诱惑系统架构师与电源供应商的数字电源技术

　　数字电源指望通过改善维护成本和可靠性、降低电源元件成本、简化BOM来降低系统电源总成本。设计者必须为传统的笨拙电源子系统增加智能。数字电源控制与管理IC有助于这些目标的实现。 

　　要 点
　　数字电源可以完成对PWM控制环路的数字控制和数字电源管理与通信任务。系统可以使用一种或两种形式的数字电源。
　　预计年内将有更多的数字控制、数字管理IC面世。
　　随着处理能力越来越廉价，有望看到向数字电源的逐步转移。

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　　过去几年，数字电源一直是系统架构师、电源设计者和混合信号 IC 供应商的一个热门话题。反对者认为数字电源是一种无用的高价玩意儿，而且很复杂，不过是一种查找问题的解决方案。拥护者则力辩说数字电源是不可避免的，差不多数年内就会占据电源子系统的领地。初看来，两种论点完全相反
 
。对系统电源这类明确的技术来说，这种现象有点奇怪，但如果你发现双方对数字电源定义存在的差异，并且双方经常是指不同的应用，那么这种情况就可以理解了。这种混淆源于数字电源的两个性质不同的部件：PWM 反馈回路的数字控制；电源管理与通信。

　　数字化闭环是数字电源迄今最复杂的部分。脑中跃出的第一个问题是：为什么要用数字控制，使用模拟控制环路的 SMPS（开关模式电源系统）不是挺好吗？模拟控制环路的优点是准确、工程师对自己设计的理解，以及有极多模拟控制 IC 的支持。然而，模拟控制环路是面向一个定义范围狭窄的特定负载。如果负载变化范围宽，则很难在负载的整个变化范围内调整模拟环路。另外，如果你需要一个可以在很多产品中重用而不必更换部件的设计平台，则模拟方案难以胜任。Primarion 的总裁兼首席执行官 Ron van Dell 称：“如果使用一个真正的数字控制器，则设计者可以将数值放在寄存器内，对控制器的各个方面作配置，而无需改变外部的硬件。”设计者只需要工作在 PC 的 GUI 上，就可以更快地优化和调试系统，而不必将各种电阻电容在板上焊上焊下。（有关数字 PWM 工作的更详细说明，见参考文献 1）。

　　数字控制环路需要一个速度相对较快而功能强大的处理器，这在锱铢必较的电源子系统中是一个缺陷。数字电源的拥护者称设计者可以去掉某些元件，或使用较廉价的无源元件，从而补偿处理器的成本。Linear 技术公司电源管理产品副总裁兼总经理 Don Paulus 表示：“产生电源精度的本身是模拟功能。然而，当你拥有了这种数字能力时，就不用制造有绝对精度的部件，而可以制造精度较差的部件，然后用数字控制来校准这些误差。这与信号调节发生的情况类似，即通常制造出不那么精确的系统，然后再校准所有误差。”

　　但对电源来说，性能尺度不只意味着精度。Paulus 说：“我们希望数字技术能够具备应付瞬变能力。例如，如果电源知道要有一个大的负载步进，则它可以即时调整环路动态，对该瞬变作出快速响应，然后再返回稳定状态以及较低的带宽精度。这种灵活性可以影响对负载电容器的要求。”虽然传统的“银盒子”（封闭结构）电源制造商对数字电源有兴趣，但只有少数几家热衷于这种转换。Paulus 说，只有少数几家 Linear 客户对数字电源有兴趣。

　　但数字电源的作用并不只是数字式地闭锁控制环路。它还包括管理与通信功能，这在数据通信和电信系统中正变得日益重要。这些系统依赖于能应付多种电压线路的电源处理器，这些电压线路必须以设定的顺序完成上电和断电。除了上电顺序要求以外，路由器和高端服务器等设备都很可能是使用数字电源的候选者，因为它们需要与系统管理装置通信，并且有很高的潜在维护费用。高效的数控环路在电力经济性上有优势，但与电源整个生命周期的维护成本相比，电力成本只是一个小头。Intersil 计算电源产品营销经理 Bob Lucas 认为：“服务器的关键是可靠性。”数字电源能够将电源子系统的健康状况通知系统，如当前的电流与温度，这种能力使它能够在高端计算系统中获得一席之地。数字电源管理的优点是可靠性和可维护性，如报告电源子系统的温度变化、突发的电流流动，以及风扇速度变化等。所有这些都可告知维护工人更多细节，更不只是简单地闪动一盏警灯。

　　iSuppli 高级分析师 Chris Ambarian 对于超级服务器和交换农场的拥有成本以及初始电源硬件成本作了一个比喻：对于每一美元的电源成本，维护与拥有成本为 6 美元。如果你只想获得数字电源的通信与管理优势，那么就不需要数字控制。有些 IC 供应商根据客户的意愿，采取了一种小心翼翼的数字电源方案，即在不增加数字控制环路复杂性前提下，获得电源管理的好处。Microchip 将这种方案看作一种渐进的对策，它拥有一个四级数字电源集成的路线图，使企业能够按部就班地采用该项技术。

　　在最简单的实现方案中，主系统可以开、关电源子系统。Microchip 的安全、微控制器以及技术研发部首席应用工程师 Keith Curtis 表示，这种能力看似无足轻重，但是却很重要。“它给了你一些有价值的控制选项。”这些选项包括故障判别，以及重新起动、遥控起动、上电序列和软件起动等。“这种水平的控制在模拟环路设计中是非常少见的。”

　　在下一个复杂等级中，系统电源控制器控制电源的输出与响应。Microchip 有时也把这种设计叫做数字辅助：微控制器更具侵入性，只限于访问模拟控制环路的某些元件，如电压基准。这种实现级别可以达到真正的软起动，因为可以控制输出电压，它只需要一种廉价的微控制器，如 Microchip 的 PIC10，它的价格不高于 50 美分（批量价格）。用微控制器可以增加很多特性，如 SOT-23 封装的微控制器就能实现欠压锁定、延迟起动，以及防时钟抖动等，而免除用单独电路实现这些功能的成本。增加微控制器还可以通过某种协议（如 PMBus，它是受业界支持的标准，基于硬件标准 I2C 总线而开发）支持数字通信功能（参考文献 2）。对于那些对纯数字电源设计抱有疑问的人，这种实现级别很受欢迎。Maxim 数字电源产品业务经理 Ahmad Ashrafzadeh 说：“大多数对数字电源感兴趣的设计者并没有把闭环当作最重要的事情，它远没有达到最高优先级”。他说，实际上，设计者期待的是控制输出电压的能力；跟踪、定序以及获取元件的反馈；用这些诊断功能跟踪整个系统的完好状况。Maxim 计划在下个月推出一款芯片，它可以实现这些目标，并能够同模拟 PWM 控制器 IC 相互协作运行。

　　Microchip 的再下一级实现仍然依赖于传统的模拟反馈回路，但微控制器可以修改电源的拓扑，例如充电电池的 LED 闪灯应用。电池充电采用一种降压结构，而放电则使用升压结构。这种电路可以使用相同（但不同结构配置）的电感器、电容器，充电时配置成降压电源，升压电源则通过电容放电入电源线。至今，只有 Microchip 提供一款面向这种集成级别的微控制器 PIC16F785。

　　Microchip 最高级的实现是真正的数字控制，它在一个数字控制器中集成了所有 PWM 控制环路。最近几个月来，这一领域出现了很多动向。去年夏天，只有德州仪器(Texas Instruments)公司和 Silicon 实验室推出了这类产品，前者是基于 DSP 的 UCD9k 和 UCD7k 芯片组，后者则是 Si8250。那以后，Primarion 也推出了用于 POL（点负载）系统应用的 PX7510，Zilker Labs 推出了 ZL2005，Linear 技术公司宣布它成为 Primarion POL 芯片的第二个供货源，Intersil 则宣布了用于主板内核电压的 Primarion PX3535 第二个供货源。另外，预期到今年第三季度，加入这些芯片竞争的还有 Analog Devices、Microchip 和德州仪器等公司。

　　除了来自德州仪器的 UCD9k 和 UCD7k 以外，所有这些芯片都从完全可编程、通用 DSP 型号转向为更高集成度的专用状态机/数字滤波器组合。即使这样，针对这些芯片的软件配置数量也变化多端，如 Zilker Lab 几乎完全采用硬接线的 ZL2005，它可以通过捆绑芯片的管脚输入来设置环路与性能特性，而 Silicon Labs 的方案则使用一个 8051 内核，完成通信任务。所有制造商的芯片都带有 GUI，能隐藏设计者的数字环路控制算法。这些芯片的价格从 1.50美元~5美元不等。

　　虽然 IC 供应商们趣味盎然，但专用 IC 未必会霸占数字控制市场。Lambda Power 曾有数字控制器的研发经历，可以将其作为一个真实的案例，看如何用新技术满足客户的需求。Densai-Lambda 公司（Lambda Power 公司在日本的子公司）首席技术官 Hiroyuki Yashiro称，该公司在三个领域作研发，均涉及转换器设计应用： DC/DC 转换器、 UPS（不间断电源），以及AC/DC 转换器。每个领域的设计小组独立选择自己的控制芯片：他们分别选择通用的 TI DSP 芯片、定制的 ASIC、 Atmel FPGA。为什么 Lambda 要坚持放弃自制原则？Lambda 高级开发部的一个设计工程师 Eiji Takegami 这么解释：“如果新电源性能与模拟环路的电源相当，没有客户会去买它，所以数字电源性能一定要更好。”Takegami 引用一个事实，即数字控制环路可以对范围更宽的容性负载作出响应，并且仍然能保持在规定范围内，这比模拟环路要优越。

　　除了有出色的性能以外，Yashiro 还指出具有一个标准平台的优势，它既能节省成本也具备灵活性。设计者必须通过软件作修改，而不是采用手工修改、重新设计或替换元器件。开发内部控制电路的另外一个理由是产品差异化的重要性。虽然有些供应商希望尽可能省事地完成数字控制环路设计，Lambda 却认为交钥匙方案有不足之处：如果任何人都可以设计一个数字控制环路，那么Lambda 还能为这个过程增什么值？



　　前途如何？

　　大多数电源子系统现在都提供简单的开/关通信功能，因此还需要过一段时间，才会有相当百分比的系统采用某些形式的数字电源。Intel 微处理器研究部门总监 Shekhar Borkar 认为，高性能处理器现在管理电源的能力有限，而这对未来电子产品至关重要。他将芯片功耗分为两个部分：供电和耗电。他说：“你可以在可承受的供电与功耗包络范围内提高性能。如何在这个电源包络中提高处理器性能？答案是：让它具备更多的处理能力。”过去，限制这一领域设计者能力的是处理能力，而不是电能。Moore 定律已使晶体管过剩，而 Borkar 利用过剩晶体管将电源数字控制环路置于服务器处理器的控制之下，即有些公司的产品就包括了数字电源。Borkar 预言，主处理器控制数字电源的趋势将逐渐渗入主流产品中，如笔记本电脑和台式系统（参考文献 3）。

　　除处理器电源以外，系统架构师也必须能够在系统水平上管理电源。各种节能规定都关注电源效率，如 EnergyStar 等，它们都很重要，但也只看到了问题的一面。例如，在一个手机发射/接收系统中，无线基站功耗占一个网络功耗的 90%，包括手机及功率转换（参考文献 4）。使手机 AC/DC 和 DC/DC 转换器更高效是转向可管理电源的一步，能使该设备效率提高约 1%。但是，由于无线电基站本身相对效率较高，这个百分比的效率增长并不会显著影响设备的总体效率。爱立信(Ericsson)微波系统的一名工程师 Pierre Gildert 就指出：“你离天线越近，损耗就会越高。”于是，实现最大节能的办法就是将远程无线电装置放在天线塔尖上，使之能对功率变动作出动态响应。例如，系统会得益于睡眠模式，它需要智能、开/关控制、快速唤醒响应，以及适应于低流量周期和高流量周期的智能。

　　iSuppli 的 Ambarian 预测，系统电源管理的下一步将要建立一个 POS（电源操作系统），它依赖电源子系统驱动器进行通信。这些驱动器可以是银盒电源、稳压器芯片，或 POL 转换器。POS 将使系统设计者能够在各个时间段内，根据各级控制机制管理某个电源系统的各个方面。这些时间段范围从数纳秒至数秒级，而 Ambarian 还预言，对它们的完全控制将为系统提供效率、灵活性和可靠性。