，可以是專用的電源管理芯片、微控制器，或者利用FPGA中空閑的門陣列來實(shí)現(xiàn)控制功能。中心控制器件通常被叫做“主”單元，而受控的板級供電電源被定義成“從”單元。對于大多數(shù)的系統(tǒng)，“主”單元的控

制范圍通常為一個(gè)單板。在更大規(guī)模的系統(tǒng)中，“主”單元還可以會同位于系統(tǒng)其它地方更高級別的控制器件相互配合，甚至可以通過長距離的通信網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程控制器件來實(shí)現(xiàn)對于電源系統(tǒng)的數(shù)字管理。圖2是一個(gè)單板數(shù)字電源管理系統(tǒng)的示例。