數(shù)字功率管理的優(yōu)勢(shì)成為設(shè)計(jì)人員爭(zhēng)論熱點(diǎn)
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然而，真正需要數(shù)字控制嗎？數(shù)字技術(shù)的擁戴者認(rèn)為這種趨勢(shì)是無可避免的，在經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師缺乏時(shí)尤其如此，但模擬陣營卻指出模擬設(shè)計(jì)成本更低。
“數(shù)字功率管理包括兩種類型：數(shù)字控制功率轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)級(jí)數(shù)字功率管理，”美國國家半導(dǎo)體公司便攜式電源系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)總監(jiān)Ravi Ambatipudi介紹說。他指出，傳統(tǒng)上，功率轉(zhuǎn)換器是和模擬控制環(huán)路以及模擬電路設(shè)計(jì)在一起的。而“在數(shù)字功率管理的最基本形式中，功率轉(zhuǎn)換器是和完整的數(shù)字控制環(huán)路及數(shù)字電路設(shè)計(jì)在一起的。除了外部輸出濾波器之外，沒有別的模擬元件，”他解釋道，“系統(tǒng)級(jí)數(shù)字功率管理涉及了系統(tǒng)級(jí)芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠使用先進(jìn)功率管理專用接口智能地控制電壓調(diào)節(jié)器。”
ADI主張有兩種方法定義數(shù)字功率控制：一是功率控制器的轉(zhuǎn)換器具有串行總線端口時(shí)，或者是由控制環(huán)路本身定義。有些公司(包括ADI)提供的控制器能夠進(jìn)行完全環(huán)路控制并具有SMBus接口、數(shù)字通信報(bào)告和狀態(tài)信息，但有一個(gè)以模擬形式被控制的環(huán)路。
既然定義無法達(dá)成一致，而且模擬也一直工作良好，那么，究竟是什么在驅(qū)動(dòng)數(shù)字控制市場(chǎng)呢？
Silicon Laboratories公司市場(chǎng)總監(jiān)Don Alfano 認(rèn)為：“首先，現(xiàn)在的設(shè)備都日趨小巧，功能更加密集。這意味著有更多的電路，或電路數(shù)量相同但運(yùn)行更快，從而產(chǎn)生更大的電流。由此一來，就存在空間和效率的問題，因?yàn)殡娏骷哟?，器件往往產(chǎn)生過多的熱量。而不斷縮小的工藝尺寸導(dǎo)致了對(duì)極精確功率調(diào)節(jié)的需求。”
關(guān)于哪一種方案更好，并沒有定論，Maxim公司業(yè)務(wù)經(jīng)理Ahmad Ashrafzadeh指出，復(fù)雜系統(tǒng)的需求為考慮和研究數(shù)字方案以進(jìn)行功率管理做好了鋪墊，這似乎在不久之前還是不可能的。“不幸的是，正如所有新技術(shù)一樣，該技術(shù)也存在著大肆渲染夸張的現(xiàn)象，一旦經(jīng)過它的自然發(fā)展進(jìn)程穩(wěn)定下來，這種現(xiàn)象即會(huì)煙消云散，”他補(bǔ)充說。
“2004年，業(yè)界的嵌入式設(shè)計(jì)到達(dá)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即投在功率管理上的時(shí)間、金錢和電路板空間比投在功率轉(zhuǎn)換上的還要多，”Zilker Labs公司創(chuàng)始人兼市場(chǎng)副總裁 Jim Templeton表示，“對(duì)相關(guān)半導(dǎo)體企業(yè)而言，這成為一個(gè)非常有趣的問題。而現(xiàn)在，它是確保集成性的一大重要問題。”
這么做的第一步是把功率轉(zhuǎn)換到數(shù)字領(lǐng)域，以支持結(jié)合功率管理和轉(zhuǎn)換功能所需的邏輯密度。
Templeton表示，在功率環(huán)境中提及數(shù)字技術(shù)唯一有意義的時(shí)候是在談?wù)撧D(zhuǎn)換環(huán)路(控制功率調(diào)節(jié)的反饋環(huán)路)本身。“數(shù)字功率必須包括功率轉(zhuǎn)換方面。在數(shù)字功率中，必須把信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，并在數(shù)字域?qū)﹀e(cuò)誤信號(hào)和補(bǔ)償環(huán)路進(jìn)行處理，然后再將其輸出到關(guān)閉環(huán)路的PWM中，”他指出。
Primarion公司工程副總裁Steve Pullen則認(rèn)為，對(duì)大多數(shù)功率客戶而言，最棘手的問題只是如何找到時(shí)間和資源來開發(fā)能夠解決復(fù)雜功率管理問題的解決方案。此外，他補(bǔ)充道：“在選擇功率解決方案時(shí)應(yīng)考慮到的前5個(gè)推動(dòng)因素就是成本、成本、成本、成本和尺寸。”
國半的Ambatipudi認(rèn)為工程師完成一個(gè)數(shù)字功率設(shè)計(jì)要面臨的4大挑戰(zhàn)是：
1. 把模擬輸出電壓轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。輸出電壓本質(zhì)上是模擬的，要轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字形式，需要高速、高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。
2. 把數(shù)字環(huán)路濾波器的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，需要用到數(shù)字PWM。要獲得所需的分辨率，需要消耗相當(dāng)大的功率。數(shù)字PWM的分辨率必須大于輸出電壓A/D的分辨率以避免極限環(huán)振蕩(limit-cycle oscillations)。
3. 只采用數(shù)字技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)某些控制功能，比如輸入電源電壓前饋(feed-forward)，以及某些系統(tǒng)功能，如限流、振蕩器，電壓電流參考等。
4 .需要雙電壓硅工藝技術(shù)來同時(shí)支持面向密集數(shù)字電路的低電壓與面向輸出功率FET或驅(qū)動(dòng)器的高電壓。
圖1：脈沖寬度調(diào)制是數(shù)字功率控制的關(guān)鍵所在
“便攜式應(yīng)用中客戶面臨的最大挑戰(zhàn)之一節(jié)省能源，因?yàn)樗麄兪褂玫氖请姵兀?rdquo;Summit Microelectronics公司應(yīng)用工程主管Tom DeLurio表示，“他們需要關(guān)斷某些功能并動(dòng)態(tài)改變電壓以停止電池的消耗。此外，客戶還希望能夠關(guān)斷那些暫不需要的功能的不同供電電壓，并把元件數(shù)目減至最少，以適應(yīng)外形日益小巧的設(shè)備。”
究竟哪一個(gè)才是最好的設(shè)計(jì)，數(shù)字還是模擬？至今，答案很大程度上取決于應(yīng)用。此外還取決于設(shè)計(jì)人員在數(shù)字和模擬領(lǐng)域的專業(yè)能力。必需考慮到需要集成的部分有哪些，以及哪些東西涉及到工藝技術(shù)。
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