數(shù)字電源帶來的設計變革

　　關鍵字：ZL2008 FET 微處理器 數(shù)字電源

　　數(shù)字電源是當今的熱門話題。采用數(shù)字技術的電源使功率轉換和電源控制發(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)字電源面前的兩個最大障礙是可見成本和知識產權（專利侵權）。當然，成本對非常簡單的電源設計的確是個問題。但在需要電源管理、故障管理、遙測的更復雜設計中，由于大多數(shù)產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的新產品的上市，為解決知識產權難題提供了靈活的處理原則，知識產權、授權交易都已經得到解決。一旦排除這些障礙，數(shù)字電源將成為功率轉換的發(fā)展方向。

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

　　為什么要全面改變？

　　對這個問題的簡短回答是，確實沒有其他選擇。技術在不斷進步，因此功率轉換的需求也在變化。伴隨這些變化而來的是政府法規(guī)的變化及經濟因素的變化。

　　從電源的角度看，負載正在發(fā)生變化。半導體技術演進的方向是工藝尺度越來越小，這推動著負載發(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，電源的驅動阻抗必須比以前的電源低得多。新出現(xiàn)的應用產生了新的負載類型（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。功率轉換對電源提出的要求遠不是滿足靜態(tài)要求那么簡單。事實上，需求的變化正在加速。為滿足技術變化的要求，電源工程師要跳出條條框框，尋找能夠滿足今天和未來設計挑戰(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，到對電源質量的要求，再到對效率的要求，法規(guī)因素使我們的設計超出了簡單的功率轉換的范疇，而是必須進行更全面的考慮。設計的變化必須跟上法規(guī)的需求變化。此外，在經濟全球化的時代，不但是當?shù)胤ㄒ?guī)，客戶所在的國家也會制定電源方面的相關法規(guī)。

　　最后，經濟因素導致的壓力頁越來越大，這要求工程師設計出創(chuàng)新的產品，為客戶提供更多價值。這不僅要求產品的價格便宜，而且還關心為實現(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小時內從北京趕到天津，無論自行車多么便宜，自行車都不可能滿足這個要求。你需要更多先進的技術。定價競爭的壓力、燃料成本、人工成本和質保成本只是推動電源設計發(fā)生變化的經濟因素當中的幾個。

　　經濟因素迫使企業(yè)雇傭更少的電源工程師。因此，以前需要好幾個工程師和近一年時間完成的設計，現(xiàn)在必須用一個兼職工程師在幾個月內完成。

　　為什么要從模擬轉向其他技術？

　　如果模擬功率轉換是完美無缺的，顯然就沒有必要從模擬控制轉向數(shù)字控制。模擬電源控制有其局限性，其中一個關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)控制器來設定的。如果需要改變內部的特性，有兩個選擇：要不改變硅芯片，要不增加外部的有源器件來廢止、改進、模仿或替代控制器。改變硅芯片的時間從3個月到超過1年不等，而且硅芯片的設計變化常常趕不上市場的變化。增加外部有源器件會增加成本，使進度延后，降低功率密度，而且通常會對可靠性造成負面影響。

　　用于設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，無法適應變化的環(huán)境。當然，非線性電容器、電阻和電感器偶而也會用在電源設計當中，但這些元件的變化范圍仍然是固定的。如果你使用一個正溫度系數(shù)（PTC）電阻，這個電阻不可能表現(xiàn)出負溫度系數(shù)電阻的特性。因此，模擬電源控制設計仍然受限于其進行優(yōu)化、或適應變化的負載或環(huán)境狀況的能力。

　　除此之外，我們只能采用供應商產品目錄里面的阻值、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)模擬電源設計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。在做設計變更時，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。

　　一個相關的例子出現(xiàn)在電壓模式控制的補償當中。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。在高效電路里，這個雙極點可能會變成一個復數(shù)共軛成對極點。一個Type III模擬補償網絡（圖）通常用來對電壓模式控制器進行補償。糟糕的是，采用電阻和電容器實現(xiàn)的典型Type III補償網絡，只有一個實零點可以補償受控器件的極點。如果沒有出現(xiàn)對復數(shù)極點補償不足的情況，實零點勉強能做些補償。在Type III補償網絡中，用正值的電阻和電容器不可能實現(xiàn)復數(shù)共軛零點。工程師設法用有限的模擬補償網絡對電壓模式控制器進行補償，但在上面提到的情況下，是無法實現(xiàn)足夠的補償，從而會在這方面浪費大量的時間。

　　為什么改用數(shù)字電源？

　　假設我們必須從模擬控制轉向其他技術，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，是因為它具有比模擬控制更好的性能、更靈活且在復雜的設計中更易用。數(shù)字控制發(fā)揮了模擬控制的優(yōu)點，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)性能做個比較。起初，你自然會想到，既然性能是由元器件決定的，很難說性能會有什么差別。但接著你會意識到，控制器會影響到性能的很多方面。下面是一些例子。

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

　　2．調節(jié)精度：一般來說，調節(jié)精度是根據(jù)線電壓、負載和溫度來定義的，因為這些條件中的每一個都會影響調節(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，在整個工作條件范圍內進行優(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償（更好地調用極點和零點），因此在穩(wěn)定性上的控制要好很多。另外，補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現(xiàn)最佳的穩(wěn)定性。模擬控制器的補償是固定的，而數(shù)字控制可提供可調的甚至是自適應的補償。

　　4．故障響應：數(shù)字電源控制器提供了大量故障響應的選項。每種故障都有唯一的響應特性，可根據(jù)用戶的需求進行調整。模擬控制器一般只有一個固定的故障響應（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：許多控制結果都會影響到效率，包括死區(qū)時間、開關頻率、柵極驅動等級、二極管仿真、加相和缺相等。針對這些因素，當前數(shù)字控制所提供的數(shù)字控制算法在整個工作條件范圍內進行了優(yōu)化。因此，在某個工作點下，你也許能將模擬控制器調整到很高的效率，但數(shù)字控制器卻可對所有的工作點進行優(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)可靠性的兩個途徑。此外，靈活的故障響應和探測元器件參數(shù)微小變化的能力，可以大幅減少停機時間。

　　實際情況是，對大多數(shù)簡單的設計和基本要求來說，數(shù)字控制可能有點大材小用。當然，數(shù)字電源控制的靈活程度足以應付這些簡單的應用，其功能可能超出實際所需。另一方面，最復雜的設計需要完整的特性集，很難找到不增加很多電路就能勝任此項任務的模擬控制器。此時，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用，無需借助附加電路。從這個意義上說，這項技術的靈活性要遠優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬技術。

　　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計重用和靈活性的要求。元件數(shù)值也需要靈活可變。設想一下，一個典型模擬補償器的補償元件（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。把這些元件集成進來，實際上降低了控制器的靈活性，除非采取某種辦法，能夠調節(jié)元件的數(shù)值，適應應用的要求。例如在數(shù)字控制器里，補償器被集成到控制器中，補償參數(shù)存放在控制器存儲器中的數(shù)字寄存器當中。若要改變補償參數(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行修改。在后面的例子還將說明，對設計進行配置只是點擊鼠標這樣簡單的事情。這要比模擬方案要容易得多，因為模擬方案還需要用電烙鐵和成箱的元器件。當你重新設計和優(yōu)化的時候，每改變一次元器件的數(shù)值，都會增加設計風險。

　　最后，數(shù)字控制器更容易使用，因為你可以用幾個數(shù)字就把設計搞定，而且用數(shù)字方式進行設計也更容易。下面的幾個例子可用來說明這一點。

　　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)字方式集成進來，就消除了這個限制，這樣就更容易采用原先在模擬域很難采用的方案。

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

　　優(yōu)化算法以提高性能。模擬設計傾向于點方案，但負載、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)性存儲器來實施。

　　數(shù)字控制器中的自發(fā)現(xiàn)算法把設計者從費時的系統(tǒng)標識中解放出來。比如，自動補償是今年發(fā)布的很多數(shù)字控制器上的新功能之一?？刂破鲿_定受控裝置的特性，并采用適合那個特定裝置的的配置。

　　由于元器件的數(shù)值、運行狀態(tài)、環(huán)境條件被存儲在數(shù)字寄存器里，因此可進行遙測，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行參數(shù)，使系統(tǒng)啟動并運行。

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

原文作者：Chris Young Intersil Zilker Labs