模擬電源與數(shù)字電源技術(shù)哪個(gè)更有前景？

模擬電源與數(shù)字電源的關(guān)系，一直是業(yè)界討論的熱點(diǎn)話題。兩種技術(shù)哪個(gè)更有前景?未來(lái)會(huì)不會(huì)呈現(xiàn)“一邊倒”的趨勢(shì)?正巧兩位業(yè)界大佬先后蒞臨，且聽(tīng)聽(tīng)他們是怎么說(shuō)的。

處理負(fù)載與效率時(shí)，還得看數(shù)字電源

Microchip公司16位單片機(jī)部門產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Tom Spohrer表示，在應(yīng)對(duì)負(fù)載與效率的關(guān)系時(shí)，數(shù)字電源技術(shù)更勝一籌。如圖1 CSCI效率要求圖所示，要想達(dá)到最高等級(jí)的鈦金標(biāo)準(zhǔn)，器件就必須要在負(fù)載水平50%的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)96%的效率。而更為困難的，則是在負(fù)載水平10%的時(shí)候，效率達(dá)到90%。此時(shí)，傳統(tǒng)模擬電源技術(shù)就非常難以實(shí)現(xiàn)，很多用戶轉(zhuǎn)而投向數(shù)字電源。

他列舉了當(dāng)前客戶使用的一些提高效率的做法，例如自適應(yīng)算法，包括切向、死區(qū)調(diào)節(jié)、可變開關(guān)頻率、可變高電壓等。但他認(rèn)為這樣做實(shí)際上對(duì)計(jì)算資源的要求會(huì)更高。當(dāng)處理瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)，模擬電源更快，但有時(shí)效率不夠高，而數(shù)字電源的優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)負(fù)載發(fā)生巨大變化，沒(méi)有達(dá)到預(yù)計(jì)輸出功率時(shí)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)系數(shù)調(diào)整，以適應(yīng)全新的負(fù)載的情況。此外，如果使用預(yù)測(cè)算法的話，數(shù)字電源無(wú)需采用控制環(huán)阻尼控制來(lái)進(jìn)行脈寬調(diào)制，可以在最大值和最小值之間找到一個(gè)合理值，從而使得功率輸出達(dá)到一定的目標(biāo)。

工業(yè)開關(guān)電源的集成趨勢(shì)

Intersil公司工業(yè)電源市場(chǎng)與應(yīng)用總監(jiān)Lokesh Duraiappah認(rèn)為，數(shù)字控制器最重要的是PMBus遙測(cè)功能，通過(guò)該功能可監(jiān)測(cè)每一個(gè)負(fù)載的溫度、過(guò)電、過(guò)壓功能，因此主要應(yīng)用于對(duì)功率順序和電壓余量有較高要求的場(chǎng)合。例如，現(xiàn)在計(jì)算、通信、服務(wù)器等應(yīng)用都在使用FPGA，它有多個(gè)電壓軌，功率順序非常重要，這時(shí)數(shù)字控制器的靈活性要優(yōu)于模擬控制器。但對(duì)工業(yè)應(yīng)用而言，它們往往不需特別高的功率，電路也不是特別復(fù)雜，對(duì)于PMBus遙測(cè)功能沒(méi)有非常嚴(yán)格的要求，反而是對(duì)占板空間、效率、解決負(fù)載點(diǎn)問(wèn)題的需求很強(qiáng)烈，因此模擬控制器更為適合。

但他也同時(shí)指出，現(xiàn)在市場(chǎng)上對(duì)于消除中間級(jí)總線，直接把高壓(比如40V、36V、42V)轉(zhuǎn)化為低壓(包括3.3V、5V或者1V)的呼聲越來(lái)越高。此外，隨著FPGA、MCU、ASIC復(fù)雜性的日益上升，電壓軌數(shù)目增多，以及備用電池的使用增多等，也都正在成為工業(yè)通用型電源發(fā)展的新趨勢(shì)。

圖2展示了工業(yè)開關(guān)電源的集成趨勢(shì)：綠色區(qū)域代表現(xiàn)有完全集成式同步降壓穩(wěn)壓器的技術(shù)，即所有的調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)器、功率MOSFET都集成在一個(gè)IC中;藍(lán)色區(qū)域則代表功率MOSFET和調(diào)制器分立的產(chǎn)品方案。Lokesh Duraiappah說(shuō)十年前，綠色區(qū)域面積要比藍(lán)色區(qū)域小得多，但隨著LDMOS技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多集成的解決方案被開發(fā)出來(lái)。不過(guò)，追求高輸入電壓和低電流的情況例外，只能選擇控制器+外部功率MOSFET的解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字電源，沒(méi)有最好，只有更好

Microchip公司日前宣布推出含有14款新器件的dsPIC33EP“GS”系列數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)，可在開關(guān)頻率更高的情況下實(shí)施更為復(fù)雜的非線性預(yù)測(cè)及自適應(yīng)控制算法，從而令電源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更佳的能效和電源規(guī)格。此外，更高的開關(guān)頻率使得設(shè)計(jì)人員能夠以更低的成本開發(fā)出密度更高、體積更小的電源產(chǎn)品。相比上一代DSC產(chǎn)品，新型dsPIC33EP“GS”器件在應(yīng)用于三極點(diǎn)三零點(diǎn)補(bǔ)償器時(shí)其延遲可縮短一半時(shí)間，而且在任何應(yīng)用中均可節(jié)省多達(dá)80%的能耗。

其實(shí)這款新產(chǎn)品的性能之所以能夠得到提升，有3個(gè)最為重要的原因：第一、采用主頻70MIPS的新內(nèi)核以取代此前50MIPS內(nèi)核;第二、在新內(nèi)核中整合全新寄存器功能;第三、將ADC速度提升一倍。

其實(shí)這款新產(chǎn)品的性能之所以能夠得到提升，有3個(gè)最為重要的原因：第一、采用主頻70MIPS的新內(nèi)核以取代此前50MIPS內(nèi)核;第二、在新內(nèi)核中整合全新寄存器功能;第三、將ADC速度提升一倍。

“這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)選擇的寄存器集幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)切換。”Tom Spohrer說(shuō)，新系列中集成了3個(gè)工作寄存器，一個(gè)正常工作，另外兩個(gè)作為備用。每個(gè)寄存器集分配特定的中斷優(yōu)先級(jí)，從一個(gè)中斷服務(wù)程序(ISR)調(diào)用另一個(gè)中斷服務(wù)程序時(shí)數(shù)據(jù)得以保存，減少了寄存器內(nèi)容的保存和恢復(fù)，使得補(bǔ)償器速度提高約50%，也顯著縮短了控制環(huán)的延遲。

5個(gè)12位ADC可提供16Msps的總吞吐量和300納秒的ADC延遲， 提前中斷最大程度減少了ISR開銷。最多22個(gè)模擬ADC輸入中，每個(gè)模擬輸入都有專用結(jié)果寄存器并支持差分輸入;自主數(shù)字比較器將結(jié)果與閾值電壓比較，并在發(fā)生過(guò)壓、欠壓和超出范圍等情況時(shí)產(chǎn)生中斷，不占用CPU資源，性能更高。在從ADC出發(fā)到PWM更新這一過(guò)程中，新器件將延遲時(shí)間減少了約2倍。

GS系列器件還集成多種其它高級(jí)特性，比如對(duì)于高可用性或“永遠(yuǎn)在工作”系統(tǒng)特別有用的即時(shí)更新閃存功能;四個(gè)模擬比較器均配有12位DAC，用于精度要求更高的設(shè)計(jì);兩個(gè)片上可編程增益放大器可用于電流檢測(cè)以及其他精密測(cè)量等。Tom Spohrer特別提到了可用于更改工作電源固件(如主動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算代碼等)，并同時(shí)保持連續(xù)的調(diào)節(jié)的即時(shí)更新功能。該功能通過(guò)雙閃存分區(qū)方式實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有代碼在第一個(gè)閃存分區(qū)運(yùn)行，更新部分代碼在第二閃存分區(qū)運(yùn)行，兩者之間可在300納秒之內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，使得整個(gè)電力供應(yīng)過(guò)程在不受任何影響的前提下實(shí)現(xiàn)代碼更迭。

工業(yè)電源那么多參數(shù)，我該怎么選?

在需要較低輸出電壓的高輸入電壓應(yīng)用中，工程師通常依賴于會(huì)增加系統(tǒng)成本的模塊，或者是會(huì)增加解決方案尺寸和復(fù)雜性的二級(jí)DC/DC解決方案。但 Intersil日前推出的首款免中間步降轉(zhuǎn)換級(jí)的60V同步降壓控制器ISL8117解決了這一困擾，為低輸出電壓/輸入電壓比(Vout/Vin)的應(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)而可靠的替代方案。

ISL8117的低占空比(導(dǎo)通時(shí)間最小40納秒)特性可支持從48V到1V負(fù)載點(diǎn)的直接步降轉(zhuǎn)換。通過(guò)使用帶有自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償?shù)墓戎惦娏髂Ｊ秸{(diào)制，ISL8117能夠支持寬范圍輸入電壓和輸出電壓組合的穩(wěn)定工作，且無(wú)需外部補(bǔ)償。系統(tǒng)工程師還能使用ISL8117最高2MHz的可調(diào)頻率來(lái)優(yōu)化電源成本、尺寸和效率。

Intersil方面稱，使用ISL8117，工程師能夠設(shè)計(jì)只需10個(gè)元件(包括MOSFET和被動(dòng)元件)的完整DC/DC降壓轉(zhuǎn)換解決方案，并實(shí)現(xiàn)最高98%的轉(zhuǎn)換效率和達(dá)到1.5%的輸出電壓精度。ISL8117的低引腳數(shù)量和易于布局的引腳結(jié)構(gòu)還最大限度減少了重疊跡線的數(shù)量，進(jìn)一步改善了電源性能。

工程師在進(jìn)行工業(yè)電源設(shè)計(jì)時(shí)，該如何選擇控制器?他該最先關(guān)注哪些功能或參數(shù)?Lokesh Duraiappah對(duì)此回應(yīng)稱，很多參數(shù)都是值得考慮的，比如輸入電壓范圍、輸出電壓范圍等。從控制器角度來(lái)講，一個(gè)重要的因素是可以支持的最小接通時(shí)間，因?yàn)橹挥性谧钚〗油〞r(shí)間非常低的情況下，才有可能實(shí)現(xiàn)大幅度調(diào)整;其次可以關(guān)注柵極驅(qū)動(dòng)，即它能驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET的最大是多少;第三則要看易用性，在默認(rèn)設(shè)置上看搜索頻率、軟啟動(dòng)還有引腳數(shù)量是否滿意;第四大要素是開關(guān)頻率，在擁有很高的開關(guān)頻率的情況下，對(duì)電流波、效率、電感尺寸的選擇余地就非常大。當(dāng)然，參考設(shè)計(jì)的使用也非常關(guān)鍵，畢竟誰(shuí)都不愿意從頭再去對(duì)一個(gè)芯片做研究和探索。

但不論技術(shù)如何改進(jìn)，對(duì)于電源產(chǎn)品來(lái)講，效率還是重中之重。Lokesh Duraiappah表示，通過(guò)改善產(chǎn)品架構(gòu)降低靜態(tài)電流將是未來(lái)的方向之一。針對(duì)FET技術(shù)和集成式控制器，會(huì)進(jìn)一步投資技術(shù)來(lái)降低RDS，并不斷提升控制器的制造工藝，從而達(dá)到降低占板空間、提升效率的目的。

但不論技術(shù)如何改進(jìn)，對(duì)于電源產(chǎn)品來(lái)講，效率還是重中之重。Lokesh Duraiappah表示，通過(guò)改善產(chǎn)品架構(gòu)降低靜態(tài)電流將是未來(lái)的方向之一。針對(duì)FET技術(shù)和集成式控制器，會(huì)進(jìn)一步投資技術(shù)來(lái)降低RDS，并不斷提升控制器的制造工藝，從而達(dá)到降低占板空間、提升效率的目的。