數(shù)字電源帶來的設(shè)計(jì)變革

數(shù)字電源是當(dāng)今的熱門話題。采用數(shù)字技術(shù)的電源使功率轉(zhuǎn)換和電源控制發(fā)生快速改變。即便數(shù)字電源炙手可熱，工程師對數(shù)字電源的接受速度看起來還是很慢。擺在數(shù)字電源面前的兩個(gè)最大障礙是可見成本和知識(shí)產(chǎn)權(quán)(專利侵權(quán))。當(dāng)然，成本對非常簡單的電源設(shè)計(jì)的確是個(gè)問題。但在需要電源管理、故障管理、遙測的更復(fù)雜設(shè)計(jì)中，由于大多數(shù)產(chǎn)品的集成度都比較高，數(shù)字電源在成本上是有優(yōu)勢的。諸如Intersil Zilker Labs的ZL2008的新產(chǎn)品的上市，為解決知識(shí)產(chǎn)權(quán)難題提供了靈活的處理原則，知識(shí)產(chǎn)權(quán)、授權(quán)交易都已經(jīng)得到解決。一旦排除這些障礙，數(shù)字電源將成為功率轉(zhuǎn)換的發(fā)展方向。

本文將解答“為什么應(yīng)該改用數(shù)字電源” 這個(gè)問題“。要回答這個(gè)問題，首先來看看兩個(gè)相關(guān)的問題：為什么要全面改變?為什么要從模擬技術(shù)改用其他技術(shù)?

為什么要全面改變?

對這個(gè)問題的簡短回答是，確實(shí)沒有其他選擇。技術(shù)在不斷進(jìn)步，因此功率轉(zhuǎn)換的需求也在變化。伴隨這些變化而來的是政府法規(guī)的變化及經(jīng)濟(jì)因素的變化。

從電源的角度看，負(fù)載正在發(fā)生變化。半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)的方向是工藝尺度越來越小，這推動(dòng)著負(fù)載發(fā)生改變。以前的微處理器和ASIC需要幾伏電壓，現(xiàn)在則需要不到1伏電壓。這意味著，電源的驅(qū)動(dòng)阻抗必須比以前的電源低得多。新出現(xiàn)的應(yīng)用產(chǎn)生了新的負(fù)載類型(如高亮度LED)。電路板變得更加擁擠，因此元器件的集成度也在提高。功率轉(zhuǎn)換對電源提出的要求遠(yuǎn)不是滿足靜態(tài)要求那么簡單。事實(shí)上，需求的變化正在加速。為滿足技術(shù)變化的要求，電源工程師要跳出條條框框，尋找能夠滿足今天和未來設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的解決方案。

政府的法規(guī)也不是一成不變的。從限制使用有害物質(zhì)，到對電源質(zhì)量的要求，再到對效率的要求，法規(guī)因素使我們的設(shè)計(jì)超出了簡單的功率轉(zhuǎn)換的范疇，而是必須進(jìn)行更全面的考慮。設(shè)計(jì)的變化必須跟上法規(guī)的需求變化。此外，在經(jīng)濟(jì)全球化的時(shí)代，不但是當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)，客戶所在的國家也會(huì)制定電源方面的相關(guān)法規(guī)。

最后，經(jīng)濟(jì)因素導(dǎo)致的壓力頁越來越大，這要求工程師設(shè)計(jì)出創(chuàng)新的產(chǎn)品，為客戶提供更多價(jià)值。這不僅要求產(chǎn)品的價(jià)格便宜，而且還關(guān)心為實(shí)現(xiàn)一定性能所付出的成本。一輛自行車可能比一輛汽車便宜得，但如果你需要在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)從北京趕到天津，無論自行車多么便宜，自行車都不可能滿足這個(gè)要求。你需要更多先進(jìn)的技術(shù)。定價(jià)競爭的壓力、燃料成本、人工成本和質(zhì)保成本只是推動(dòng)電源設(shè)計(jì)發(fā)生變化的經(jīng)濟(jì)因素當(dāng)中的幾個(gè)。

經(jīng)濟(jì)因素迫使企業(yè)雇傭更少的電源工程師。因此，以前需要好幾個(gè)工程師和近一年時(shí)間完成的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在必須用一個(gè)兼職工程師在幾個(gè)月內(nèi)完成。

為什么要從模擬轉(zhuǎn)向其他技術(shù)?

如果模擬功率轉(zhuǎn)換是完美無缺的，顯然就沒有必要從模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制。模擬電源控制有其局限性，其中一個(gè)關(guān)鍵的局限性是模擬控制器缺乏靈活性，影響到了隨環(huán)境而變的能力。特別是，模擬控制器的功能是固定的，控制器所使用的模擬元器件受限，數(shù)值也是固定的。

模擬控制器的特性是由硅芯片和外部元器件的參數(shù)控制器來設(shè)定的。如果需要改變內(nèi)部的特性，有兩個(gè)選擇：要不改變硅芯片，要不增加外部的有源器件來廢止、改進(jìn)、模仿或替代控制器。改變硅芯片的時(shí)間從3個(gè)月到超過1年不等，而且硅芯片的設(shè)計(jì)變化常常趕不上市場的變化。增加外部有源器件會(huì)增加成本，使進(jìn)度延后，降低功率密度，而且通常會(huì)對可靠性造成負(fù)面影響。

用于設(shè)定控制器可變工作參數(shù)的外部元件的數(shù)值是固定的，可用的數(shù)值也是受限的。例如，如果選定了一個(gè)電阻并把電阻焊到電路板上，只有把電阻取下來并用其他電阻替換，才能改變電阻值。而且，外部元件的數(shù)值只有一個(gè)，無法適應(yīng)變化的環(huán)境。當(dāng)然，非線性電容器、電阻和電感器偶而也會(huì)用在電源設(shè)計(jì)當(dāng)中，但這些元件的變化范圍仍然是固定的。如果你使用一個(gè)正溫度系數(shù)(PTC)電阻，這個(gè)電阻不可能表現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)電阻的特性。因此，模擬電源控制設(shè)計(jì)仍然受限于其進(jìn)行優(yōu)化、或適應(yīng)變化的負(fù)載或環(huán)境狀況的能力。

除此之外，我們只能采用供應(yīng)商產(chǎn)品目錄里面的阻值、容值和感值，而且元件的數(shù)值還受到物理特性的制約。電阻、電容器和電感器只有正的數(shù)值。這種數(shù)值上的限定會(huì)制約模擬解決方案的參數(shù)空間。雖然大多數(shù)模擬電源設(shè)計(jì)者都明白只能用正值的元件，但他們對電路工作狀態(tài)的限定卻不甚了了。在做設(shè)計(jì)變更時(shí)，假使你所用的模擬元件沒有限定，你在方案選擇上所受到的限制要少得多。

一個(gè)相關(guān)的例子出現(xiàn)在電壓模式控制的補(bǔ)償當(dāng)中。在電壓模式控制中，輸出濾波電感器和電容器形成了閉環(huán)傳遞函數(shù)中的雙極點(diǎn)。在高效電路里，這個(gè)雙極點(diǎn)可能會(huì)變成一個(gè)復(fù)數(shù)共軛成對極點(diǎn)。一個(gè)Type III模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(圖)通常用來對電壓模式控制器進(jìn)行補(bǔ)償。糟糕的是，采用電阻和電容器實(shí)現(xiàn)的典型Type III補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，只有一個(gè)實(shí)零點(diǎn)可以補(bǔ)償受控器件的極點(diǎn)。如果沒有出現(xiàn)對復(fù)數(shù)極點(diǎn)補(bǔ)償不足的情況，實(shí)零點(diǎn)勉強(qiáng)能做些補(bǔ)償。在Type III補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中，用正值的電阻和電容器不可能實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)共軛零點(diǎn)。工程師設(shè)法用有限的模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對電壓模式控制器進(jìn)行補(bǔ)償，但在上面提到的情況下，是無法實(shí)現(xiàn)足夠的補(bǔ)償，從而會(huì)在這方面浪費(fèi)大量的時(shí)間。

為什么改用數(shù)字電源?

假設(shè)我們必須從模擬控制轉(zhuǎn)向其他技術(shù)，為什么數(shù)字控制是解決問題的辦法呢?數(shù)字控制能解決問題，是因?yàn)樗哂斜饶M控制更好的性能、更靈活且在復(fù)雜的設(shè)計(jì)中更易用。數(shù)字控制發(fā)揮了模擬控制的優(yōu)點(diǎn)，并超越模擬控制。

想象一下使用同樣的電源元器件，包括相同的FET、電感器、電容器，把使用模擬控制器和數(shù)字控制的系統(tǒng)性能做個(gè)比較。起初，你自然會(huì)想到，既然性能是由元器件決定的，很難說性能會(huì)有什么差別。但接著你會(huì)意識(shí)到，控制器會(huì)影響到性能的很多方面。下面是一些例子。

1.瞬態(tài)響應(yīng)：控制機(jī)制極大影響了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。例如，與電流模式相比，磁滯控制器的瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)有很大不同。每種控制模式都既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。數(shù)字解決方案讓你能無縫地從一種模式轉(zhuǎn)換到另一種模式，以提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應(yīng)。雖然模擬解決方案可以提供很好的點(diǎn)方案，但極少出現(xiàn)足夠靜態(tài)的工作狀況，讓你能實(shí)現(xiàn)所設(shè)想的點(diǎn)方案。

2.調(diào)節(jié)精度：一般來說，調(diào)節(jié)精度是根據(jù)線電壓、負(fù)載和溫度來定義的，因?yàn)檫@些條件中的每一個(gè)都會(huì)影響調(diào)節(jié)精度。數(shù)字控制器可以監(jiān)視這些條件，并采取控制措施，在整個(gè)工作條件范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化。

3.穩(wěn)定性：數(shù)字控制能夠提供比模擬方案更好的補(bǔ)償(更好地調(diào)用極點(diǎn)和零點(diǎn))，因此在穩(wěn)定性上的控制要好很多。另外，補(bǔ)償能夠隨著條件的變化而變化，使系統(tǒng)能在很寬范圍的條件下實(shí)現(xiàn)最佳的穩(wěn)定性。模擬控制器的補(bǔ)償是固定的，而數(shù)字控制可提供可調(diào)的甚至是自適應(yīng)的補(bǔ)償。

4.故障響應(yīng)：數(shù)字電源控制器提供了大量故障響應(yīng)的選項(xiàng)。每種故障都有唯一的響應(yīng)特性，可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行調(diào)整。模擬控制器一般只有一個(gè)固定的故障響應(yīng)(如斷電/斷續(xù)/過載)，用戶也只能選擇用或者不用。數(shù)字控制還能提供濾波器功能，降低虛假故障的可能。

5.效率：許多控制結(jié)果都會(huì)影響到效率，包括死區(qū)時(shí)間、開關(guān)頻率、柵極驅(qū)動(dòng)等級、二極管仿真、加相和缺相等。針對這些因素，當(dāng)前數(shù)字控制所提供的數(shù)字控制算法在整個(gè)工作條件范圍內(nèi)進(jìn)行了優(yōu)化。因此，在某個(gè)工作點(diǎn)下，你也許能將模擬控制器調(diào)整到很高的效率，但數(shù)字控制器卻可對所有的工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

6.可靠性：減少元件數(shù)量、降低工作溫度(通過效率優(yōu)化)是數(shù)字電源提高系統(tǒng)可靠性的兩個(gè)途徑。此外，靈活的故障響應(yīng)和探測元器件參數(shù)微小變化的能力，可以大幅減少停機(jī)時(shí)間。

實(shí)際情況是，對大多數(shù)簡單的設(shè)計(jì)和基本要求來說，數(shù)字控制可能有點(diǎn)大材小用。當(dāng)然，數(shù)字電源控制的靈活程度足以應(yīng)付這些簡單的應(yīng)用，其功能可能超出實(shí)際所需。另一方面，最復(fù)雜的設(shè)計(jì)需要完整的特性集，很難找到不增加很多電路就能勝任此項(xiàng)任務(wù)的模擬控制器。此時(shí)，數(shù)字控制器顯然是備受歡迎的解決辦法。

數(shù)字電源控制器適用于各種各樣的應(yīng)用，無需借助附加電路。從這個(gè)意義上說，這項(xiàng)技術(shù)的靈活性要遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬技術(shù)。

數(shù)字電源控制一般比模擬控制器具有更高的集成度。但是，集成度還不足以滿足設(shè)計(jì)重用和靈活性的要求。元件數(shù)值也需要靈活可變。設(shè)想一下，一個(gè)典型模擬補(bǔ)償器的補(bǔ)償元件(電阻和電容器)被集成到控制器中，電阻和電容器的值是固定的。把這些元件集成進(jìn)來，實(shí)際上降低了控制器的靈活性，除非采取某種辦法，能夠調(diào)節(jié)元件的數(shù)值，適應(yīng)應(yīng)用的要求。例如在數(shù)字控制器里，補(bǔ)償器被集成到控制器中，補(bǔ)償參數(shù)存放在控制器存儲(chǔ)器中的數(shù)字寄存器當(dāng)中。若要改變補(bǔ)償參數(shù)，只需簡單地改變寄存器里的數(shù)值。

數(shù)字電源控制器在易用性方面比模擬控制器更有優(yōu)勢。首先，由于數(shù)字電源控制的高集成度，需要確定、采購、跟蹤的元器件數(shù)量要少很多，這使得數(shù)字電源控制器非常容易使用。其次，集成元件的數(shù)值由數(shù)字寄存器定義，寄存器里的數(shù)值可以很容易地通過器件的引腳或數(shù)字通信接口和圖形用戶界面進(jìn)行修改。在后面的例子還將說明，對設(shè)計(jì)進(jìn)行配置只是點(diǎn)擊鼠標(biāo)這樣簡單的事情。這要比模擬方案要容易得多，因?yàn)槟M方案還需要用電烙鐵和成箱的元器件。當(dāng)你重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化的時(shí)候，每改變一次元器件的數(shù)值，都會(huì)增加設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

最后，數(shù)字控制器更容易使用，因?yàn)槟憧梢杂脦讉€(gè)數(shù)字就把設(shè)計(jì)搞定，而且用數(shù)字方式進(jìn)行設(shè)計(jì)也更容易。下面的幾個(gè)例子可用來說明這一點(diǎn)。

模擬電阻和電容器只有正的數(shù)值。把這些功能/數(shù)值用數(shù)字方式集成進(jìn)來，就消除了這個(gè)限制，這樣就更容易采用原先在模擬域很難采用的方案。

補(bǔ)償是一個(gè)非常好的例子。數(shù)字補(bǔ)償?shù)墓δ芤h(yuǎn)遠(yuǎn)多于模擬補(bǔ)償，例如高Q值電路的電壓模式控制很容易用數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)，但幾乎不可能用模擬控制器來實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)化算法以提高性能。模擬設(shè)計(jì)傾向于點(diǎn)方案，但負(fù)載、電壓源、環(huán)境條件很少是固定的。因此，可以采用優(yōu)化算法，對在這些變化條件下的性能進(jìn)行優(yōu)化。這些算法很容易在數(shù)字控制里，用嵌入式微控制器和非揮發(fā)性存儲(chǔ)器來實(shí)施。

數(shù)字控制器中的自發(fā)現(xiàn)算法把設(shè)計(jì)者從費(fèi)時(shí)的系統(tǒng)標(biāo)識(shí)中解放出來。比如，自動(dòng)補(bǔ)償是今年發(fā)布的很多數(shù)字控制器上的新功能之一?？刂破鲿?huì)確定受控裝置的特性，并采用適合那個(gè)特定裝置的的配置。

由于元器件的數(shù)值、運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境條件被存儲(chǔ)在數(shù)字寄存器里，因此可進(jìn)行遙測，并且也容易使用該功能。系統(tǒng)能夠很快診斷出故障，用很短的指令改變運(yùn)行參數(shù)，使系統(tǒng)啟動(dòng)并運(yùn)行。

借用一句中國的諺語：“不改弦更張，便會(huì)重蹈覆轍”。如果我們找不出應(yīng)對功率轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)的辦法，前景恐怕不妙。數(shù)字電源的出現(xiàn)恰逢其時(shí)，為我們提供了急需的金剛鉆?，F(xiàn)在，讓我們改變吧!