數(shù)字電源的實現(xiàn)與進(jìn)展
數(shù)字電源有幾種不同的含意,實現(xiàn)方式也各不相同。
*簡單的是數(shù)字檢測,包括監(jiān)視開關(guān)電源的狀態(tài),如溫度、輸入/出電流、輸入/出電壓、開關(guān)頻率(占空比)等,并根據(jù)需求向主機報告。故障狀態(tài)信息甚至?xí)r間標(biāo)記等信息可以存儲在非易失性存儲器中,并在將來某個時間上報這些信息。
**個定義是在“數(shù)字檢測”的基礎(chǔ)上通過數(shù)字接口控制開關(guān)電源,一般是通過I2C或類似的數(shù)字總線控制輸出電壓、 開關(guān)頻率、多通道電源的(上/下電)排序、上升斜率、跟蹤、(軟)啟動、裕度控制、故障保護(hù)等等。實際上,目前市場上的很多電源管理集成電路都以這種方式工作。
第三個定義是用數(shù)字電路徹底取代開關(guān)電源中的所有模擬電路,這是真正的原生數(shù)字電源。只須編寫幾行簡單的代碼,一個核心數(shù)字電源集成電路就 可以配置成升壓穩(wěn)壓器、降壓穩(wěn)壓器、負(fù)輸出、SEPIC、反激式或正激式轉(zhuǎn)換器,這樣將使開關(guān)電源更容易設(shè)計、配置而且更穩(wěn)定。但要實現(xiàn)這點從目前看來是相當(dāng)困難的,因為從物理定律上來說,電流是模擬信號,即使用ADC和DSP取代誤差放大器和脈沖寬度調(diào)制器的數(shù)字開關(guān)電源也仍然需要電壓基準(zhǔn)、電流檢測電 路和FET驅(qū)動器,這些組件目前只有模擬形式的產(chǎn)品。此外,電感器、變壓器以及電容器等模擬元器件在實現(xiàn)數(shù)字電源時也是不能沒有的。
傳統(tǒng)的模擬電源是以模擬控制環(huán)路為基礎(chǔ)的,如果在模擬控制環(huán)路外添加模擬量采樣、量化電路,并輔以通信電路,即可構(gòu)成上面**個定義中所指的帶數(shù)字檢測的比較初級的數(shù)字電源。
目前的數(shù)字電源大都是按照上面**個定義(即數(shù)字控制+數(shù)字監(jiān)視)實現(xiàn)的,電源內(nèi)部的模擬控制環(huán)路由數(shù)字控制環(huán)路替代。未來是屬于數(shù)字電源的,但數(shù)字化是個漸進(jìn)的過程,其發(fā)展很可能由同時使用模擬和數(shù)字技術(shù)的混合系統(tǒng)開始,進(jìn)而演進(jìn)到全數(shù)字實現(xiàn)。以前,數(shù)字化是以采用高成本的復(fù)雜多芯片電路方案為代價的。例如,一個具有電壓、電流監(jiān)視及控制能力的應(yīng)用可能需要很多集成電路,如高穩(wěn)定度基準(zhǔn)源、高精度多通道ADC、DAC和專用微控制器,此外還需要不小的軟件開發(fā)工作量。如果再考慮成本、復(fù)雜性、線路板空間限制和嚴(yán)苛的產(chǎn)品上市時間要求,以數(shù)字方式管理電源的確需要人們付出不菲的代價。
*近出現(xiàn)的數(shù)字電源產(chǎn)品的集成度和易用性已經(jīng)達(dá)到一個更高的高度。包括傳統(tǒng)的模擬電源廠商和新興的數(shù)字電源芯片設(shè)計廠商在內(nèi)的大部分廠商都在著手解決純粹的電源轉(zhuǎn)換以外的問題,包括添加監(jiān)測功能,提供可與系統(tǒng)通信的數(shù)字接口,以及建立數(shù)字控制反饋環(huán)路,即在模擬變換器外面使用“ 數(shù)字外殼”。常見的方案有兩種:(1)單芯片控制器方案。通過外接A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行取樣,取樣后對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理,再把結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換后傳送到PWM芯片,從而實現(xiàn)單芯片控制器對開關(guān)電源的控制。這種方案的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟,設(shè)計方法容易掌握,而且對單芯片控制器的要求不高,成本比較低。但是整套電路用到多個芯片,電路比較復(fù)雜;且經(jīng)過A/D和D/A轉(zhuǎn)換等步驟,會造成比較大的信號延遲,進(jìn)而影響電源的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。有些單芯片控制器整合了PWM輸出,但一般單芯片控制器的運行頻率有限,無法產(chǎn)生足夠高的頻率和精度的PWM輸出信號。(2)通過高性能數(shù)字芯片(如 DSP或MCU)對電源實現(xiàn)直接控制的方案。數(shù)字芯片完成信號采樣、處理和PWM輸出等工作。由于數(shù)字PWM輸出的信號功率不足以驅(qū)動開關(guān)管,一般還需通過一個驅(qū)動芯片驅(qū)動開關(guān)管,即數(shù)字控制器與功率級之間的接口由MOSFET驅(qū)動器提供。由于這些數(shù)字芯片有較高的取樣速度(DSP片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器完成一 次A/D轉(zhuǎn)換只需數(shù)百納秒,相較之下,一般8位MCU控制器要數(shù)微秒之久)和指令周期,輸出的PWM信號的分辨率僅數(shù)百皮秒,過流檢測和關(guān)閉電源僅須數(shù)十納秒,可以快速有效的實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法,使設(shè)計具備較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。此外,在微處理器的支持下添加RS232/485、USB、以太網(wǎng)等擴展通信手段也非常方便。數(shù)字控制的電源產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)大部分?jǐn)?shù)字電源的功能需求,但如果不添加一些額外部件,還實現(xiàn)不了全部功能需求。
這種“數(shù)字外殼”的架構(gòu)存在以下問題:為了保證電源有較高的穩(wěn)壓精度,A/D轉(zhuǎn)換器必需要有較高精度的取樣,但高 精度的取樣頻率需要更長的A/D轉(zhuǎn)換時間,造成回路的實時反應(yīng)能力變差。而且,高速的采樣和運算將產(chǎn)生巨大的運算量,能達(dá)到實時要求的核心處理器還是很少的。雖然在要求比較高的場合一般都會用DSP芯片,其運算和取樣速度快,功能強大,但DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本比較高;而且DSP控制技術(shù)較難掌握,對設(shè)計者要求比較高。通用DSP芯片不是專門作為電源控制芯片使用的,一般的電源應(yīng)用對通用DSP芯片資源的利用率不高。不過目前以DSP為主要處理單元的數(shù)字電源芯片廠商,如TI、Freescale等公司都在優(yōu)化其作為數(shù)字電源核心的DSP的結(jié)構(gòu),同時努力降低成本,并改善開發(fā)手段(提供評估板、IP模塊 等),以幫助開發(fā)人員輕松地如期完成開發(fā)。除了DSP的方案,有的廠商提供基于MCU(如Silicon Labs公司)或狀態(tài)機(如Zilker公司)的方案。MCU長于控制,而狀態(tài)機的優(yōu)點是低功耗。鑒于DSP和MCU兩種方案各有長處,現(xiàn)在有的廠商(如 SiliconLabs公司、Microchip公司)開始將硬件DSP和輔助MCU同時集成入芯片中,使系統(tǒng)性能*優(yōu),效率已經(jīng)可以與模擬電源相媲美。
軟件設(shè)計對數(shù)字電源設(shè)計人員而言是另一個挑戰(zhàn)。為降低數(shù)字電源的設(shè)計門檻,很多半導(dǎo)體廠商推出了不需要軟件編程或者支持圖形用戶接口(GUI)的數(shù)字電源解決方案,設(shè)計人員通過GUI界面就能設(shè)定電源特性參數(shù),而不需要任何編程技能。此外,還可根據(jù)具體系統(tǒng)的情況,設(shè)定每個輸出電壓的跟蹤、升壓時間和延時等。有的數(shù)字電源管理芯片允許設(shè)計人員通過芯片管腳配置電源特性參數(shù)。許多數(shù)字電源芯片允許在系統(tǒng)運行中通過電源管理總線(PMBus)來實時更改電源輸出特性。系統(tǒng)控制算法的設(shè)計通常是在專用的集成開發(fā)環(huán)境IDE中進(jìn)行,例如TI的面向DSP的CCS、Silicon Labs的基于MCS51的IDE等。