數(shù)字電源帶來(lái)的設(shè)計(jì)變革

數(shù)字電源是當(dāng)今的熱門話題。采用數(shù)字技術(shù)的電源使功率轉(zhuǎn)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(duì)數(shù)字電源的接受速度看起來(lái)還是很慢。擺在數(shù)字電源面前的兩個(gè)最大障礙是可見成本和知識(shí)產(chǎn)權(quán)(專利侵權(quán))。當(dāng)然，成本對(duì)非常簡(jiǎn)單的電源設(shè)計(jì)的確是個(gè)問(wèn)題。但在需要電源管理、故障管理、遙測(cè)的更復(fù)雜設(shè)計(jì)中，由于大多數(shù)產(chǎn)品的集成度都比較高，數(shù)字電源在成本上是有優(yōu)勢(shì)的。諸如Intersil Zilker Labs的ZL2008的新產(chǎn)品的上市，為解決知識(shí)產(chǎn)權(quán)難題提供了靈活的處理原則，知識(shí)產(chǎn)權(quán)、授權(quán)交易都已經(jīng)得到解決。一旦排除這些障礙，數(shù)字電源將成為功率轉(zhuǎn)換的發(fā)展方向。

本文將解答“為什么應(yīng)該改用數(shù)字電源” 這個(gè)問(wèn)題“。要回答這個(gè)問(wèn)題，首先來(lái)看看兩個(gè)相關(guān)的問(wèn)題：為什么要全面改變?為什么要從模擬技術(shù)改用其他技術(shù)?

為什么要全面改變?

對(duì)這個(gè)問(wèn)題的簡(jiǎn)短回答是，確實(shí)沒有其他選擇。技術(shù)在不斷進(jìn)步，因此功率轉(zhuǎn)換的需求也在變化。伴隨這些變化而來(lái)的是政府法規(guī)的變化及經(jīng)濟(jì)因素的變化。

從電源的角度看，負(fù)載正在發(fā)生變化。半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)的方向是工藝尺度越來(lái)越小，這推動(dòng)著負(fù)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(qū)動(dòng)阻抗必須比以前的電源低得多。新出現(xiàn)的應(yīng)用產(chǎn)生了新的負(fù)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(zhuǎn)換對(duì)電源提出的要求遠(yuǎn)不是滿足靜態(tài)要求那么簡(jiǎn)單。事實(shí)上，需求的變化正在加速。為滿足技術(shù)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(lái)設(shè)計(jì)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(zhì)，到對(duì)電源質(zhì)量的要求，再到對(duì)效率的要求，法規(guī)因素使我們的設(shè)計(jì)超出了簡(jiǎn)單的功率轉(zhuǎn)換的范疇，而是必須進(jìn)行更全面的考慮。設(shè)計(jì)的變化必須跟上法規(guī)的需求變化。此外，在經(jīng)濟(jì)全球化的時(shí)代，不但是當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)，客戶所在的國(guó)家也會(huì)制定電源方面的相關(guān)法規(guī)。

最后，經(jīng)濟(jì)因素導(dǎo)致的壓力頁(yè)越來(lái)越大，這要求工程師設(shè)計(jì)出創(chuàng)新的產(chǎn)品，為客戶提供更多價(jià)值。這不僅要求產(chǎn)品的價(jià)格便宜，而且還關(guān)心為實(shí)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(gè)小時(shí)內(nèi)從北京趕到天津，無(wú)論自行車多么便宜，自行車都不可能滿足這個(gè)要求。你需要更多先進(jìn)的技術(shù)。定價(jià)競(jìng)爭(zhēng)的壓力、燃料成本、人工成本和質(zhì)保成本只是推動(dòng)電源設(shè)計(jì)發(fā)生變化的經(jīng)濟(jì)因素當(dāng)中的幾個(gè)。

經(jīng)濟(jì)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(gè)工程師和近一年時(shí)間完成的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在必須用一個(gè)兼職工程師在幾個(gè)月內(nèi)完成。

為什么要從模擬轉(zhuǎn)向其他技術(shù)?

如果模擬功率轉(zhuǎn)換是完美無(wú)缺的，顯然就沒有必要從模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制。模擬電源控制有其局限性，其中一個(gè)關(guān)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(lái)設(shè)定的。如果需要改變內(nèi)部的特性，有兩個(gè)選擇：要不改變硅芯片，要不增加外部的有源器件來(lái)廢止、改進(jìn)、模仿或替代控制器。改變硅芯片的時(shí)間從3個(gè)月到超過(guò)1年不等，而且硅芯片的設(shè)計(jì)變化常常趕不上市場(chǎng)的變化。增加外部有源器件會(huì)增加成本，使進(jìn)度延后，降低功率密度，而且通常會(huì)對(duì)可靠性造成負(fù)面影響。

用于設(shè)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(gè)電阻并把電阻焊到電路板上，只有把電阻取下來(lái)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(gè)，無(wú)法適應(yīng)變化的環(huán)境。當(dāng)然，非線性電容器、電阻和電感器偶而也會(huì)用在電源設(shè)計(jì)當(dāng)中，但這些元件的變化范圍仍然是固定的。如果你使用一個(gè)正溫度系數(shù)(PTC)電阻，這個(gè)電阻不可能表現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)電阻的特性。因此，模擬電源控制設(shè)計(jì)仍然受限于其進(jìn)行優(yōu)化、或適應(yīng)變化的負(fù)載或環(huán)境狀況的能力。

除此之外，我們只能采用供應(yīng)商產(chǎn)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(huì)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(shè)計(jì)者都明白只能用正值的元件，但他們對(duì)電路工作狀態(tài)的限定卻不甚了了。在做設(shè)計(jì)變更時(shí)，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(gè)相關(guān)的例子出現(xiàn)在電壓模式控制的補(bǔ)償當(dāng)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(diǎn)。在高效電路里，這個(gè)雙極點(diǎn)可能會(huì)變成一個(gè)復(fù)數(shù)共軛成對(duì)極點(diǎn)。一個(gè)Type III模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(圖)通常用來(lái)對(duì)電壓模式控制器進(jìn)行補(bǔ)償。糟糕的是，采用電阻和電容器實(shí)現(xiàn)的典型Type III補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，只有一個(gè)實(shí)零點(diǎn)可以補(bǔ)償受控器件的極點(diǎn)。如果沒有出現(xiàn)對(duì)復(fù)數(shù)極點(diǎn)補(bǔ)償不足的情況，實(shí)零點(diǎn)勉強(qiáng)能做些補(bǔ)償。在Type III補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中，用正值的電阻和電容器不可能實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)共軛零點(diǎn)。工程師設(shè)法用有限的模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)電壓模式控制器進(jìn)行補(bǔ)償，但在上面提到的情況下，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)足夠的補(bǔ)償，從而會(huì)在這方面浪費(fèi)大量的時(shí)間。

為什么改用數(shù)字電源?

假設(shè)我們必須從模擬控制轉(zhuǎn)向其他技術(shù)，為什么數(shù)字控制是解決問(wèn)題的辦法呢?數(shù)字控制能解決問(wèn)題，是因?yàn)樗哂斜饶M控制更好的性能、更靈活且在復(fù)雜的設(shè)計(jì)中更易用。數(shù)字控制發(fā)揮了模擬控制的優(yōu)點(diǎn)，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(gè)比較。起初，你自然會(huì)想到，既然性能是由元器件決定的，很難說(shuō)性能會(huì)有什么差別。但接著你會(huì)意識(shí)到，控制器會(huì)影響到性能的很多方面。下面是一些例子。