老外工程師的反思，別再扯著數(shù)字電源的幌子了

最近，營(yíng)銷部門一直在大肆吹噓已在學(xué)術(shù)界徘徊了幾十年的數(shù)字電源，他們沒有惡意，只是熱情過度(圖1)。現(xiàn)在，其中的一些夸張之詞已經(jīng)消逝，是時(shí)候討論一下數(shù)字電源適合什么，其工作原理，缺點(diǎn)，以及它的折衷(參考文獻(xiàn)1)。不過，盡管它有缺點(diǎn)，各家公司仍然開發(fā)和部署了一些器件，它們?cè)诓簧婕罢壑缘那闆r下，充分利用了數(shù)字控制回路的好處。

圖1，數(shù)字電源最終達(dá)到了平穩(wěn)量產(chǎn)的階段(Gartner集團(tuán)提供)。

芯片公司對(duì)數(shù)字電源的定義是五花八門。有些公司認(rèn)為，數(shù)字電源包含了圍繞一個(gè)模擬PWM(脈沖寬度調(diào)制)回路的數(shù)字功能與通信鏈接。其它公司稱，數(shù)字電源是一種內(nèi)置數(shù)字PWM芯片的狀態(tài)機(jī)。還有一些公司表示，數(shù)字電源包括了一個(gè)通用DSP，DSP運(yùn)行著一個(gè)閉合控制回路的算法。而過去十年來學(xué)術(shù)意義上的真正數(shù)字電源，則擁有一個(gè)數(shù)字PWM回路，并帶有一個(gè)狀態(tài)機(jī)或一只DSP。一只模擬PWM器件上加上一個(gè)串行總線并不能成為數(shù)字電源。不過，數(shù)字電源可以免除或消除對(duì)某些元件的要求，從而可以降低成本。

你可以為一只DSP加一個(gè)FET驅(qū)動(dòng)芯片和一些代碼，以控制渦輪風(fēng)機(jī)的扇葉角度和變頻器，基本上這就是簡(jiǎn)單的數(shù)字電源了。例如，德州儀器公司十多年前就開始為其DSP提供電源庫。該公司現(xiàn)在生產(chǎn)多個(gè)系列基于DSP的電源芯片(圖2)。CamSemi公司嘗試減少器件數(shù)，提供5W C2161PX2 ac/dc控制器，它采用反饋?zhàn)儔浩魃系囊粋€(gè)檢測(cè)繞組，而不是昂貴的光耦(參考文獻(xiàn)2與圖3)。數(shù)字電源不用二極管來檢測(cè)反饋波形，當(dāng)檢測(cè)繞組的反饋信號(hào)為負(fù)值，以及不表示次級(jí)的輸出電壓時(shí)，就消除這個(gè)信號(hào)。至于降低成本，Exar公司制造了16A的XRP7740數(shù)字電源芯片，可為機(jī)頂盒或數(shù)據(jù)服務(wù)器提供多個(gè)電源軌(圖4)。Exar公司擁有芯片方面的很多專利，包括將一小塊片芯區(qū)域用于一個(gè)實(shí)用的控制回路(參考文獻(xiàn)3)。這樣，Exar公司的芯片定價(jià)就能與模擬芯片競(jìng)爭(zhēng)。

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圖2，你可以編譯德州儀器公司任何DSP的數(shù)字電源庫，或用一只該公司專用芯片，做出數(shù)字電源系統(tǒng)。TI還制造采用狀態(tài)機(jī)的數(shù)字電源芯片。

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圖3，CamSemi公司提供5W的開關(guān)電源控制芯片，它有一個(gè)替代線性電源的雙極晶體管。開關(guān)設(shè)計(jì)有更高的效率，使用銅線也較少，因此降低了成本。

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圖4，Exar公司的XRP7740可在四個(gè)通道上提供16A輸出電流。聰明的IC設(shè)計(jì)使得芯片很小，因此該公司提供的芯片價(jià)格能與模擬方案相競(jìng)爭(zhēng)。

數(shù)字電源還可以完成逐周期的回路補(bǔ)償。例如，Intersil公司的數(shù)字電源管理集團(tuán)Zilker Labs最近就推出了ZL6105，它采用了一個(gè)狀態(tài)機(jī)來完成逐周期的自動(dòng)補(bǔ)償工作(圖5)。另一個(gè)例子是，新興的Powervation公司用一個(gè)數(shù)字電源ASIC，完成電源的逐周期補(bǔ)償(圖6)。這種實(shí)時(shí)的回路補(bǔ)償是數(shù)字芯片較其模擬對(duì)手的主要優(yōu)勢(shì)。這些數(shù)字電源控制器可以跟蹤由于老化和干涸所造成的電解電容降級(jí)問題。如果你將部件設(shè)計(jì)成一塊電源磚，則數(shù)字控制器可以檢測(cè)磚的輸入輸出電容，并在每個(gè)周期作補(bǔ)償。其它數(shù)字電源芯片可以做一次性的自補(bǔ)償周期，幫助創(chuàng)建數(shù)字補(bǔ)償濾波器的因數(shù)。

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圖5，可以手動(dòng)設(shè)定Zilker Labs公司ZL6105演示板的補(bǔ)償，但這樣做并非理想的方案 (a)。當(dāng)你打開自動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，可改進(jìn)設(shè)計(jì)的瞬態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定性 (b)。

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圖6，為提高輕載時(shí)的效率，Powervation公司的數(shù)字電源芯片可以去掉一個(gè)相。然后，即使在單一相位時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)償功能也能維持滿回路帶寬

當(dāng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)作測(cè)試和驗(yàn)證(以確定能在生命周期內(nèi)正常工作)期間，數(shù)字電源還提供了在一個(gè)區(qū)間上余量可變的電源輸出電壓。例如，英飛凌公司旗下Primarion集團(tuán)提供的PX7510就可通過PMBus(電源管理總線)完成余量設(shè)定和其它操作。思科系統(tǒng)公司DSSG(數(shù)據(jù)中心、交換以及服務(wù)集團(tuán))的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)Bob Thomas稱：“余量可以讓我們驗(yàn)證當(dāng)輸出電壓超出設(shè)定的極限時(shí)，系統(tǒng)的電氣性能與熱性能情況?！?/span>

數(shù)字電源的大話

有關(guān)數(shù)字電源的夸大言論可追溯到十年前有關(guān)模糊邏輯的爭(zhēng)論。有些人認(rèn)為，模糊邏輯將取代對(duì)模擬控制的需求。不過，看似模糊邏輯只在某些應(yīng)用中優(yōu)于模擬方案，并且，即使在這些應(yīng)用中，也可以用一個(gè)PID(比例/積分/微分)控制器完成幾乎所有功能(參考文獻(xiàn)4)。有些推銷者還聲稱，數(shù)字回路的電源可以做自適應(yīng)補(bǔ)償，即具有在快速瞬態(tài)響應(yīng)和低噪聲之間切換的能力。這個(gè)特性迫使你去測(cè)量噪聲與瞬態(tài)響應(yīng)，然后必須決定何時(shí)在兩者間切換。Powervation公司已成功完成了這個(gè)工作，但它要花費(fèi)大量的處理能力。

數(shù)字電源專家們還炫耀了“非線性”控制方案，但這些回路卻讓你無法在數(shù)字電源芯片上連接網(wǎng)絡(luò)分析儀。非線性數(shù)字回路并不提供有效的增益與相位響應(yīng)。于是芯片公司轉(zhuǎn)而讓工程師們?cè)跁r(shí)域中評(píng)估穩(wěn)定性，聲稱他們應(yīng)給回路施加一個(gè)瞬態(tài)條件，并確保振鈴會(huì)在一個(gè)可接受的時(shí)間量?jī)?nèi)消失。不過，有經(jīng)驗(yàn)的控制系統(tǒng)工程師們都不喜歡非線性控制，而喜歡采用熟悉的增益與相位方法。

有些公司稱數(shù)字電源芯片可以在一個(gè)多相電源中，保持各相位之間有更緊密的電流匹配。不過，與一個(gè)30%失配的模擬電源作比較是不切實(shí)際的，并且，沒有一個(gè)負(fù)責(zé)的工程師會(huì)把這樣一種設(shè)計(jì)送去量產(chǎn)。

有些芯片公司還聲稱數(shù)字電源的效率高于模擬電源，但這種說法并不可靠。一只芯片關(guān)閉多相控制器中各個(gè)相的能力可表示為一種效率收益。在輕載時(shí)，它可提供相當(dāng)不錯(cuò)的效率，不過這種能力并非源于數(shù)字PWM回路。任何模擬芯片都可以完成這個(gè)功能。開關(guān)電源中的主要損耗是磁、開關(guān)以及銅損耗，一只控制芯片無法影響這些損耗。凌特技術(shù)公司的模擬式LTM4609降-升壓轉(zhuǎn)換模塊可得到98%的效率，幾乎優(yōu)于所有數(shù)字芯片。

還有一種有關(guān)效率的說法是，數(shù)字芯片可提供更好的死區(qū)時(shí)間控制。換句話說，它們可以驅(qū)動(dòng)同步與功率FET，因此沒有反向電流。然而，凌特技術(shù)公司擁有一個(gè)模擬方法的專利，能確保同步FET永遠(yuǎn)不會(huì)反向?qū)?，而美國國家半?dǎo)體、Allegro與飛兆公司在多款芯片中采用了模擬的山谷模式(valley-mode)控制，實(shí)現(xiàn)了相同的效果。凌特技術(shù)公司工程副總裁兼首席技術(shù)官Bob Dobkin指出：“沒有理由說數(shù)字控制回路有更高的效率。用模擬方式可以做stage-shedding。穿通控制也不是問題了，我們一些較新的電路還有自適應(yīng)穿通控制。”

折衷是不可避免的

實(shí)際上，一款芯片采用數(shù)字回路還是模擬控制回路并沒有什么關(guān)系。在選擇一種數(shù)字方案時(shí)，你只需要關(guān)心要做哪些折衷。例如，數(shù)字電源的靜態(tài)電流較高。盡管德州儀器公司的DSP有很高的功率效率和速度，但它們消耗的功率也大于狀態(tài)機(jī)芯片，而遠(yuǎn)超過模擬芯片。在吸收的靜態(tài)電流方面，一只離散時(shí)間式采樣數(shù)據(jù)的PWM芯片總是高于低功耗模擬PWM芯片。因此，Summit Microelectronics公司以及其它公司便做出了“數(shù)字管理”的模擬電源。這種方案是圍繞模擬PWM區(qū)域，做出手持電子設(shè)備所需要的數(shù)字通信與控制功能。這些是準(zhǔn)備用在電池工作設(shè)備上的器件，無法擁有高速ADC/DAC和DSP，因?yàn)樗鼈兊撵o態(tài)電流都在毫安量級(jí)。Summit公司營(yíng)銷與應(yīng)用副總裁Abid Hussain說：“如果我?guī)б粋€(gè)靜態(tài)電流大于100 μA的芯片去見一個(gè)客戶，我肯定會(huì)受到嘲笑的?！?/span>

無論怎樣，如果你有了DSP，就可以增加一個(gè)軟件模塊，建立一個(gè)電源軌。注意DSP必須要引導(dǎo)，因此，如果這時(shí)有一個(gè)小差錯(cuò)，則可能損失數(shù)字電源軌，直到器件裝入引導(dǎo)碼，開始運(yùn)行時(shí)。另外，你的DSP最好是確定性的。如果它有太多的循環(huán)和中斷，那么就無法為數(shù)字電源代碼提供服務(wù)，電源軌循環(huán)就不會(huì)真正閉合。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，模擬器件也可以減少器件數(shù)量。例如，Power Integrations公司提供不需要光耦的低成本離線模擬器件，而凌特技術(shù)公司生產(chǎn)的LTC4278和其它模擬器件采用檢測(cè)線圈作電壓反饋，而不是光耦。它們未用數(shù)字電源也能提供這些功能，因此不需要一個(gè)數(shù)字PWM回路也可以消除負(fù)反饋電壓，而用反饋波形的適當(dāng)部分作反饋控制。你關(guān)心的不應(yīng)該是芯片公司采用了模擬PWM回路還是數(shù)字PWM回路，而應(yīng)注意在沒有光耦情況下，器件是否可以提供嚴(yán)密的輸出調(diào)節(jié)。

數(shù)字電源芯片的制造還需要更昂貴的遮罩集，有較高的NRE(非重發(fā)性工程)成本。Exar XRP7740數(shù)字電源芯片充分利用了數(shù)字PWM回路的尺寸，提供了價(jià)格上可與模擬器件相競(jìng)爭(zhēng)的低成本芯片。然而，這些芯片的遮罩集要貴得多，因此各家公司銷售這些芯片時(shí)都把變動(dòng)做到最少，哪怕客戶訂量達(dá)數(shù)百萬片。片芯的低成本是對(duì)高成本精細(xì)CMOS遮罩集的一種折衷，因此制造商必須面向大批量應(yīng)用。Cadence公司工程服務(wù)副總裁Time Henricks稱：“總歸是技術(shù)-經(jīng)濟(jì)的問題。”他指出，在精細(xì)CMOS上置入大輸出或大驅(qū)動(dòng)晶體管幾乎不一種有性價(jià)比的方案。一般來說，在廉價(jià)CMOS工藝下用較粗的線更有好處(參考文獻(xiàn)5)。另外，很多電源芯片必須工作的電壓都高于細(xì)線或?qū)捑€CMOS可以提供的電壓，因此雙極模擬芯片永遠(yuǎn)會(huì)有其地位。

數(shù)字電源擅長(zhǎng)于那些需要逐周期補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用，但很多公司更愿意采用一種簡(jiǎn)單而耐用的模擬設(shè)計(jì)，對(duì)器件的壽命作適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。數(shù)字電源自動(dòng)補(bǔ)償仍然是一個(gè)發(fā)展中的技術(shù)。思科公司Thomas稱：“我們有一個(gè)傳統(tǒng)電源軌，在布局上有一些寄生電阻和電感。有家公司認(rèn)為它的芯片可以補(bǔ)償它。當(dāng)我們對(duì)芯片在此應(yīng)用中作評(píng)估時(shí)，客戶的結(jié)論是，它的自動(dòng)調(diào)整算法不能實(shí)現(xiàn)合理的余量?！蹦M芯片在設(shè)計(jì)中工作良好，不過設(shè)計(jì)者有意降低了其交叉頻率，以補(bǔ)償由于電路板上機(jī)械約束所致的非最優(yōu)布局。

如果一家公司要制造輸入輸出電容未知的電源磚，一只能作自動(dòng)補(bǔ)償?shù)男酒苍S很關(guān)鍵，但設(shè)計(jì)者通常是為特定應(yīng)用開發(fā)電源。盡管為一個(gè)數(shù)字電源部件的補(bǔ)償作一次性調(diào)節(jié)很不錯(cuò)，但模擬部件并不要求開發(fā)數(shù)字濾波器的因數(shù)。你只需要修改一個(gè)補(bǔ)償電容和電阻，就能改變回路的響應(yīng)。Cadence公司的Henricks評(píng)論道：“模擬芯片只有一個(gè)基準(zhǔn)、一個(gè)比較器、一個(gè)開關(guān)、一個(gè)單極濾波器和一些輸出電路，這種健壯性和簡(jiǎn)單性很難被超越。”注意，擾動(dòng)回路做實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)霓k法并非數(shù)字電源域所專有。凌特技術(shù)公司剛發(fā)布了LT4180，它就是一個(gè)能夠檢測(cè)電源輸出阻抗的新穎模擬器件，還能調(diào)節(jié)供電，補(bǔ)償AC和DC電壓降。

模擬芯片也可以做余量調(diào)節(jié)，這種系統(tǒng)功能并不依賴于數(shù)字PWM回路。例如，Maxim公司的MAX16064監(jiān)控與控制芯片可監(jiān)視四個(gè)模擬開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器(參考文獻(xiàn)6)，而凌特技術(shù)公司的LTC2978監(jiān)控與控制芯片則可監(jiān)視八個(gè)模擬電源轉(zhuǎn)換器(參考文獻(xiàn)7)。

簡(jiǎn)言之，數(shù)字電源在某些應(yīng)用中有意義，而在其它應(yīng)用中則相反。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)工程師來說這無關(guān)緊要，他們不應(yīng)關(guān)心半導(dǎo)體公司如何去閉合回路。系統(tǒng)工程師都應(yīng)關(guān)注的是芯片工作情況，以及自己需要的功能。系統(tǒng)工程師需要的是價(jià)格、供貨，以及數(shù)據(jù)表。數(shù)字電源與模擬電源之爭(zhēng)是教授與IC設(shè)計(jì)者的事。你需要的是能在真實(shí)世界中解決問題的芯片與功能。除非它確實(shí)能滿足你的需求，否則就不應(yīng)該為數(shù)字電源支付額外的費(fèi)用。