模擬電源與數(shù)字電源的關系，一直是業(yè)界討論的熱點話題。兩種技術哪個更有前景?未來會不會呈現(xiàn)“一邊倒”的趨勢?正巧兩位業(yè)界大佬先后蒞臨北京，且聽聽他們是怎么說的。
處理負載與效率時，還得看數(shù)字電源
Microchip公司16位單片機部門產(chǎn)品營銷經(jīng)理Tom Spohrer
Microchip公司16位單片機部門產(chǎn)品營銷經(jīng)理Tom Spohrer表示，在應對負載與效率的關系時，數(shù)字電源技術更勝一籌。如圖1 CSCI效率要求圖所示，要想達到最高等級的鈦金標準，器件就必須要在負載水平50%的時候?qū)崿F(xiàn)96%的效率。而更為困難的，則是在負載水平10%的時候，效率達到90%。此時，傳統(tǒng)模擬電源技術就非常難以實現(xiàn)，很多用戶轉(zhuǎn)而投向數(shù)字電源。
他列舉了當前客戶使用的一些提高效率的做法，例如自適應算法，包括切向、死區(qū)調(diào)節(jié)、可變開關頻率、可變高電壓等。但他認為這樣做實際上對計算資源的要求會更高。當處理瞬態(tài)響應時，模擬電源更快，但有時效率不夠高，而數(shù)字電源的優(yōu)勢在于當負載發(fā)生巨大變化，沒有達到預計輸出功率時，可以進行實時系數(shù)調(diào)整，以適應全新的負載的情況。此外，如果使用預測算法的話，數(shù)字電源無需采用控制環(huán)阻尼控制來進行脈寬調(diào)制，可以在最大值和最小值之間找到一個合理值，從而使得功率輸出達到一定的目標。
工業(yè)開關電源的集成趨勢
Intersil公司工業(yè)電源市場與應用總監(jiān)Lokesh Duraiappah認為，數(shù)字控制器最重要的是PMBus遙測功能，通過該功能可監(jiān)測每一個負載的溫度、過電、過壓功能，因此主要應用于對功率順序和電壓余量有較高要求的場合。例如，現(xiàn)在計算、通信、服務器等應用都在使用FPGA，它有多個電壓軌，功率順序非常重要，這時數(shù)字控制器的靈活性要優(yōu)于模擬控制器。但對工業(yè)應用而言，它們往往不需特別高的功率，電路也不是特別復雜，對于PMBus遙測功能沒有非常嚴格的要求，反而是對占板空間、效率、解決負載點問題的需求很強烈，因此模擬控制器更為適合。
但他也同時指出，現(xiàn)在市場上對于消除中間級總線，直接把高壓(比如40V、36V、42V)轉(zhuǎn)化為低壓(包括3.3V、5V或者1V)的呼聲越來越高。此外，隨著FPGA、MCU、ASIC復雜性的日益上升，電壓軌數(shù)目增多，以及備用電池的使用增多等，也都正在成為工業(yè)通用型電源發(fā)展的新趨勢。
圖2展示了工業(yè)開關電源的集成趨勢：綠色區(qū)域代表現(xiàn)有完全集成式同步降壓穩(wěn)壓器的技術，即所有的調(diào)制器、驅(qū)動器、功率MOSFET都集成在一個IC中;藍色區(qū)域則代表功率MOSFET和調(diào)制器分立的產(chǎn)品方案。Lokesh Duraiappah說十年前，綠色區(qū)域面積要比藍色區(qū)域小得多，但隨著LDMOS技術的發(fā)展，越來越多集成的解決方案被開發(fā)出來。不過，追求高輸入電壓和低電流的情況例外，只能選擇控制器+外部功率MOSFET的解決方案來實現(xiàn)。
數(shù)字電源，沒有最好，只有更好
Microchip公司日前宣布推出含有14款新器件的dsPIC33EP“GS”系列數(shù)字信號控制器(DSC)，可在開關頻率更高的情況下實施更為復雜的非線性預測及自適應控制算法，從而令電源設計實現(xiàn)更佳的能效和電源規(guī)格。此外，更高的開關頻率使得設計人員能夠以更低的成本開發(fā)出密度更高、體積更小的電源產(chǎn)品。相比上一代DSC產(chǎn)品，新型dsPIC33EP“GS”器件在應用于三極點三零點補償器時其延遲可縮短一半時間，而且在任何應用中均可節(jié)省多達80%的能耗。
其實這款新產(chǎn)品的性能之所以能夠得到提升，有3個最為重要的原因：第一、采用主頻70MIPS的新內(nèi)核以取代此前50MIPS內(nèi)核;第二、在新內(nèi)核中整合全新寄存器功能;第三、將ADC速度提升一倍。
“這個現(xiàn)場選擇的寄存器集幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時的現(xiàn)場切換。”Tom Spohrer說，新系列中集成了3個工作寄存器，一個正常工作，另外兩個作為備用。每個寄存器集分配特定的中斷優(yōu)先級，從一個中斷服務程序(ISR)調(diào)用另一個中斷服務程序時數(shù)據(jù)得以保存，減少了寄存器內(nèi)容的保存和恢復，使得補償器速度提高約50%，也顯著縮短了控制環(huán)的延遲。
5個12位ADC可提供16Msps的總吞吐量和300納秒的ADC延遲, 提前中斷最大程度減少了ISR開銷。最多22個模擬ADC輸入中，每個模擬輸入都有專用結(jié)果寄存器并支持差分輸入;自主數(shù)字比較器將結(jié)果與閾值電壓比較，并在發(fā)生過壓、欠壓和超出范圍等情況時產(chǎn)生中斷，不占用CPU資源，性能更高。在從ADC出發(fā)到PWM更新這一過程中，新器件將延遲時間減少了約2倍。
GS系列器件還集成多種其它高級特性，比如對于高可用性或“永遠在工作”系統(tǒng)特別有用的即時更新閃存功能;四個模擬比較器均配有12位DAC，用于精度要求更高的設計;兩個片上可編程增益放大器可用于電流檢測以及其他精密測量等。Tom Spohrer特別提到了可用于更改工作電源固件(如主動補償計算代碼等)，并同時保持連續(xù)的調(diào)節(jié)的即時更新功能。該功能通過雙閃存分區(qū)方式實現(xiàn)，現(xiàn)有代碼在第一個閃存分區(qū)運行，更新部分代碼在第二閃存分區(qū)運行，兩者之間可在300納秒之內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，使得整個電力供應過程在不受任何影響的前提下實現(xiàn)代碼更迭。
工業(yè)電源那么多參數(shù)，我該怎么選?
在需要較低輸出電壓的高輸入電壓應用中，工程師通常依賴于會增加系統(tǒng)成本的模塊，或者是會增加解決方案尺寸和復雜性的二級DC/DC解決方案。但Intersil日前推出的首款免中間步降轉(zhuǎn)換級的60V同步降壓控制器ISL8117解決了這一困擾，為低輸出電壓/輸入電壓比(Vout/Vin)的應用提供了經(jīng)濟而可靠的替代方案。
ISL8117的低占空比(導通時間最小40納秒)特性可支持從48V到1V負載點的直接步降轉(zhuǎn)換。通過使用帶有自適應斜坡補償?shù)墓戎惦娏髂Ｊ秸{(diào)制，ISL8117能夠支持寬范圍輸入電壓和輸出電壓組合的穩(wěn)定工作，且無需外部補償。系統(tǒng)工程師還能使用ISL8117最高2MHz的可調(diào)頻率來優(yōu)化電源成本、尺寸和效率。
Intersil方面稱，使用ISL8117，工程師能夠設計只需10個元件(包括MOSFET和被動元件)的完整DC/DC降壓轉(zhuǎn)換解決方案，并實現(xiàn)最高98%的轉(zhuǎn)換效率和達到1.5%的輸出電壓精度。ISL8117的低引腳數(shù)量和易于布局的引腳結(jié)構(gòu)還最大限度減少了重疊跡線的數(shù)量，進一步改善了電源性能。
工程師在進行工業(yè)電源設計時，該如何選擇控制器?他該最先關注哪些功能或參數(shù)?Lokesh Duraiappah對此回應稱，很多參數(shù)都是值得考慮的，比如輸入電壓范圍、輸出電壓范圍等。從控制器角度來講，一個重要的因素是可以支持的最小接通時間，因為只有在最小接通時間非常低的情況下，才有可能實現(xiàn)大幅度調(diào)整;其次可以關注柵極驅(qū)動，即它能驅(qū)動的功率MOSFET的最大是多少;第三則要看易用性，在默認設置上看搜索頻率、軟啟動還有引腳數(shù)量是否滿意;第四大要素是開關頻率，在擁有很高的開關頻率的情況下，對電流波、效率、電感尺寸的選擇余地就非常大。當然，參考設計的使用也非常關鍵，畢竟誰都不愿意從頭再去對一個芯片做研究和探索。
但不論技術如何改進，對于電源產(chǎn)品來講，效率還是重中之重。Lokesh Duraiappah表示，通過改善產(chǎn)品架構(gòu)降低靜態(tài)電流將是未來的方向之一。針對FET技術和集成式控制器，會進一步投資技術來降低RDS，并不斷提升控制器的制造工藝，從而達到降低占板空間、提升效率的目的。
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