如何實(shí)現(xiàn)綠色混合數(shù)字計(jì)算的電源管理

　　一、引言

　　圖1所示的模擬電源解決方案是一種眾所周知和經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的技術(shù)，功率電子工程師在時(shí)域中理解起來毫不費(fèi)力。模擬PWM控制器包括一個(gè)誤差放大器，用一些電阻和電容構(gòu)成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。通過對(duì)電阻和電容值進(jìn)行微調(diào)可實(shí)現(xiàn)最佳性能。模擬PWM控制器提供快速和準(zhǔn)確控制，人們開發(fā)了許多先進(jìn)的模擬控制方案來實(shí)現(xiàn)最佳性能，特別是在瞬態(tài)要求非常嚴(yán)格的微處理器核心電源應(yīng)用中，其針對(duì)核心及外設(shè)電源應(yīng)用的簡(jiǎn)單性、易用性和低成本是無可替代的。

　　圖1，模擬電源框圖。

　　最近，數(shù)字電源在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域受到重視。圖2偵測(cè)所示的數(shù)字電源解決方案通過數(shù)字化所偵測(cè)的電壓和電流信息以及以數(shù)字形式（頻域）重建補(bǔ)償器和PWM比較器來仿真模擬控制環(huán)路模塊。要想實(shí)現(xiàn)與模擬環(huán)路相似的性能，常常需要極高速（》100MHz）的數(shù)字算法處理器，這會(huì)導(dǎo)致較高的待機(jī)功耗，并可能需要非易失存儲(chǔ)器（NVM）來存儲(chǔ)具體設(shè)計(jì)配置信息，如反饋補(bǔ)償參數(shù)。它還需要工程師在模擬和數(shù)字域中理解設(shè)計(jì)。由于其復(fù)雜性的緣故，普通電源設(shè)計(jì)人員無法完全理解數(shù)字PWM控制器，這迫使數(shù)字PWM廠商向用戶提供所有支持和完成設(shè)計(jì)的大部分內(nèi)容。因此，設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性和可靠性嚴(yán)重依賴于廠商支持。數(shù)字電源有模擬電源所不具有的一些優(yōu)點(diǎn)，如輕松更新控制回路補(bǔ)償參數(shù)而不修改硬件電路。另一方面，偵測(cè)適合計(jì)算機(jī)應(yīng)用行業(yè)的解決方案仍然需要對(duì)熱補(bǔ)償和電流偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)在硬件電路層面進(jìn)行微調(diào)，因此它們根本不是全數(shù)字式方案，而是一種混合式方案。

　　圖2，數(shù)字電源框圖。

　　對(duì)于需要用戶接口和電源管理的系統(tǒng)，人們常常會(huì)引入串行總線，如PMBus。圖3所示的混合數(shù)字電源解決方案在模擬控制環(huán)路和電源管理模塊之間需要一個(gè)ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）和一個(gè)DAC（數(shù)/模轉(zhuǎn)換器），用于接口和通信。由于數(shù)字電源方案中一切采用數(shù)字形式的部分都包含在控制環(huán)路中，所以數(shù)字環(huán)路和電源管理模塊之間不需要專用的ADC或DAC，如圖4所示。但是，數(shù)字電源解決方案需要一個(gè)ADC來數(shù)字化偵測(cè)到的電壓和電流模擬信號(hào)，以便進(jìn)行數(shù)字控制處理，還需要一個(gè)DAC來將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換回模擬形式，用于控制功率級(jí)。該ADC和DAC都在數(shù)字控制環(huán)路內(nèi)部；這有可能影響環(huán)路響應(yīng)，除非使用非常高速和高位數(shù)（bit-count）的ADC/DAC，這會(huì)顯著提高偏置功率。PMBus電源管理模塊的工作頻率通常為100kHz或400kHz，而對(duì)于非常快速的ADC和DAC轉(zhuǎn)換，數(shù)字控制算法處理器的工作頻率必須大于100MHz。因此，混合解決方案通常具有比數(shù)字解決方案低得多的偏置功率和更快速的環(huán)路響應(yīng)。

　　本文將詳細(xì)討論全數(shù)字和混合數(shù)字電源方案，包括實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)性能、成本、制造和庫存控制以及環(huán)境影響。

　　圖4，全數(shù)字電源解決方案框圖。

　　二、混合數(shù)字電源管理與全數(shù)字電源管理

　　（1）偏置功率需求

　　要想實(shí)現(xiàn)高精密的DAC精度（比如0.5%）和高PWM分辨率（比如100ps），數(shù)字控制器需要極高速（》100MHz）處理器［2］來在數(shù)字域中仿真模擬控制環(huán)路。它通常使用低偏置電壓，如1.8V、2.5V或3.3V，這有助于最小化偏置功率。但是，為計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)的兩個(gè)多相數(shù)字PWM控制器會(huì)消耗超過100mA偏置電流，消耗的偏置功率是Intersil的混合數(shù)字多相PWM的的3~5倍。表1詳細(xì)說明了這一點(diǎn)，以及對(duì)Intersil和另外兩家數(shù)字PWM廠商針對(duì)英特爾VR12代多相控制器的其他相關(guān)比較信息。由于消耗的偏置功率較高，設(shè)計(jì)中使用該種數(shù)字控制器的穩(wěn)壓器具有輕負(fù)載時(shí)效率低的缺點(diǎn)，且無法滿足能源之星要求，同時(shí)通常不用于筆記本電腦應(yīng)用。由于未來產(chǎn)品要求更低的功耗和追求更綠色的環(huán)保，所以全數(shù)字控制似乎不是正確的道路。

　　此外，更低的偏置電壓通常會(huì)限制共模范圍，并可能在輸出電壓變高時(shí)使DCR電流偵測(cè)放大器飽和。它會(huì)導(dǎo)致各相間電流失衡，進(jìn)而導(dǎo)致功率級(jí)過載。而且，數(shù)字控制器具有更低的PWM輸出信號(hào)電平，并有可能引入相位轉(zhuǎn)換時(shí)的噪聲，可能會(huì)在空間緊張型設(shè)計(jì)中導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

　?。?）可編程性和用戶接口

　　市面上的多相數(shù)字PWM解決方案確實(shí)提供了對(duì)環(huán)路響應(yīng)進(jìn)行編程而不需要對(duì)硬件電路進(jìn)行修改的優(yōu)點(diǎn)，但仍然需要通過微小的電路修改對(duì)許多其他功能進(jìn)行微調(diào)。全數(shù)字方案非常傾向于算法驅(qū)動(dòng)方式，且因廠商的不同而異。通常，客戶不會(huì)成為解決方案方面的專家，或者可能只有1~2名工程師完全理解該控制器。因此，數(shù)字解決方案的穩(wěn)健性和可靠性嚴(yán)重依賴于廠商的支持。

　　混合數(shù)字方案提供了模擬控制環(huán)路來實(shí)現(xiàn)世界一流的瞬態(tài)性能，以及PMBus接口來實(shí)現(xiàn)可編程性和用戶接口?？刂骗h(huán)路可編程性可按需要來實(shí)現(xiàn)而不會(huì)產(chǎn)生全數(shù)字解決方案的高偏置電流缺點(diǎn)。精通模擬解決方案的電源工程師通常非常容易理解這一點(diǎn)，因而出錯(cuò)機(jī)會(huì)更小，更有可能在第一次就成功?！　。?）環(huán)路和瞬態(tài)響應(yīng)

　　由于DAC和ADC轉(zhuǎn)換延遲，數(shù)字控制器的環(huán)路帶寬通常限于不超過100kHz范圍，而模擬和混合數(shù)字控制器可以超過100kHz，如圖5所示。圖6顯示慢速環(huán)路的響應(yīng)速度將會(huì)更慢并產(chǎn)生更高的過沖和下沖。模擬環(huán)路對(duì)負(fù)載和輸入瞬態(tài)的響應(yīng)快很多，最小化了輸入和輸出干擾，導(dǎo)致更小的輸入和輸出濾波器尺寸。盡管非線性技術(shù)通常用于加快數(shù)字控制器的響應(yīng)速度，但它會(huì)在寬負(fù)載范圍上造成不一致的響應(yīng)，如圖7所示，其原因在于離散閾值的觸發(fā)。此外，非線性控制會(huì)導(dǎo)致不均勻的脈沖分布和低劣的電流均衡能力，如圖9所示。與用于數(shù)字控制器的非線性控制方案相比，Intersil的混合數(shù)字控制器ISL6367/67H ［9，10］使用的線性控制可產(chǎn)生平滑的負(fù)載階躍響應(yīng)和均勻分布的相位脈沖，如圖8和圖10分別所示。

　　圖6，慢速環(huán)路與快速環(huán)路瞬態(tài)響應(yīng)。

　　圖8，采用Intersil的線性控制的瞬變。

　　圖10，線性控制1MHz瞬變的相位轉(zhuǎn)換順序。

　?。?）DC性能

　　與模擬解決方案的無限分辨率相比，全數(shù)字解決方案常常具有由于ADC分辨率和PWM分辨率而產(chǎn)生的量子化誤差。另外，電源狀態(tài)的紋波變化也會(huì)影響穩(wěn)壓精度，如圖11所示。混合方案保持了模擬方案的高精度。

　　數(shù)字控制器常常聲稱在環(huán)境條件、老化和元件變化下具有更小的Vout漂移。對(duì)數(shù)字控制環(huán)路補(bǔ)償部分（沒有外置R和C）是真的，但包括輸出濾波器（電感和電容）在內(nèi)的功率系的特征仍然會(huì)隨著環(huán)境溫度、老化和元件變化而變化。校準(zhǔn)可以改進(jìn)精度，特別是在電流偵測(cè)中，但它會(huì)增加成本（參見E部分）。除非在每次上電時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)并對(duì)控制環(huán)路進(jìn)行重新配置，否則數(shù)字解決方案將仍然會(huì)有易受環(huán)境變化影響的缺點(diǎn)。此外，低DCR（0.15mOhm或更?。╇姼袑?huì)繼續(xù)增多這樣的影響，在全數(shù)字控制器的情況下這將要求更高分辨率的ADC，亦即更高的偏置電流。

　　數(shù)字解決方案的DC精度受PWM分辨率的影響［2］；例如，200ps PWM分辨率會(huì)對(duì)1MHz 開關(guān)頻率下的12V輸入產(chǎn)生2.4mV誤差。

　　圖11，來自VID加載的輸出失調(diào)（10A）

　　（5）校準(zhǔn)

　　全數(shù)字解決方案常常宣揚(yáng)其校準(zhǔn)功能，因?yàn)樗鼈兂３Ｐ枰M(jìn)行校準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)與混合方案相同的精度。校準(zhǔn)是復(fù)雜和非免費(fèi)的，常常需要外置MOSFET和精密偵測(cè)電阻，如同廠商B的解決方案一樣。這些附加元件通常價(jià)值超過0.20美元，同時(shí)還會(huì)增加用電量。

　?。?）相倍增器兼容性和上電順序

　　相數(shù)倍增器常常用于高相數(shù)和超頻應(yīng)用［3］。通道之間的電流均衡對(duì)設(shè)計(jì)穩(wěn)健和可靠的系統(tǒng)極其重要。市面上實(shí)現(xiàn)通道電流均衡的相數(shù)倍增器僅為5V PWM輸入邏輯［11，12］，且不兼容3.3V數(shù)字控制器。數(shù)字控制器一直使用沒有電流均衡功能的相數(shù)倍增器，這會(huì)產(chǎn)生長期可靠性較差和可能造成系統(tǒng)發(fā)熱事件。Intersil相數(shù)倍增器集成電路的卓越相間電流均衡請(qǐng)參見圖12。

　　圖12，Intersil相倍增器在負(fù)載瞬變期間的通道電流均衡

　　在服務(wù)器領(lǐng)域，可產(chǎn)生最佳效率的典型驅(qū)動(dòng)器電壓為5V，這是不同于數(shù)字控制器的偏置電壓的，它使上電順序和保護(hù)復(fù)雜化；出現(xiàn)了三種可能情景：

　　1） 驅(qū)動(dòng)器首先上電。 驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到PWM低并接通低端MOSFET來給輸出放電；系統(tǒng)將不允許預(yù)充電啟動(dòng)。

　　2） 數(shù)字控制器首先上電。驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到PWM高或者在驅(qū)動(dòng)器電壓變慢時(shí)檢測(cè)到一個(gè)全占空比PWM信號(hào)；系統(tǒng)將失去軟啟動(dòng)并導(dǎo)致高端MOSFET的過應(yīng)力。

　　3） 驅(qū)動(dòng)器和控制器由同一個(gè)啟用信號(hào)控制。在斷電期間由于高端MOSFET短路，CPU將不會(huì)受到保護(hù)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器已被禁用。

　?。?）系統(tǒng)保護(hù)

數(shù)字控制器需要數(shù)字化電壓和電流信息，然后再將其轉(zhuǎn)換回模擬信息，這一切全都在控制環(huán)路內(nèi)部進(jìn)行。這通常導(dǎo)致比模擬環(huán)路更慢的響應(yīng)，如圖5所示。另外，由于控制環(huán)路中的ADC和DAC，數(shù)字控制器將對(duì)需要立即予以響應(yīng)的故障（如輸出短路、高端MOSFET短路或輸出過電壓）產(chǎn)生較差的保護(hù)。如表1所示，市面上的數(shù)字解決方案只對(duì)輸出提供一個(gè)偵測(cè)點(diǎn)。當(dāng)反饋路徑由于元件性能降低、灰塵或潮濕而形成分割器時(shí)，輸出電壓將上升而不觸發(fā)過壓保護(hù)（OVP），因?yàn)闆]有第二個(gè)點(diǎn)來監(jiān)測(cè)