數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換及管理的數(shù)字控制

本文將會廣泛地討論有關(guān)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換及管理方面的技術(shù)性問題，以迎合市場趨勢及不同市場領(lǐng)域的需求。我們還會談到這種技術(shù)相對于模擬控制的應(yīng)用和挑戰(zhàn)。

　　功率轉(zhuǎn)換屬于功率系統(tǒng) (反饋環(huán)路) 的運(yùn)作，而功率管理則涵蓋操作模式、起動/停機(jī)延遲的同步跟蹤和邊裕量以及針對并行操作和系統(tǒng)通信的鎖相 (交錯) 功能。

　　多年以來，“模擬”與“數(shù)字”的定義已變得有點(diǎn)模糊。為了避免混淆，本文中的“模擬”是指“連續(xù)可變的物理量”，而“數(shù)字”是指“離散變量”，全因?yàn)閿?shù)字技術(shù)的特性，我們可以存儲數(shù)據(jù)、進(jìn)行運(yùn)算和有效地通信。

　　直到現(xiàn)在，功率轉(zhuǎn)換中電壓和電流的實(shí)際處理，一直都屬于模擬而非數(shù)字的領(lǐng)域，不過控制上則可以是模擬或數(shù)字。由于有關(guān)控制并非完全數(shù)字化，所以需要在反饋環(huán)路中設(shè)置模數(shù)換轉(zhuǎn)器。那么數(shù)字技術(shù)能帶來什么好處?

　　技術(shù)

　　數(shù)字技術(shù)在我們的日常生活中俯拾皆是。但只有在大約4年前開始，這種技術(shù)才被全面應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換及管理的范疇。

　　特點(diǎn)

　　數(shù)字技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)在于存儲器方面的應(yīng)用，當(dāng)中包括3個(gè)基本級別的訪問：特別為包含了控制器內(nèi)部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及查表的寄存器而設(shè)的廠級訪問 (不讓用戶自行訪問);用來選擇管理拓樸和控制模式 (電壓、電流和混合式) 并提供不同故障保護(hù)功能設(shè)定的控制器配置 (用戶可以通過密碼來訪問);以及監(jiān)察和控制 (通過PMBus協(xié)議來自由訪問)。完善的數(shù)據(jù)存儲能力容許設(shè)計(jì)師把有關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化，甚至在不同項(xiàng)目上反覆使用。

　　數(shù)字技術(shù)在存儲方面的強(qiáng)項(xiàng)衍生另一種優(yōu)點(diǎn) – 通信功能。通過I2C來實(shí)現(xiàn)的通信功能為控制器賦予校準(zhǔn)和編程的能力，也可實(shí)時(shí)發(fā)揮不同功能，包括控制、監(jiān)察、狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程識別和診斷。其他特點(diǎn)包括在傳輸過程中作不同的強(qiáng)度調(diào)整，包括分辨率 (數(shù)字多少)、校準(zhǔn) (模數(shù)轉(zhuǎn)換、外置感應(yīng)器)、輸出電壓/電流設(shè)定及保護(hù)限制 (電壓、電流、溫度)。

　　時(shí)間調(diào)整功能涵蓋頻率轉(zhuǎn)換、延遲和相位調(diào)整?？刂?管理功能包括操作模式轉(zhuǎn)換 (起動/關(guān)機(jī)、脈沖串、脈沖跳行、脈沖頻率調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、相位數(shù))、自檢驗(yàn)和輸出電壓轉(zhuǎn)換 (邊限)。時(shí)間調(diào)整和控制的靈活性皆有助于減少電磁干擾，這種特性在模擬應(yīng)用環(huán)境中完全是可夢而不可即。

　　數(shù)字術(shù)技優(yōu)點(diǎn)的多寡，或許會因?yàn)樾枰鶕?jù)不同市場領(lǐng)域作出微調(diào)而有所不同，但在實(shí)施過程中都需要若干邏輯元素。

　　邏輯的類型

　　我們替某種應(yīng)用選擇合適的邏輯時(shí)，靈活性、速度/帶寬及成本限制都成為了決定性因素。當(dāng)中包括數(shù)字硬連接邏輯 (狀態(tài)機(jī)器) PID控制及數(shù)字脈沖寬度調(diào)制 (PWM);數(shù)字硬連接邏輯PID控制及數(shù)字PWM + 非易失性存儲器;混合式 = 模擬PWM + 數(shù)字接口 (一般稱為“數(shù)字封裝”);單片機(jī)(mC);數(shù)字信號處理 (DSP) 和數(shù)字控制處理 (DCP)，并且包含最佳DSP和mC的合并。

　大多數(shù)的數(shù)字集成電路都包含了功率轉(zhuǎn)換控制及功率管理功能。當(dāng)中的功率轉(zhuǎn)換控制 (反饋環(huán)路) 可以工作于連續(xù)實(shí)時(shí)模擬及接近于實(shí)時(shí)(需要一些響應(yīng)時(shí)間)的數(shù)字狀態(tài)。其他功能會根據(jù)事件來觸發(fā)、編排程序和休眠 (存儲器)。硬連接邏輯可用于大批量的低功率應(yīng)用 (200W)，它們一般工作于較高的頻率 (200kHz~2MHz) 和接近模擬控制速度成本也相對比較低。這樣能夠體現(xiàn)最堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，也不需要客戶作出很大程度的編程，甚至可以完全省卻 (接腳編程，或通過I2C 實(shí)現(xiàn)圖像用戶接口);而且又可以加快產(chǎn)品面市的速度。加入NVM能夠在集成電路設(shè)計(jì)中體現(xiàn)更高的靈活性，但會增加檢驗(yàn)和確認(rèn)工作。

　　假如以一個(gè)模擬控制器，配合一個(gè)能夠支持I2C通信、并有時(shí)用來支持VID控制的數(shù)字接口，就可以形成混合式邏輯了。它會與硬連接結(jié)構(gòu)共用相同的空間，但靈活性會比較低一點(diǎn)，成本也會高一些。兩者都主要用于直流-直流的領(lǐng)域。mC、DSP和DCP皆利用編碼(匯編語言或C)來實(shí)現(xiàn)更高的靈活性和速度，但成本會更高，也需要更長的時(shí)間才能夠推出市場。不過，靈活性的增加使電路結(jié)構(gòu)也會變得更加復(fù)雜，所以檢驗(yàn)和確認(rèn)程序的成本也會更高。

　　硅工藝

　　實(shí)施這些邏輯類型時(shí)所作出的技術(shù)選擇，一般都受到成本帶動;而隨著更低的亞微米技術(shù) (0.15/0.18mm) 變得更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，數(shù)字技術(shù)無疑更為占優(yōu)，也因而加快了模擬到數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)型。到了某一個(gè)階段，“以更低成本體現(xiàn)更多功能”將為成為新的價(jià)值觀，取代“以相同成本體現(xiàn)更多功能”。在0.25mm的范圍內(nèi)，模擬與數(shù)字結(jié)構(gòu)的芯片成本早已相同，但隨著0.18mm范圍下的芯片成本下降，研發(fā)成本增加了一倍以上。(見圖1，來源ISSCC 2007 / SESSION 1 / PLENARY / 1.1)

　　在TSMC，0.15/0.18m m產(chǎn)品的生產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.25mm產(chǎn)品(圖1，來源ISSCC 2007/SESSION 1/PLENARY/1.1)。預(yù)期規(guī)模經(jīng)濟(jì)將會進(jìn)一步促進(jìn)有關(guān)的轉(zhuǎn)換過程。

　分割與封裝

　　“分割”是指把一個(gè)或多個(gè)集成電路中的功率轉(zhuǎn)換部分的功能組合起來。有關(guān)選擇應(yīng)該基于控制環(huán)路的分層結(jié)構(gòu) (保護(hù)、電流、電壓、熱能)、功率水平，以及在效率和空間之間作出權(quán)衡。在討論直流-直流技術(shù)的時(shí)候，我們會碰到一些像“分立解決方案”、“集成控制器及驅(qū)動器”、“集成功率級”等詞匯，而IR的iPOWIR功能模塊就是好例子。

　　分立解決方案是指擁有1至6相的分立控制器集成電路，當(dāng)中的驅(qū)動器及場效應(yīng)管都是分開的(見圖3)。這項(xiàng)解決方案可以開放給替代供貨來源，體現(xiàn)最大的靈活性及性能表現(xiàn)，成本更低，但占最多的電路板空間。模塊制造商可以提供較為節(jié)省空間的分立解決方案模塊，但需要犧牲其他來源的優(yōu)點(diǎn)。不過，引腳對引腳的兼容性還可以保留。