数字电源的特点与发展现状

随着半导体工艺技术的不断升级,电路板上的元器件运行速度更快、体积更小,而且还要求更多、更低的供电电压和更大的供电电流;最终系统的功能不断增加,平均售价却不断下降.此外,用户对电源的故障修复时间、电源运行状态的感知与控制的要求越来越高,电源设计人员不再满足于实时监控电流、电压、温度,还提出了诊断电源供应情况、灵活设定每个输出电压参数的要求.这些需求已是今日的模拟解决方案难以满足的.因此,作为电源管理发展的新思路的数字电源应运而生,其目标就是将电源转换与电源管理架构用数字方法集成到单芯片中,实现智能、高效的转换与控制及通信. 


数字电源是采用数字方式实现电源的控制、保护回路与通信接口的新型电源技术.可编程、响应性和数字环路控制是表征数字电源的3个主要特征. 




随着电源系统的性能和功率的不断提高,实现电源性能指标所必需的元件数量和成本也随之增加,越来越多的控制需要通过具有成本效益的数字电路实现.一般认为,在设计DC/DC变换器时,通常100W以上的系统中会应用数字控制技术;而在设计AC/DC变换器时,250W以上的系统会应用数字技术,这样电源的经济性会更高一些.因此,在未来的电源系统中,模拟与数字技术将共存相当一段时间.30年前,电源行业转向开关电源是一个很大的变化,而电源数字化趋势将会是一个更大的变化. 


模拟电源的优势与不足 




目前,除了一些专门用于微处理器的转换器之外,市场上大多数砖形转换器、中间总线转换器及负载点POL转换器仍采用模拟控制.这是因为许多模拟电源系统经过了多年的检验,可靠性还是很高的. 




可尽管模拟电源解决方案的成本、性能(如负载变化时的电源响应时间)、占板面积等指标都优于当前的数字电源解决方案,但对开发人员来说,它完全是一种固定模式的黑盒应用,抑制了开发人员发挥创造力的激情.对电源进行同步跟踪、电压排序、故障诊断及适应环境变化的能力还是比较差的. 




目前,许多高性能的DC/DC转换器仍通过简单的无源器件产生的模拟信号进行设置和控制.即使是具有最先进拓扑结构的高性能转换器,也还需要使用外部电阻、电容来确定诸如启动时间、输出点值及开关频率等参数.这些电阻、电容的值都是设计调试时确定的,制造完成后不可轻易更改,因此自适应的电源管理方案也就不可能实现.而且,为实现更多功能,就要设计更多的直接反馈电路,所以模拟控制环路会变得非常复杂. 




传统的模拟控制架构已经使用多年,但仍有不少缺陷.举例来说,模拟控制电路因为使用许多元器件而需要很大空间,这些元器件本身的值还会随使用时间、温度和其他环境条件的变化而变动,从而对系统稳定性和响应能力造成负面影响.模拟控制的控制-响应特性是由分立元器件的值决定的,它总是面向一个范围狭窄的特定负载,因此无法为所有电压值或负载点提供最优化的控制响应.换句话说,如果你需要一个可以在很多产品中重复使用而不必更换部件的设计平台,则模拟方案难以胜任.除此之外,模拟系统的测试和维修都非常困难. 


数字电源的优势与不足 




数字电源正是为了克服现代电源的复杂性而提出的,它实现了数字和模拟技术的融合,提供了很强的适应性与灵活性,具备直接监视、处理并适应系统条件的能力,能够满足几乎任何电源要求.数字电源还可通过远程诊断以确保持续的系统可靠性,实现故障管理、过电压(流)保护、自动冗余等功能.由于数字电源的集成度很高,系统的复杂性并不随功能的增加而增加过多,外围器件很少(数字电源的快速响应能力还可以降低对输出滤波电容的要求),减少了占板面积,简化了设计制造流程.同时,数字电源的自动诊断、调节的能力使调试和维护工作变得轻松. 




数字电源管理芯片易于在多相以及同步信号下进行多相式并联应用,可扩展性与重复性优秀,轻松实现负载均流,减少EMI,并简化滤波电路设计.数字控制的灵活性能把电源组合成串联或并联模型,形成虚拟电源.而且,数字电源的智能化可保证在各种输入电压和负载点上都具有最优的功率转换效率. 




相对模拟控制技术,数字技术的独特优势还包括在线可编程能力、更先进的控制算法、更好的效率优化、更高的操作精确度和可靠性、优秀的系统管理和互联功能.数字电源不存在模拟电源中常见的误差、老化(包括模拟器件的精度)、温度影响、漂移、补偿等问题,无须调谐、可靠性好,可以获得一致、稳定的控制参数.数字电源的运算特性使它更易于实现非线性控制(可改善电源的瞬态响应能力)和多环路控制等高级控制算法;更新固件即可实现新的拓扑结构和控制算法,更改电源参数也无须变更板卡上的元器件. 




数字控制还能让硬件平台重复使用,通过设计不同固件即可满足各种最终系统的独特要求,从而加快产品上市,减少开发成本、元器件库存与风险. 




数字电源已经表现出相当多的优点,但仍有一些缺点需要克服.例如,模拟控制对信号状态的反应是瞬时的,而数字电源需要一个采样、量化和处理的过程来对负载的变化做出反馈,因此它对负载变化的响应速度目前还比不上模拟电源.数字电源的占板面积要大于模拟电源,精度和效率也比模拟电源稍差.虽然数字控制方法的优点在负载点(POL)系统中非常明显,但模拟电源在分辨率、带宽、与功率元件的电压兼容性、功耗、开关频率和成本(在简单应用中)等方面仍然占有优势.不过,如果考虑到数字电源解决方案具有的优点,使用模拟电路搭建功能相似的电路,成本并不一定就比数字电源低. 




数字电源中包含的技术无疑是复杂的,但它的使用并不一定就复杂.不过它要求设计人员具有一定的程序设计能力,而目前的电源设计人员普遍都是模拟设计为主,缺乏编程方面的训练.这对数字电源的推广也造成了一定的障碍. 




人们对数字电源还有一个担心就是它还不像模拟电源那样经过多年应用的考验,因而可靠性不高.但就像数字电路在概念上就优于模拟电路一样,可靠性是设计的问题,而不是数字化的问题. 




不过,成本显然是约束数字电源广泛应用的一个主要因素.由于数字实现方式的成本看似高于相似的模拟实现方式,而且人们对于数字电源产品的采用存在顾虑,所以,从用户的角度来说,也只有当数字电源的成本等于或低于模拟电源(因为成本是中国市场考虑的第一市场因素),同时又能提供模拟电源做不到的许多先进功能的时候,数字电源才会被考虑. 




综上所述,在简单易用、参数变更不多的应用场合,模拟电源产品更具优势,因为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现.而在可控因素较多、需要更快实时反应速度、需要管理多个电源、复杂的高性能系统应用中,数字电源则具有优势. 


数字电源的实现与进展 




数字电源有几种不同的含意,实现方式也各不相同. 




最简单的是数字检测,包括监视开关电源的状态,如温度、输入/出电流、输入/出电压、开关频率(占空比)等,并根据需求向主机报告.故障状态信息甚至时间标记等信息可以存储在非易失性存储器中,并在将来某个时间上报这些信息. 




第二个定义是在“数字检测”的基础上通过数字接口控制开关电源,一般是通过I2C或类似的数字总线控制输出电压、开关频率、多通道电源的(上/下电)排序、上升斜率、跟踪、(软)启动、裕度控制、故障保护等等.实际上,目前市场上的很多电源管理集成电路都以这种方式工作. 




第三个定义是用数字电路彻底取代开关电源中的所有模拟电路,这是真正的原生数字电源.只须编写几行简单的代码,一个核心数字电源集成电路就可以配置成升压稳压器、降压稳压器、负输出、SEPIC、反激式或正激式转换器,这样将使开关电源更容易设计、配置而且更稳定.但要实现这点从目前看来是相当困难的,因为从物理定律上来说,电流是模拟信号,即使用ADC和DSP取代误差放大器和脉冲宽度调制器的数字开关电源也仍然需要电压基准、电流检测电路和FET驱动器,这些组件目前只有模拟形式的产品.此外,电感器、变压器以及电容器等模拟元器件在实现数字电源时也是不能没有的. 




传统的模拟电源是以模拟控制环路为基础的,如果在模拟控制环路外添加模拟量采样、量化电路,并辅以通信电路,即可构成上面第一个定义中所指的带数字检测的比较初级的数字电源. 




目前的数字电源大都是按照上面第二个定义(即数字控制+数字监视)实现的,电源内部的模拟控制环路由数字控制环路替代.未来是属于数字电源的,但数字化是个渐进的过程,其发展很可能由同时使用模拟和数字技术的混合系统开始,进而演进到全数字实现.以前,数字化是以采用高成本的复杂多芯片电路方案为代价的.例如,一个具有电压、电流监视及控制能力的应用可能需要很多集成电路,如高稳定度基准源、高精度多通道ADC、DAC和专用微控制器,此外还需要不小的软件开发工作量.如果再考虑成本、复杂性、线路板空间限制和严苛的产品上市时间要求,以数字方式管理电源的确需要人们付出不菲的代价. 




最近出现的数字电源产品的集成度和易用性已经达到一个更高的高度.包括传统的模拟电源厂商和新兴的数字电源芯片设计厂商在内的大部分厂商都在着手解决纯粹的电源转换以外的问题,包括添加监测功能,提供可与系统通信的数字接口,以及建立数字控制反馈环路,即在模拟变换器外面使用“数字外壳”.常见的方案有两种:(1)单芯片控制器方案.通过外接A/D转换芯片进行取样,取样后对得到的数据进行运算处理,再把结果通过D/A转换后传送到PWM芯片,从而实现单芯片控制器对开关电源的控制.这种方案的技术目前已经比较成熟,设计方法容易掌握,而且对单芯片控制器的要求不高,成本比较低.但是整套电路用到多个芯片,电路比较复杂;且经过A/D和D/A转换等步骤,会造成比较大的信号延迟,进而影响电源的动态性能和稳压精度.有些单芯片控制器整合了PWM输出,但一般单芯片控制器的运行频率有限,无法产生足够高的频率和精度的PWM输出信号.(2)通过高性能数字芯片(如DSP或MCU)对电源实现直接控制的方案.数字芯片完成信号采样、处理和PWM输出等工作.由于数字PWM输出的信号功率不足以驱动开关管,一般还需通过一个驱动芯片驱动开关管,即数字控制器与功率级之间的接口由MOSFET驱动器提供.由于这些数字芯片有较高的取样速度(DSP片内的AD转换器完成一次A/D转换只需数百纳秒,相较之下,一般8位MCU控制器要数微秒之久)和指令周期,输出的PWM信号的分辨率仅数百皮秒,过流检测和关闭电源仅须数十纳秒,可以快速有效的实现各种复杂的控制算法,使设计具备较高的动态性能和稳压精度.此外,在微处理器的支持下添加RS232/485、USB、以太网等扩展通信手段也非常方便.数字控制的电源产品能够实现大部分数字电源的功能需求,但如果不添加一些额外部件,还实现不了全部功能需求. 




这种“数字外壳”的架构存在以下问题:为了保证电源有较高的稳压精度,A/D转换器必需要有较高精度的取样,但高精度的取样频率需要更长的A/D转换时间,造成回路的实时反应能力变差.而且,高速的采样和运算将产生巨大的运算量,能达到实时要求的核心处理器还是很少的.虽然在要求比较高的场合一般都会用DSP芯片,其运算和取样速度快,功能强大,但DSP芯片结构复杂,成本比较高;而且DSP控制技术较难掌握,对设计者要求比较高.通用DSP芯片不是专门作为电源控制芯片使用的,一般的电源应用对通用DSP芯片资源的利用率不高.不过目前以DSP为主要处理单元的数字电源芯片厂商,如TI、Freescale等公司都在优化其作为数字电源核心的DSP的结构,同时努力降低成本,并改善开发手段(提供评估板、IP模块等),以帮助开发人员轻松地如期完成开发.除了DSP的方案,有的厂商提供基于MCU(如Silicon Labs公司)或状态机(如Zilker公司)的方案.MCU长于控制,而状态机的优点是低功耗.鉴于DSP和MCU两种方案各有长处,现在有的厂商(如SiliconLabs公司、Microchip公司)开始将硬件DSP和辅助MCU同时集成入芯片中,使系统性能最优,效率已经可以与模拟电源相媲美. 




软件设计对数字电源设计人员而言是另一个挑战.为降低数字电源的设计门槛,很多半导体厂商推出了不需要软件编程或者支持图形用户接口(GUI)的数字电源解决方案,设计人员通过GUI界面就能设定电源特性参数,而不需要任何编程技能.此外,还可根据具体系统的情况,设定每个输出电压的跟踪、升压时间和延时等.有的数字电源管理芯片允许设计人员通过芯片管脚配置电源特性参数.许多数字电源芯片允许在系统运行中通过电源管理总线(PMBus)来实时更改电源输出特性.系统控制算法的设计通常是在专用的集成开发环境IDE中进行,例如TI的面向DSP的CCS、Silicon Labs的基于MCS51的IDE等. 




目前,数字电源芯片的集成度已经达到较高的水平,适合复杂系统如服务器、通信设备等使用.芯片中集成数个同步控制器和自适应驱动器,有的集成了MOSFET或功率驱动模块、LDO、电荷泵及电源管理(包括热管理)功能.其他有特色的特性还包括可编程中断输出、看门狗等. 




先进的半导体制造工艺在数字电源芯片上也得以利用,其中数字电路应用0.18~0.25μm VLSI工艺;模数混合电路应用高压BiCMOS工艺还比较常见.有的厂商借鉴大功率芯片的成功设计,在数字电源芯片上采用先进的封装技术,使芯片可在工业级的温度范围内可靠工作. 


PMBus 




电源管理总线(PMBus)通信协议规范定义了一个用在功率转换器件和管理器件之间的数字通信协议(包括接口和命令).该规范对于数字电源产品的推广有着非常重要的意义,意味着数字电源产品的接口完成了标准化.借助PMBus,数字电源可以依据一套标准命令进行配置、监控和维护(设置电源的工作参数并监控其工作,而且能够在故障发生时采取应对措施),还能使多个数字电源产品协同工作. 




PMBus规范的传输层基于低成本SMBus(系统管理总线)的1.1版本,这是个功能更为强健的基于业界标准I2C串行总线的版本,具有分组错误检查和主机通知功能. 




PMBus规范定义了2个必需信号和3个可选信号:必需信号为时钟信号(SCL)和数据信号(SDA),可选信号为SMBALERT#、CONTROL和WP.SMBALERT#由任何需要获得PMBus主控器支持的从属设备发起.当SMBALERT#有效时,主控器在PMBus上发送告警(alert)响应地址,然后每个发信号(alerting)的器件将其器件地址放在SDA上.一旦器件成功地将其地址加入总线,它就会释放SMBALERT#线.SMBALERT#信号可以使从属设备(如负载点转换器)中断系统主机或总线的控制,这就使设计人员能够更容易地实现基于事件驱动的闭环控制方案.CONTROL信号用于启动和关闭单个从属设备.WP信号可用于防止意外更改存储器中的数据.此外,PMBus协议规定所有从属设备必须将其默认的配置数据保存在永久性存储器内或使用针脚编程,这样它们在上电时无须与总线通信. 




除采用SMBus传输层之外,PMBus规范还增加了用于电源设计的控制语言.PMBus的通信是按照一个连续的字节流进行的.每个字节流包含一个地址字节,一个命令字节,若干个数据字节,以及一个可选的包错误码(PEC)字节.主机使用单独的“开始”和“停止”信号来表明一个通信过程的开始和结束.而从属设备则使用单独的位来确认收到的每个字节.为了减少响应时间及处理器开销,从属设备在收到“停止”信号时立即处理并执行命令. 


结语 




毫无疑问,随着数字控制技术的发展和市场需求的驱动,电源领域里数字电源的优势将会越来越明显,但从模拟电源到数字电源的完全转换还需要很长时间,因此模拟和数字控制技术将在未来数年内共存.数字电源技术为电源设计领域注入了新的活力,同时也对电源设计人员提出了更高的要求.如何在传统技术的基础上不断创新,进而设计出满足未来市场需求的电源系统将成为电源设计人员必须面对的新课题.