功率轉換及管理的數字控制

本文將會廣泛地討論有關數字技術應用于功率轉換及管理方面的技術性問題，以迎合市場趨勢及不同市場領域的需求。我們還會談到這種技術相對于模擬控制的應用和挑戰。

　　功率轉換屬于功率系統 (反饋環路) 的運作，而功率管理則涵蓋操作模式、起動/停機延遲的同步跟蹤和邊裕量以及針對并行操作和系統通信的鎖相 (交錯) 功能。

　　多年以來，“模擬”與“數字”的定義已變得有點模糊。為了避免混淆，本文中的“模擬”是指“連續可變的物理量”，而“數字”是指“離散變量”，全因為數字技術的特性，我們可以存儲數據、進行運算和有效地通信。

　　直到現在，功率轉換中電壓和電流的實際處理，一直都屬于模擬而非數字的領域，不過控制上則可以是模擬或數字。由于有關控制并非完全數字化，所以需要在反饋環路中設置模數換轉器。那么數字技術能帶來什么好處?

　　技術

　　數字技術在我們的日常生活中俯拾皆是。但只有在大約4年前開始，這種技術才被全面應用于功率轉換及管理的范疇。

　　特點

　　數字技術最突出的優點在于存儲器方面的應用，當中包括3個基本級別的訪問：特別為包含了控制器內部校準數據及查表的寄存器而設的廠級訪問 (不讓用戶自行訪問);用來選擇管理拓樸和控制模式 (電壓、電流和混合式) 并提供不同故障保護功能設定的控制器配置 (用戶可以通過密碼來訪問);以及監察和控制 (通過PMBus協議來自由訪問)。完善的數據存儲能力容許設計師把有關設計優化，甚至在不同項目上反覆使用。

　　數字技術在存儲方面的強項衍生另一種優點 – 通信功能。通過I2C來實現的通信功能為控制器賦予校準和編程的能力，也可實時發揮不同功能，包括控制、監察、狀態監控、遠程識別和診斷。其他特點包括在傳輸過程中作不同的強度調整，包括分辨率 (數字多少)、校準 (模數轉換、外置感應器)、輸出電壓/電流設定及保護限制 (電壓、電流、溫度)。

　　時間調整功能涵蓋頻率轉換、延遲和相位調整。控制/管理功能包括操作模式轉換 (起動/關機、脈沖串、脈沖跳行、脈沖頻率調制、脈沖寬度調制、相位數)、自檢驗和輸出電壓轉換 (邊限)。時間調整和控制的靈活性皆有助于減少電磁干擾，這種特性在模擬應用環境中完全是可夢而不可即。

　　數字術技優點的多寡，或許會因為需要根據不同市場領域作出微調而有所不同，但在實施過程中都需要若干邏輯元素。

　　邏輯的類型

　　我們替某種應用選擇合適的邏輯時，靈活性、速度/帶寬及成本限制都成為了決定性因素。當中包括數字硬連接邏輯 (狀態機器) PID控制及數字脈沖寬度調制 (PWM);數字硬連接邏輯PID控制及數字PWM + 非易失性存儲器;混合式 = 模擬PWM + 數字接口 (一般稱為“數字封裝”);單片機(mC);數字信號處理 (DSP) 和數字控制處理 (DCP)，并且包含最佳DSP和mC的合并。

　大多數的數字集成電路都包含了功率轉換控制及功率管理功能。當中的功率轉換控制 (反饋環路) 可以工作于連續實時模擬及接近于實時(需要一些響應時間)的數字狀態。其他功能會根據事件來觸發、編排程序和休眠 (存儲器)。硬連接邏輯可用于大批量的低功率應用 (<200W)，它們一般工作于較高的頻率 (200kHz~2MHz) 和接近模擬控制速度成本也相對比較低。這樣能夠體現最堅固的結構，也不需要客戶作出很大程度的編程，甚至可以完全省卻 (接腳編程，或通過I2C 實現圖像用戶接口);而且又可以加快產品面市的速度。加入NVM能夠在集成電路設計中體現更高的靈活性，但會增加檢驗和確認工作。

　　假如以一個模擬控制器，配合一個能夠支持I2C通信、并有時用來支持VID控制的數字接口，就可以形成混合式邏輯了。它會與硬連接結構共用相同的空間，但靈活性會比較低一點，成本也會高一些。兩者都主要用于直流-直流的領域。mC、DSP和DCP皆利用編碼(匯編語言或C)來實現更高的靈活性和速度，但成本會更高，也需要更長的時間才能夠推出市場。不過，靈活性的增加使電路結構也會變得更加復雜，所以檢驗和確認程序的成本也會更高。

　　硅工藝

　　實施這些邏輯類型時所作出的技術選擇，一般都受到成本帶動;而隨著更低的亞微米技術 (0.15/0.18mm) 變得更經濟實惠，數字技術無疑更為占優，也因而加快了模擬到數字技術的轉型。到了某一個階段，“以更低成本體現更多功能”將為成為新的價值觀，取代“以相同成本體現更多功能”。在0.25mm的范圍內，模擬與數字結構的芯片成本早已相同，但隨著0.18mm范圍下的芯片成本下降，研發成本增加了一倍以上。(見圖1，來源ISSCC 2007 / SESSION 1 / PLENARY / 1.1)

　　在TSMC，0.15/0.18m m產品的生產量遠遠高于0.25mm產品(圖1，來源ISSCC 2007/SESSION 1/PLENARY/1.1)。預期規模經濟將會進一步促進有關的轉換過程。

　分割與封裝

　　“分割”是指把一個或多個集成電路中的功率轉換部分的功能組合起來。有關選擇應該基于控制環路的分層結構 (保護、電流、電壓、熱能)、功率水平，以及在效率和空間之間作出權衡。在討論直流-直流技術的時候，我們會碰到一些像“分立解決方案”、“集成控制器及驅動器”、“集成功率級”等詞匯，而IR的iPOWIR功能模塊就是好例子。

　　分立解決方案是指擁有1至6相的分立控制器集成電路，當中的驅動器及場效應管都是分開的(見圖3)。這項解決方案可以開放給替代供貨來源，體現最大的靈活性及性能表現，成本更低，但占最多的電路板空間。模塊制造商可以提供較為節省空間的分立解決方案模塊，但需要犧牲其他來源的優點。不過，引腳對引腳的兼容性還可以保留。

　　集成控制器及驅動器是指在同一個集成電路內設有1至3相輸出及相關的驅動器(圖4)。它需要配合外置場效應管，又沒有替代供貨來源，驅動能力也有限，但優點是比分立解決方案節省耗用更少空間。另外，由于集成電路的散熱功能有限，所以只能設置3個驅動器，而且拉/灌電流也只能夠維持于它們最大的水平。

　　集成功率級是指同一個集成電路中單一相位的驅動器及場效應管。它比分立解決方案占用更小的空間，因此適合用于500kHz以上空間有限的應用。驅動器比較接近場效應管，所以能夠在高頻下高效率工作。只要配合一個合適的控制器，它就可以用于一至多個相位，但一般都沒有替代供貨來源。有關集成電路通常都根據特定的輸出電流范圍和占空比而作出優化，所以整個解決方案的成本往往高于分立解決方案。

　　這種器件一般都屬于全集成的多芯片模塊或MCM(把控制器、驅動器及場效應管全部裝設于同一個集成電路中)。雖然它占用的電路板空間最少，但基于封裝的熱能限制，只適用于比較低的功率水平，而且一般都沒有替代供貨來源。封裝的選擇取決于芯片面積、引腳數量和散熱需要。在大多數情況下，人們都會忽略了一個情況：原來把控制功能和功率級集成，通常都會造成未能充分善用功率級的現象，結果只能夠在控制器的最大可用溫度下操作，或由于需要強迫控制器在最大的功率級溫度下操作，而對零件的可靠性打折扣。

　　一個較低的上下熱阻封裝比較適合所有結構的需要，但是零件價格比較高。當場效應管在更低的溫度下操作，導通狀態電阻會更低，只需要一個更小巧的場效應管就能夠完成工作，或者能夠改善效率、節省能源，更勝于采用更佳封裝和加入額外散熱設計需要付出的高昂成本。另一個優點是可靠性將大大提高。

　　由于擁有通信及引腳功能分配等額外功能，所以包含了數字控制器的系統解決方案需要更少的元件和控制器零件。不論在功能組合或封裝選擇方面，數字結構都比模擬結構優勝。

　　市場分布

　　市場分布方面，消費市場占50%以上，信息技術產業則降至45%以下，余下的5%屬于政府用戶。其中消費市場中出現了大量商機。盡管高端系統開始采用數字技術 (見圖1)，但生產量和利潤率偏低使市場難以維持。實際上，消費市場中能夠有比較高的產量，仍然是由模擬產品主導，不論是在功率轉換或管理領域也是一樣。要推動數字技術，必須在高端和低端市場雙管齊下：高端市場著重完善功能及超卓性能，但以低成本為目標;低端市場以模擬技術主導的裸機為重點，但著重更低的成本以吸納市場份額。諷刺的是，最大份額屬于功率及而不是控制器。因此市場預期，假如能夠把兩者合一，就可以相得益彰，同時提高產品的邊際利潤及營業額。市場還預期大量的模擬元件會被更小量可配置的數字元件所取代。借著“整修”(增/減) 來實現更精細的結構，將可以帶來更大的優勢。

　應用

　　市場上有多種不同級別的大批量功率轉換器，按每瓦特成本由低至高依次為：直流-直流非隔離3~15W (蜂窩電話、PDA及手持式設備)、直流-直流非隔離15~250W (負載點及VRD/VRM) 嵌入式設備及模塊、高至2000W 的隔離式交流-直流，以及隔離式直流-直流機板貼裝式功率模塊 (全調整、半調整和直流-直流變壓器)。

　　低功率手持式設備主要采用模擬功率控制及數字功率管理。

　　數字功率控制及管理技術最早是用于高檔電腦及圖像處理領域 (VRM/VRD)，緊接其后的是網絡通信 (數據通信及電信) 及存儲系統。負載點 (PoL)、嵌入式設備或模塊及隔離式直流-直流模塊是網絡通信中首選的解決方案，而存儲系統則同時采用VRDs/VRM及PoL。這些應用皆采用數字硬連接或混合式邏輯結構。不同類型的交流-直流系統采用μC、DSP或DCP控制及功率管理技術，也有越來越多隔離式直流-交流反相器和隔離升壓直流-直流轉換器加以仿效。

　　不論是哪種應用，操作模式的改善都有助于提升低負載環境的運作效率。這包括相位的減少、脈沖跳行、更低柵驅動電壓和更低的開關頻率。至于在全負載的環境下，運作效率的提升則源于更低的導通狀態電阻 (更完善的場效應管) 和革命性的拓樸技術。

　　要為數字結構創優增值，創造更大利潤及提高生產量，企業必須超越“莫爾定律”。

　　挑戰

　　外來挑戰包括市場慣性的轉變，包括工程師和硬件兩方面。硬件的挑戰基于用戶量大但缺乏數字接口。另外，市場分割使營銷人員難以為產品賦予定義，并且要求所有人都采用新技術;而市場對新技術的抗拒 (例如基于高價錢及“Z系列”的專有通信總線) 或因為害怕IP訴訟而延遲采用都帶來挑戰。與此同時，操作不便的圖像用戶接口、不完整的操作指引文件，都有可能增加客戶及分銷商的操作培訓時間。另一方面，現有模擬技術的競爭相當激烈，各家廠商紛紛降價和推出新產品來爭吃市場大餅，甚至制造種種的恐懼、不確定、懷疑現象以吸引用戶。此外，購買量少和低利潤往往對新用戶造成了障礙。

　　內部挑戰之多、嚴重性之高絕對不下于外來挑戰。學習時間之長、設計上的限制，加上檢驗和確認程序的資源需求，都拖慢了產品面市的時間，甚至使產品損失市場份額。可配置數字控制器的設計檢驗程序理論上是無窮無限的，而檢驗和確認方法及工具不足夠，也使問題進一步惡化。此外，模擬與數字工程資源更需要互相協調和配合。

　　最后，我們不應該忽略另一個重大的挑戰，那就是企業文化往往影響了采用新技術的態度和想法。“我們的產品、資源、時間和市場不足夠”這種觀念絕對不應再成為限制因素。