關(guān)于數(shù)字電源的應(yīng)用價(jià)值與優(yōu)勢(shì)的探討

1.數(shù)字電源的同步和時(shí)序控制

通常電源系統(tǒng)的時(shí)序和同步控制都需要使用特殊的控制器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而需要額外增加器件來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制，即增加了成本還需要在電路板上占有一定的空間，并且是完全由硬件電路實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有適應(yīng)性和擴(kuò)展性，每做一個(gè)新的產(chǎn)品都需要重新進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)和相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)。特別是針對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，每個(gè)系統(tǒng)中可能有多達(dá)10幾路的電源軌需要進(jìn)行精確的時(shí)序設(shè)計(jì)，一不小心如果有一路時(shí)序設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就功虧一簣。而數(shù)字電源的應(yīng)用，讓時(shí)序和同步控制變得異常簡(jiǎn)單，Zilker系列數(shù)字電源管理芯片使用單線制的DDC總線和SYNC管腳就可輕松實(shí)現(xiàn)各路電源軌之間的同步和時(shí)序管理，不再需要使用專門的頻率同步信號(hào)發(fā)生器件和時(shí)序控制器件，只需通過(guò)單線將各芯片的DDC管腳和SYNC管腳分別連接在一起，相應(yīng)器件的時(shí)序和工作的相位就可以進(jìn)行精確的設(shè)定。時(shí)序設(shè)定是通過(guò)配置Pre Sequence和Sequence寄存器實(shí)現(xiàn)，同步和相位是通過(guò)配置SYNC Output Mode，SYNC Input Mode, SYNC Pin Configure來(lái)實(shí)現(xiàn)。

而芯片運(yùn)行的過(guò)程中是完全不需要外部控制的，只需事先將配置文件寫入芯片中，芯片就可以完全在獨(dú)立運(yùn)行的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)精確的排序和同步錯(cuò)相功能了。

下圖是通過(guò)配置的基于ZL系列數(shù)字電源芯片電源軌的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形圖以及輸出電壓軌的時(shí)序控制結(jié)果：

圖1：電源軌相位交錯(cuò)效果

圖2：系統(tǒng)的上電時(shí)序控制效果

圖3：系統(tǒng)的下電時(shí)序控制效果

從上面的圖像可以看出，通過(guò)配置后電源系統(tǒng)輕松實(shí)現(xiàn)了排序、同步和錯(cuò)相等功能，工作狀態(tài)穩(wěn)定。同時(shí)在使用了數(shù)字電源解決方案后，出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)也可以通過(guò)軟件進(jìn)行及時(shí)簡(jiǎn)單的進(jìn)行修正，不需要重新花費(fèi)人力物力來(lái)對(duì)復(fù)雜的硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員也可以節(jié)省更多的時(shí)間去完成對(duì)系統(tǒng)處理功能的優(yōu)化，潛在的經(jīng)濟(jì)效益也很大。

2.數(shù)字電源對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗管理的幫助

針對(duì)工業(yè)界越來(lái)越嚴(yán)格的能耗管理需求，為使電源系統(tǒng)能夠得到最優(yōu)化的效能。除了提高電源系統(tǒng)的工作效率，另一個(gè)途徑就是針對(duì)系統(tǒng)處理器芯片工作在不同業(yè)務(wù)密度時(shí)，動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)處理器芯片的供電電壓來(lái)優(yōu)化處理器的能耗，通常情況下即要實(shí)現(xiàn)下面的功能：當(dāng)系統(tǒng)處在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，需要系統(tǒng)有很強(qiáng)的處理能力，讓系統(tǒng)達(dá)到最高的處理速度和能力，需要相應(yīng)的提高系統(tǒng)處理器芯片的供電電壓；而當(dāng)系處于低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，又需要盡可能的把閑散的功能模塊屏蔽，不讓或者少讓其損耗能量，從而相應(yīng)的降低系統(tǒng)處理器芯片的供電電壓。

使用模擬電源方案，電源系統(tǒng)的輸出電壓是由硬件固定設(shè)置的，不能夠或者很難進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。而使用了數(shù)字電源方案，我們不僅可以通過(guò)接口（Zilker系列數(shù)字電源使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C/SMBUS接口）和相應(yīng)的協(xié)議（Zilker系列數(shù)字電源使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的PMBus協(xié)議）實(shí)時(shí)的控制電源的輸出，而且還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源軌的工作電壓、電流、溫度等信息（如圖4是通過(guò)Intersil公司的GUI顯示了多路數(shù)字電源軌的工作狀態(tài)）， 這樣可以比較容易的實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理和性能優(yōu)化了。

圖4：系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控

通常的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)流程圖如下圖5所示，在調(diào)節(jié)的過(guò)程中需要CPU發(fā)送調(diào)節(jié)指令，對(duì)于模擬電源來(lái)說(shuō)，指令是不能夠被直接接收和執(zhí)行的，那么整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程就不能夠有效的執(zhí)行。只有使用了數(shù)字電源的系統(tǒng)才能有效的進(jìn)行相應(yīng)指令接收和操作，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗的管理和優(yōu)化就變的有操作性了。

圖5：根據(jù)負(fù)載運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)對(duì)電源軌電壓進(jìn)行調(diào)整

3.數(shù)字電源應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性的幫助

幾乎所有的ZL系列數(shù)字電源都帶有自動(dòng)補(bǔ)償功能（Auto Compensation），數(shù)字電源的自動(dòng)補(bǔ)償功能用來(lái)幫助設(shè)計(jì)工程師對(duì)電源設(shè)計(jì)中復(fù)雜的反饋環(huán)路進(jìn)行設(shè)計(jì)的輔助工具。

但是使用自動(dòng)補(bǔ)償還可以實(shí)現(xiàn)其他一些有用的功能，例如幫助提高系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性。

ZL系列數(shù)字電源中數(shù)字補(bǔ)償回路的參數(shù)包括以下三個(gè)參數(shù)：Gc,Fn和Q，其中Gc為增益，這個(gè)值用來(lái)補(bǔ)償功率通路直流增益的不足，增加低頻增益，以達(dá)到更加緊密的輸出電壓調(diào)節(jié)精度。Fn為自然頻率，用來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)中輸出濾波器件在諧振頻率處產(chǎn)生的雙極點(diǎn)，以保證電壓的設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定可靠。而Q值則是一個(gè)逼近電源本身輸出濾波器件品質(zhì)因素的參數(shù)，當(dāng)電源本身的品質(zhì)因素發(fā)生變化的時(shí)候，補(bǔ)償?shù)腝值就會(huì)隨之變化，以補(bǔ)償這部分的變化。而對(duì)于自動(dòng)補(bǔ)償器件來(lái)說(shuō)，這三個(gè)參數(shù)是可以根據(jù)電源的設(shè)計(jì)自動(dòng)產(chǎn)生的，只要將自動(dòng)補(bǔ)償功能啟動(dòng)，就可以產(chǎn)生一套參數(shù)。

那么通過(guò)觀察系統(tǒng)補(bǔ)償值的變化，我們是否就可以了解系統(tǒng)中的各個(gè)分立器件參數(shù)的變化情況呢？帶著這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)行了研究。下面以ZL8101為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的1V30A的數(shù)字電源的軌作為例子，對(duì)電源進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償測(cè)試，比較在不同情況下得到的自動(dòng)補(bǔ)償結(jié)果，得到如下表的參數(shù)：

表1:不同系統(tǒng)狀況下的自動(dòng)補(bǔ)償參數(shù)

對(duì)比上面三組參數(shù)，很明顯，在輸出電容不同的情況下，補(bǔ)償參數(shù)中的Q值有明顯的變化。這個(gè)說(shuō)明了什么呢？

對(duì)于Q值，前面說(shuō)過(guò)，其和整個(gè)電源軌的品質(zhì)因素有直接關(guān)系，它是補(bǔ)償電源軌功率通路品質(zhì)因素的，當(dāng)功率通路品質(zhì)因素發(fā)生變化的時(shí)候，Q值當(dāng)然也應(yīng)該發(fā)生變化，只有這樣我們才能得到一個(gè)穩(wěn)定的補(bǔ)償回路，系統(tǒng)才能夠可靠的工作，這結(jié)果即得到了不同情況下單自動(dòng)補(bǔ)償參數(shù)值，也從側(cè)面反映了自動(dòng)補(bǔ)償功能的可靠性。

而對(duì)于數(shù)字電源來(lái)說(shuō)，一個(gè)電源軌中除了功率通路之外，就是數(shù)字控制器本身，外圍其他電路已經(jīng)被減少到了基本沒(méi)有的地步，所以功率回路和數(shù)字控制器就是最主要的器件了，我們只要保證了這兩種器件的可靠性就可以保證整個(gè)電源軌的可靠性，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。而對(duì)于半導(dǎo)體器件，本身的可靠性非常高，失效率也極低，一旦設(shè)計(jì)完成，他的失效率就基本可以忽略不計(jì)；對(duì)于磁性元器件，由于其是物理結(jié)構(gòu)，在整個(gè)生命周期中都比較穩(wěn)定，在不受外界應(yīng)力干擾的情況下，失效率同樣極低；只有一個(gè)器件是容易產(chǎn)生失效的，這個(gè)器件就是輸出級(jí)的大容量?jī)?chǔ)能電解電容，電解電容的失效率會(huì)隨著工作時(shí)間增加而增加。在使用模擬電源產(chǎn)品的時(shí)候，系統(tǒng)的可靠性是由第一次設(shè)計(jì)來(lái)保證，但是在設(shè)計(jì)的時(shí)候是不會(huì)考慮到電容失效這種情況的，設(shè)計(jì)出來(lái)的電源產(chǎn)品只能在保證電路主要器件完好情況下的可靠性，就是說(shuō)如果輸出電容發(fā)生失效，或性狀發(fā)生變化的時(shí)候是不能保證電源正常工作可靠性的，而電容是否發(fā)生故障或者會(huì)什么時(shí)候發(fā)生故障，這個(gè)是沒(méi)有辦法知道的，所以模擬電源的長(zhǎng)期可靠性也無(wú)從監(jiān)控或者追蹤。但是通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，使用數(shù)字電源的自動(dòng)補(bǔ)償功能，首先我們能夠在輸出電容發(fā)生變化的時(shí)候，仍然保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其次，當(dāng)輸出電容發(fā)生變化后，我們可以通過(guò)自動(dòng)補(bǔ)償功能檢測(cè)到這個(gè)變化，從而預(yù)先防止電源的進(jìn)一步惡化，在整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)較大問(wèn)題之前我們就可以知道并且更換掉即將失效的器件，從而可以有效的阻止整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。

使用數(shù)字電源的系統(tǒng)，我們能夠通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的自動(dòng)補(bǔ)償參數(shù)值的變化，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)的對(duì)比，從中了解到系統(tǒng)中的某些元器件的老化程度，從而決定是否需要及時(shí)的進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和元器件更換。這即增強(qiáng)了系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性也為系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性的評(píng)估提供了一個(gè)可行的辦法，并且所有的這些工作都只需要通過(guò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)系統(tǒng)中的數(shù)字電源就可以實(shí)現(xiàn)，從而可以有效的降低系統(tǒng)后期的維護(hù)費(fèi)用和成本，有非常重要的實(shí)際意義。

綜合上述得到的使用數(shù)字電源的優(yōu)點(diǎn)，以及傳統(tǒng)來(lái)說(shuō)使用數(shù)字電源得到的外圍分立元器件的減少和系統(tǒng)的更加智能化，數(shù)字電源應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)就顯得異常突出了。業(yè)界還有什么理由來(lái)拒絕使用數(shù)字電源產(chǎn)品呢？