數字電源帶來的設計變革

　　關鍵字：ZL2008 FET 微處理器 數字電源

　　數字電源是當今的熱門話題。采用數字技術的電源使功率轉換和電源控制發生快速改變。即便數字電源炙手可熱，工程師對數字電源的接受速度看起來還是很慢。擺在數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，由于大多數產品的集成度都比較高，數字電源在成本上是有優勢的。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，數字電源將成為功率轉換的發展方向。

　　本文將解答“為什么應該改用數字電源” 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的變化及經濟因素的變化。

　　從電源的角度看，負載正在發生變化。半導體技術演進的方向是工藝尺度越來越小，這推動著負載發生改變。以前的微處理器和ASIC需要幾伏電壓，現在則需要不到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的解決方案。

　　政府的法規也不是一成不變的。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的需求變化。此外，在經濟全球化的時代，不但是當地法規，客戶所在的國家也會制定電源方面的相關法規。

　　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生變化的經濟因素當中的幾個。

　　經濟因素迫使企業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的外部元件的數值是固定的，可用的數值也是受限的。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，外部元件的數值只有一個，無法適應變化的環境。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（PTC）電阻，這個電阻不可能表現出負溫度系數電阻的特性。因此，模擬電源控制設計仍然受限于其進行優化、或適應變化的負載或環境狀況的能力。

　　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值。這種數值上的限定會制約模擬解決方案的參數空間。雖然大多數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傳遞函數中的雙極點。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。如果沒有出現對復數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復數共軛零點。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。

　　為什么改用數字電源？

　　假設我們必須從模擬控制轉向其他技術，為什么數字控制是解決問題的辦法呢？數字控制能解決問題，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。數字控制發揮了模擬控制的優點，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字控制的系統性能做個比較。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．瞬態響應：控制機制極大影響了系統的瞬態響應。例如，與電流模式相比，磁滯控制器的瞬態響應會有很大不同。每種控制模式都既有優點，也有缺點。數字解決方案讓你能無縫地從一種模式轉換到另一種模式，以提供最優的瞬態響應。雖然模擬解決方案可以提供很好的點方案，但極少出現足夠靜態的工作狀況，讓你能實現所設想的點方案。

　　2．調節精度：一般來說，調節精度是根據線電壓、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精度。數字控制器可以監視這些條件，并采取控制措施，在整個工作條件范圍內進行優化。

　　3．穩定性：數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，使系統能在很寬范圍的條件下實現最佳的穩定性。模擬控制器的補償是固定的，而數字控制可提供可調的甚至是自適應的補償。

　　4．故障響應：數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/過載），用戶也只能選擇用或者不用。數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，當前數字控制所提供的數字控制算法在整個工作條件范圍內進行了優化。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，但數字控制器卻可對所有的工作點進行優化。

　　6．可靠性：減少元件數量、降低工作溫度（通過效率優化）是數字電源提高系統可靠性的兩個途徑。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，對大多數簡單的設計和基本要求來說，數字控制可能有點大材小用。當然，數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，數字控制器顯然是備受歡迎的解決辦法。

　　數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于傳統的模擬技術。

　　數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，能夠調節元件的數值，適應應用的要求。例如在數字控制器里，補償器被集成到控制器中，補償參數存放在控制器存儲器中的數字寄存器當中。若要改變補償參數，只需簡單地改變寄存器里的數值。

　　數字電源控制器在易用性方面比模擬控制器更有優勢。首先，由于數字電源控制的高集成度，需要確定、采購、跟蹤的元器件數量要少很多，這使得數字電源控制器非常容易使用。其次，集成元件的數值由數字寄存器定義，寄存器里的數值可以很容易地通過器件的引腳或數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。當你重新設計和優化的時候，每改變一次元器件的數值，都會增加設計風險。

　　最后，數字控制器更容易使用，因為你可以用幾個數字就把設計搞定，而且用數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值。把這些功能/數值用數字方式集成進來，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。數字補償的功能要遠遠多于模擬補償，例如高Q值電路的電壓模式控制很容易用數字控制器實現，但幾乎不可能用模擬控制器來實現。

　　優化算法以提高性能。模擬設計傾向于點方案，但負載、電壓源、環境條件很少是固定的。因此，可以采用優化算法，對在這些變化條件下的性能進行優化。這些算法很容易在數字控制里，用嵌入式微控制器和非揮發性存儲器來實施。

　　數字控制器中的自發現算法把設計者從費時的系統標識中解放出來。比如，自動補償是今年發布的很多數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。

　　由于元器件的數值、運行狀態、環境條件被存儲在數字寄存器里，因此可進行遙測，并且也容易使用該功能。系統能夠很快診斷出故障，用很短的指令改變運行參數，使系統啟動并運行。

　　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的辦法，前景恐怕不妙。數字電源的出現恰逢其時，為我們提供了急需的金剛鉆?，F在，讓我們改變吧！

原文作者：Chris Young Intersil Zilker Labs