模擬電源與數(shù)字電源的比較與選擇

   一種新技術(shù)的引入通常需要一個(gè)過渡過程，在這個(gè)過程中，用戶不斷地檢驗(yàn)新技術(shù)中實(shí)際可行的因素和不切實(shí)際內(nèi)容。本文旨在澄清模擬與數(shù)字電源管理之間的不同。從多方面考察兩種技術(shù)差異及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。表1、表2分別列出了各自的優(yōu)、缺點(diǎn)。

   從用戶的角度看，很難確定哪一種方式更好。不斷提高的系統(tǒng)復(fù)雜度為考慮使用數(shù)字電源管理方案的用戶鋪平了道路，雖然有些設(shè)想在不久以前還看起來難以逾越。但是，數(shù)字電源產(chǎn)品的應(yīng)用案例及其相關(guān)的一些傳說表明，人們?cè)谀撤N程度上為數(shù)字系統(tǒng)所能處理的問題蒙上了一層不切實(shí)際的光環(huán)。隨著這項(xiàng)技術(shù)步入其自然的發(fā)展軌道，應(yīng)該平息其所伴隨的神秘色彩以及不切實(shí)際的宣傳。用戶隨后所面臨的問題是：那一種方案最好？

   總的來說，電源管理沒有純粹的數(shù)字或模擬方案。以模擬控制架構(gòu)為例，其內(nèi)部脈寬調(diào)制電路即包含了數(shù)字電路，例如：時(shí)鐘、門電路等(如Bob Mammano設(shè)計(jì)的SG1524)。三十年后，數(shù)字 脈寬調(diào)制(PWM)成電路同樣也包含了明顯的模擬電路，如：ADC、基準(zhǔn)源、放大器等。因此，正確的方案選擇取決于電路功能的合理劃分，而正確的劃分又與當(dāng)前可以利用的技術(shù)和系統(tǒng)需求有關(guān)。因此，當(dāng)前的劃分標(biāo)準(zhǔn)可能不同于將來的標(biāo)準(zhǔn)。

   目前，為了滿足系統(tǒng)誤差的要求，一個(gè)理想的系統(tǒng)應(yīng)能提供較高精度，要求電源具有更小的體積，而且滿足高速通信、高速處理系統(tǒng)中微處理器或ASIC對(duì)電源容限的苛刻要求?；鶞?zhǔn)精度一般為1%，而最新的處理器、ASIC電源要求誤差不超過幾毫伏。工作在低壓狀態(tài)時(shí)，要求優(yōu)于1%的精度，而且在高溫情況下也必須滿足這一精度要求，目前大多數(shù)系統(tǒng)的工作溫度范圍為0℃～85℃。

   由于多處理器核或小尺寸處理器對(duì)應(yīng)的I/O口對(duì)于不正確的壓差所引起的“閉鎖”現(xiàn)象非常敏感，電源的跟蹤與上電順序也非常關(guān)鍵。復(fù)雜的電路板需要多電源供電，因此對(duì)上電順序和跟蹤的要求也更加嚴(yán)格。這些功能利用模擬技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)，而數(shù)字技術(shù)則可解決這一復(fù)雜問題，提供精確、簡(jiǎn)單的方案。

表1

表2

   高端系統(tǒng)要求近乎為零的故障時(shí)間，因此，對(duì)于冗余系統(tǒng)的監(jiān)控也十分重要，以確保系統(tǒng)可靠工作。這就需要了解產(chǎn)生電源故障的原因和過程，在出現(xiàn)問題時(shí)采取迅速的解決措施。用模擬技術(shù)構(gòu)建監(jiān)控電路需要很多分離元件或?qū)Ｓ秒娐?。有些系統(tǒng)由于受體積、價(jià)格及復(fù)雜度的限制，不得不簡(jiǎn)化了監(jiān)控環(huán)節(jié)，導(dǎo)致較低的系統(tǒng)可靠性。對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)來說，提供這種系統(tǒng)檢控幾乎不需要增加系統(tǒng)成本。在數(shù)字系統(tǒng)中，用于數(shù)字引擎操作的信息采用數(shù)字格式，可以很容易地增加通信容量。

   為了快速占領(lǐng)市場(chǎng)、支持產(chǎn)品的需求，設(shè)計(jì)人員常常在很倉(cāng)促情況下開發(fā)ASIC，甚至沒有經(jīng)過完整的評(píng)估就投入使用。從而使產(chǎn)品在投放市場(chǎng)的過程中處于兩難境地，一方面可能需要昂貴的招回成本，修改工作電壓、監(jiān)控電路及上電順序控制；另一方面可能忽視系統(tǒng)的可靠性，為系統(tǒng)的后續(xù)使用埋下隱患。這兩種情況都違背了零失效時(shí)間的系統(tǒng)要求，這時(shí)，比較明智的選擇可能是數(shù)字方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程，對(duì)用戶來說實(shí)現(xiàn)方便、透明的系統(tǒng)升級(jí)。

圖1：基本數(shù)字處理功能，基于MAX8688數(shù)字控制/監(jiān)測(cè)IC

方案的折中考慮

   從目前的系統(tǒng)及不斷涌現(xiàn)的需求看，利用模擬方法解決所有問題顯然不能滿足發(fā)展的需求。目前，很多用戶在考慮數(shù)字方案時(shí)，比較關(guān)心的一個(gè)問題是“閉環(huán)問題”。對(duì)于大多數(shù)工程師來說，數(shù)字電源意味著一個(gè)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、讀寫信息、更改設(shè)置、無需改變硬件進(jìn)行升級(jí)的系統(tǒng)，在數(shù)字域完成這些操作無需閉環(huán)反饋。

   對(duì)于選擇數(shù)字電源還是模擬電源這個(gè)問題，其原則應(yīng)該是“合適就好”。如上所述，數(shù)字或模擬方案都不能保證所用功能的最優(yōu)化。每種方案都有其固有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，正確的系統(tǒng)分析有助于為具體的應(yīng)用提供最合理的解決方案。

表3：模擬與數(shù)字電路分析

    上表中的脈寬調(diào)制電路(PWM)可能最好保留模擬架構(gòu)，它主要由基準(zhǔn)、誤差放大器、比較器和電壓斜波電路組成，有些方案還包括滯回電路。任何情況下，保留這些基本的模擬電路單元都是比較理想的選擇，它占用更小的硅片面積，也更便宜。PWM控制IC包括許多其它單元(電壓調(diào)節(jié)、MOSFET驅(qū)動(dòng)、遠(yuǎn)端檢測(cè)放大器、欠壓鎖存電路及過壓、過流保護(hù)電路)，但大部分電路不受PWM電路形式(模擬或數(shù)字)的影響。

   對(duì)保護(hù)電路的需求沒有改變，但要求電路在發(fā)生故障時(shí)做出快速響應(yīng)，一般要求在幾個(gè)ns以內(nèi)。采用最快的并行比較型ADC結(jié)構(gòu)，可以提高數(shù)據(jù)量化的速度，但更多的響應(yīng)時(shí)間由判決引擎(處理器或狀態(tài)機(jī))決定。考慮到驅(qū)動(dòng)鏈路固有的傳輸延時(shí)，所產(chǎn)生的總延時(shí)是難以接受的。因此，過流、過壓保護(hù)功能需要放在模擬電路側(cè)。

   對(duì)于電流的測(cè)量，通常需要一個(gè)低失調(diào)、高線性度、高共模抑制比的差分放大器。這些要求不受量化數(shù)據(jù)的影響，只能通過高性能模擬電路才能滿足這一嚴(yán)格的要求。實(shí)際設(shè)計(jì)中，無論是否量化數(shù)據(jù)，電流和溫度的監(jiān)測(cè)需采用模擬方案。

   不管采用數(shù)字方案還是模擬方案，基準(zhǔn)源都是必需的。在數(shù)字系統(tǒng)中，它為ADC提供參考電壓，從某種程度上講這也更傾向于模擬設(shè)計(jì)。ADC為數(shù)字輸出，但決定其精度與線性指標(biāo)的是模擬電路。為此，我們把基準(zhǔn)和ADC都放在了表3的左側(cè)。

   顯然，通信電路屬于數(shù)字部分，非易失存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)電源設(shè)置。不管是處理器還是狀態(tài)機(jī)，都是數(shù)字方案的控制核心。DAC包含大部分模擬電路，但是，考慮到數(shù)字電路在DAC中的重要地位，我們將其置于表格右側(cè)。

   另外一項(xiàng)有價(jià)值的數(shù)字技術(shù)是低速控制回路，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)模擬輸出的精度。該任務(wù)不可能由模擬電路實(shí)現(xiàn)，而是依靠高性能ADC精確、復(fù)雜的校準(zhǔn)過程來實(shí)現(xiàn)，由此我們可以看到一個(gè)真正的混合信號(hào)處理架構(gòu)，是精密的模擬電路與靈活的數(shù)字電路的有機(jī)結(jié)合。這種機(jī)制中所需要的ADC與數(shù)字PWM中的ADC不同。PWM ADC要求擁有高分辨率和速率，而ADC不可能在同時(shí)擁有高速、高精度的同時(shí)保持低成本?？偟膩碚f，PWM ADC必須采用閃電式ADC提供必要的速率，而這種ADC拓?fù)?/strong>在分辨率超過8位時(shí)就不太實(shí)用了，8位ADC與12位ADC相比精度降低了大約16倍，因此，比較可行的方案是選擇12位SAR ADC，能夠以較低的成本提供高精度和合理的轉(zhuǎn)換速率。

   經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換后，用戶可以方便地設(shè)定多個(gè)門限檢測(cè)過壓、欠壓、過流、高溫等故障。為了在檢測(cè)到上述故障時(shí)做出快速的響應(yīng)，有必要選擇模擬電路，但非常精確的門限檢測(cè)則需通過數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電路可以為上述檢測(cè)設(shè)定多種門限，并可以用不同方法實(shí)現(xiàn)。例如，告警和故障門限可以簡(jiǎn)單地用標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)，也可以控制關(guān)閉輸出。

   為大部分現(xiàn)有的模擬PWM架構(gòu)增加數(shù)字功能的一種方法是結(jié)合專用IC，例如Maxim的MAX8688。該IC配合模擬PWM電路，可以實(shí)現(xiàn)一系列數(shù)字功能。這種方法有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是所選擇的電源管理器件仍然可以作為主電源輸出；二是所有用于監(jiān)控、跟蹤、裕量設(shè)置、基準(zhǔn)設(shè)置的分立電路可以針對(duì)一個(gè)電源進(jìn)行設(shè)置，結(jié)合一些附加的邏輯電路，我們的器件提供4×4 TQFN封裝。

   利用檢流電阻、電感或電路板引線的直流電阻可以檢測(cè)不同的輸出電壓、電流，從而監(jiān)視電源輸出。通過比較REFIN和反饋信號(hào)，直接控制PWM操作和輸出電壓設(shè)置。借助用戶可編程寄存器智能模塊，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、啟動(dòng)延時(shí)、關(guān)閉延時(shí)、軟關(guān)閉、擺率控制等功能，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)過壓、欠壓、過流、高溫保護(hù)。

   作為輸出監(jiān)控的附屬產(chǎn)品，裕量與電流分配等簡(jiǎn)單功能不增加系統(tǒng)的任何成本。這樣，在考慮整個(gè)系統(tǒng)成本的情況下，MAX8688提供了一種簡(jiǎn)單而又精準(zhǔn)的數(shù)字電源管理方法。