數(shù)字電源控制在物聯(lián)網(wǎng)、云計算中的作用

電源通常是系統(tǒng)開發(fā)中進行的最后一項設(shè)計任務(wù)。設(shè)計討論常常是這樣開始：“好吧，我們來設(shè)計一個電源，它的輸入電壓是這么大，多個輸出的電流是這么大，而且具有一個效率目標(biāo)，以控制散熱”。然而，現(xiàn)在的設(shè)計變得越來越復(fù)雜。電源設(shè)計工程師知道好的電源(特別是功率高達數(shù)百瓦的電源)必須平衡經(jīng)常相互沖突的目標(biāo)。這些目標(biāo)包括輸出靈活性、動態(tài)線路/負載性能、高負載和低負載效率、元件公差、散熱問題和溫度系數(shù)、監(jiān)測和保護以及電壓或電流的動態(tài)變化。

除了長期致力于開發(fā)各種解決方案，以滿足最新負載要求的電源專家以外，設(shè)計高性能電源的困難并未得到全面認識。這在為構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)(IoT)云計算和電信基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)器和存儲網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計電源的挑戰(zhàn)中得到例證。一度被歸于高性能CPU的性能要求，現(xiàn)在也延伸到中型甚至小型的負載中。

模擬控制拓撲的發(fā)展趨緩

為滿足這些要求，設(shè)計工程師開發(fā)了許多創(chuàng)新的模擬控制回路和技術(shù)，例如恒定導(dǎo)通時間或滯后控制，以及典型的電壓和電流模式方案等等。盡管這些設(shè)計具有不少特性，但它們都已經(jīng)沒法滿足用戶的要求。在采用PWM控制器情況下，諸如誤差放大器、比較器和斜坡發(fā)生器等功能塊受到其設(shè)計約束和變量的限制。它們受到信號鏈中的時移和相移，以及在為補償網(wǎng)絡(luò)選擇元件時的噪聲注入和大信號響應(yīng)問題的影響(見圖1)。

 圖1. 模擬PWM電源控制器

(英文 中文翻譯：Analog PWM Controller 模擬PWM控制器;Error Amp 誤差放大器;Comp 比較器;Ramp Generator 斜坡發(fā)生器;Latch 鎖存器;Driver 驅(qū)動器)

這些設(shè)計的性質(zhì)(必須按照具體應(yīng)用需求對電路進行調(diào)整，確保對性能的妥協(xié)降到最低)意味著信號控制器無法提供最新系統(tǒng)要求的靈活性。這種限制已導(dǎo)致模擬控制器的性能和使用停滯不前。好在，數(shù)字電源控制(亦稱“數(shù)字電源”)提供了一種更好的替代方案。

數(shù)字電源控制是什么?對一些人而言，它仍然是一個模擬控制回路，但有些參數(shù)可以通過數(shù)字接口進行調(diào)整。例如，可以通過PMBus接口發(fā)出命令來改變輸出電壓。但這種說法并沒有提到數(shù)字控制以及數(shù)字電源能給市場帶來什么好處。

數(shù)字電源來救場

基于PWM DC/DC控制器的真正數(shù)字電源控制遠不只是對內(nèi)部模擬回路的管理。相反，實際閉環(huán)反饋路徑完全是在數(shù)字域內(nèi)執(zhí)行的，起點是反饋電壓的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。一旦所有信息都在數(shù)字域內(nèi)，就可以應(yīng)用新的先進控制技術(shù)和數(shù)字信號處理。例如，根據(jù)負載的條件改變狀態(tài)和算法，以便在不斷變化的條件下也能實現(xiàn)優(yōu)化的響應(yīng)(見圖2)。

 圖2. 數(shù)字電源控制器的實現(xiàn)

(英文 中文翻譯：Digital-DC Controller 數(shù)字DC控制器;Power Management 電源管理;Serial Interface 串行接口;Multi level comp 多級比較器;Digital PID Filter 數(shù)字PID濾波器;Driver 驅(qū)動器)

數(shù)字控制的好處不只是先進的控制策略和實現(xiàn)的靈活性。算法能夠適應(yīng)變化，從而克服了以前在模擬電源中出現(xiàn)的局限性，例如由于溫度上升、公差甚至老化而產(chǎn)生的元件變異。請注意，有些無源元件(如電感和電容)的初始公差可輕松達到±20%甚至更高，使用公差更小的元件會顯著增加設(shè)計成本。數(shù)字電源控制器不再需要捉襟見肘地平衡復(fù)雜設(shè)計中的眾多無源和模擬元件，并為其表現(xiàn)不理想負責(zé)。借助先進的數(shù)字控制算法，回路穩(wěn)定性挑戰(zhàn)也不再是個問題。

數(shù)字方案幫助工程師成功

雖然數(shù)字控制可能對有些設(shè)計工程師來說是新鮮的，而且好得難以令人置信，實際情況其實很不一樣，正如Intersil的ZL880x系列DC/DC步降控制器所證明的，該系列是創(chuàng)新的第4代混合信號電源轉(zhuǎn)換電源管理IC系列。圖3顯示的是ZL8802雙通道雙相控制器，它集成了一個用于廣泛電源應(yīng)用的高性能步降轉(zhuǎn)換器。它消除了為保證穩(wěn)定性而進行回路補償?shù)男枰?，同時不會影響系統(tǒng)帶寬。

 圖3. ZL8802框圖顯示了其內(nèi)部復(fù)雜度，其中大部分對設(shè)計工程師是透明的

因此，ZL880x系列控制器已被多個廠商的已發(fā)布OEM電源所采用，包括CUI的NDM3Z系列數(shù)字DC/DC POL模塊。它們是高性能器件，旨在滿足要求最嚴苛的中間總線電源系統(tǒng)的需求。

CUI高級副總裁Mark Adams表示：“我們?yōu)槲覀兊腘DM3ZS-60數(shù)字POL模塊選擇了ZL8800控制器，因為我們覺得它提供了市場上最先進的功能集。只是將一個電壓轉(zhuǎn)換為另一個電壓對我們的客戶不再適用?，F(xiàn)在的需求是在任何時間和所有條件下都能進行完美的電壓轉(zhuǎn)換。數(shù)字IC技術(shù)幫我們實現(xiàn)了這個目標(biāo)。”

該IC內(nèi)部的自適應(yīng)算法可自動改變工作狀態(tài)，以提高效率和整體性能，無需用戶的干預(yù)。該器件的全數(shù)字回路可實現(xiàn)整個電源轉(zhuǎn)換過程的精準(zhǔn)控制，無需借助于軟件，從而使其成為非常靈活和易于使用的器件?？刂扑惴ㄓ糜陧憫?yīng)單個PWM開關(guān)周期內(nèi)的輸出電流變化，從而以小于傳統(tǒng)PWM控制器的輸出容值實現(xiàn)更小的總輸出電壓變化。

該器件有助于設(shè)計工程師通過PMBus接口完全控制和監(jiān)測每個電源軌，以最大限度提高可靠性。其專有的單線式DDC(數(shù)字DC)串行總線允許多個ZL880x器件與其他Intersil數(shù)字電源IC通信，以實現(xiàn)IC間的相電流平衡、時序控制和故障擴散，從而消除了需要使用外圍分立元件的附加復(fù)雜電源管理器設(shè)計。

ZL8802包括電路保護功能，可持續(xù)地防止器件和負載由于意外系統(tǒng)故障而損壞。它能持續(xù)監(jiān)測輸入電壓和電流、輸出電壓和電流，包括逐周期輸出過流保護、內(nèi)部溫度及兩個外圍熱二極管的溫度。監(jiān)測參數(shù)還能進行預(yù)配置，以提供針對具體條件的警報。

數(shù)字調(diào)制技術(shù)

ZL8802的關(guān)鍵要素是專有數(shù)字調(diào)制技術(shù)的集成。先進的數(shù)字控制器需要滿足三個關(guān)鍵要求：應(yīng)當(dāng)支持足夠高的帶寬;理想條件下應(yīng)當(dāng)無需補償;應(yīng)當(dāng)支持固定頻率開關(guān)操作。ZL8802的數(shù)字電壓模式控制能夠使用其具有專利的ChargeMode控制技術(shù)實現(xiàn)高帶寬。

傳統(tǒng)上，電壓或電流模式滯環(huán)控制器已經(jīng)提供了最佳回路響應(yīng)，但伴隨著以可變頻率進行開關(guān)操作的缺點。使用數(shù)字電源控制器的最新電信設(shè)備要求固定的工作頻率，從而實現(xiàn)對最終用戶應(yīng)用中的噪聲頻譜的嚴格控制。ZL8802利用其獨特的數(shù)字調(diào)制器和補償技術(shù)來實現(xiàn)所有這些目標(biāo)。

其數(shù)字調(diào)制技術(shù)允許控制器對單個PWM開關(guān)周期中的電壓變化做出反應(yīng)。ZL8802在一個開關(guān)周期內(nèi)可以多次進行誤差采樣并計算調(diào)制信號，這可顯著減少群延遲并因此支持非常高帶寬的操作。

厲害的是，ZL8802無需知道實際輸出電容值。相反，它依靠數(shù)字算法來進行正確的調(diào)整，以及確保穩(wěn)定性。這樣做的結(jié)果是減小了支持具體應(yīng)用所需的容值，同時提供了一種無補償設(shè)計?？刂破鞯捻憫?yīng)確保任何瞬態(tài)條件均可得到滿足，同時保持穩(wěn)定性并將振鈴或過沖最小化。這種方案的系統(tǒng)級好處是不再限制設(shè)計工程師對電源元件的選擇。同時，該控制器還消除了元件老化或環(huán)境變化的影響，因為數(shù)字回路可對變化進行持續(xù)監(jiān)測和負責(zé)。

配置、驗證和監(jiān)測

全數(shù)字式閉環(huán)控制方案的另一個好處是它與易于使用和強大的圖形用戶界面(GUI)相兼容。

PowerNavigator軟件可以使用帶有USB接口的PC就能對多個器件進行配置、驗證和監(jiān)測。這使得易于使用簡單的GUI來變更數(shù)字電源設(shè)計的所有特性和功能。使用這一工具，工程師能夠設(shè)置電源架構(gòu)，定義電壓軌以及均流操作，建立基于事件或基于時間的時序控制，監(jiān)測硬件和故障，以及保存項目和配置文件。

結(jié)論

在為物聯(lián)網(wǎng)云計算服務(wù)器和電信設(shè)備中采用的先進FPGA、處理器和ASIC設(shè)計電源時，工程師最關(guān)心的問題是功率密度、瞬態(tài)響應(yīng)和效率。諸如ZL8802等數(shù)字PWM DC/DC控制器提供優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)性能和無補償設(shè)計，有助于電源設(shè)計工程師獨立自主地在動態(tài)性能與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間取持續(xù)性的平衡。