不再夸張的數(shù)字電源

要點(diǎn)

•數(shù)字電源可以降低成本，簡(jiǎn)化你的設(shè)計(jì)，并提高精度。

•數(shù)字電源非常適用于輸出余量設(shè)定及逐周期回路補(bǔ)償。

•很多系統(tǒng)工程師并不想要或需要非線性控制或自適應(yīng)補(bǔ)償。

•數(shù)字電源能提高效率的聲稱通常無(wú)法證實(shí)。

•數(shù)字電源確有獨(dú)特的性能，但也存在折衷。

最近，營(yíng)銷部門一直在大肆吹噓已在學(xué)術(shù)界徘徊了幾十年的數(shù)字電源，他們沒(méi)有惡意，只是熱情過(guò)度(圖1)。現(xiàn)在，其中的一些夸張之詞已經(jīng)消逝，是時(shí)候討論一下數(shù)字電源適合什么，其工作原理，缺點(diǎn)，以及它的折衷(參考文獻(xiàn)1)。不過(guò)，盡管它有缺點(diǎn)，各家公司仍然開發(fā)和部署了一些器件，它們?cè)诓簧婕罢壑缘那闆r下，充分利用了數(shù)字控制回路的好處。

圖1，數(shù)字電源最終達(dá)到了平穩(wěn)量產(chǎn)的階段(Gartner集團(tuán)提供)。

芯片公司對(duì)數(shù)字電源的定義是五花八門。有些公司認(rèn)為，數(shù)字電源包含了圍繞一個(gè)模擬PWM(脈沖寬度調(diào)制)回路的數(shù)字功能與通信鏈接。其它公司稱，數(shù)字電源是一種內(nèi)置數(shù)字PWM芯片的狀態(tài)機(jī)。還有一些公司表示，數(shù)字電源包括了一個(gè)通用DSP，DSP運(yùn)行著一個(gè)閉合控制回路的算法。而過(guò)去

十年來(lái)學(xué)術(shù)意義上的真正數(shù)字電源，則擁有一個(gè)數(shù)字PWM回路，并帶有一個(gè)狀態(tài)機(jī)或一只DSP。一只模擬PWM器件上加上一個(gè)串行總線并不能成為數(shù)字電源。不過(guò)，數(shù)字電源可以免除或消除對(duì)某些元件的要求，從而可以降低成本。

你可以為一只DSP加一個(gè)FET驅(qū)動(dòng)芯片和一些代碼，以控制渦輪風(fēng)機(jī)的扇葉角度和變頻器，基本上這就是簡(jiǎn)單的數(shù)字電源了。例如，德州儀器公司十多年前就開始為其DSP提供電源庫(kù)。該公司現(xiàn)在生產(chǎn)多個(gè)系列基于DSP的電源芯片(圖2)。CamSemi公司嘗試減少器件數(shù)，提供5W C2161PX2 ac/dc控制器，它采用反饋?zhàn)儔浩魃系囊粋€(gè)檢測(cè)繞組，而不是昂貴的光耦(參考文獻(xiàn)2與圖3)。數(shù)字電源不用二極管來(lái)檢測(cè)反饋波形，當(dāng)檢測(cè)繞組的反饋信號(hào)為負(fù)值，以及不表示次級(jí)的輸出電壓時(shí)，就消除這個(gè)信號(hào)。至于降低成本，Exar公司制造了16A的XRP7740數(shù)字電源芯片，可為機(jī)頂盒或數(shù)據(jù)服務(wù)器提供多個(gè)電源軌(圖4)。Exar公司擁有芯片方面的很多專利，包括將一小塊片芯區(qū)域用于一個(gè)實(shí)用的控制回路(參考文獻(xiàn)3)。這樣，Exar公司的芯片定價(jià)就能與模擬芯片競(jìng)爭(zhēng)。

圖2，你可以編譯德州儀器公司任何DSP的數(shù)字電源庫(kù)，或用一只該公司專用芯片，做出數(shù)字電源系統(tǒng)。TI還制造采用狀態(tài)機(jī)的數(shù)字電源芯片。

圖3，CamSemi公司提供5W的開關(guān)電源控制芯片，它有一個(gè)替代線性電源的雙極晶體管。開關(guān)設(shè)計(jì)有更高的效率，使用銅線也較少，因此降低了成本。

圖4，Exar公司的XRP7740可在四個(gè)通道上提供16A輸出電流。聰明的IC設(shè)計(jì)使得芯片很小，因此該公司提供的芯片價(jià)格能與模擬方案相競(jìng)爭(zhēng)。

數(shù)字電源還可以完成逐周期的回路補(bǔ)償。例如，Intersil公司的數(shù)字電源管理集團(tuán)Zilker Labs最近就推出了ZL6105，它采用了一個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)完成逐周期的自動(dòng)補(bǔ)償工作(圖5)。另一個(gè)例子是，新興的Powervation公司用一個(gè)數(shù)字電源ASIC，完成電源的逐周期補(bǔ)償(圖6)。這種實(shí)時(shí)的回路補(bǔ)償是數(shù)字芯片較其模擬對(duì)手的主要優(yōu)勢(shì)。這些數(shù)字電源控制器可以跟蹤由于老化和干涸所造成的電解電容降級(jí)問(wèn)題。如果你將部件設(shè)計(jì)成一塊電源磚，則數(shù)字控制器可以檢測(cè)磚的輸入輸出電容，并在每個(gè)周期作補(bǔ)償。其它數(shù)字電源芯片可以做一次性的自補(bǔ)償周期，幫助創(chuàng)建數(shù)字補(bǔ)償濾波器的因數(shù)。