關于數(shù)字電源的應用價值與優(yōu)勢的探討

1.數(shù)字電源的同步和時序控制

通常電源系統(tǒng)的時序和同步控制都需要使用特殊的控制器件來實現(xiàn)，而需要額外增加器件來實現(xiàn)時序控制，即增加了成本還需要在電路板上占有一定的空間，并且是完全由硬件電路實現(xiàn)，沒有適應性和擴展性，每做一個新的產品都需要重新進行時序設計和相應的硬件設計。特別是針對復雜的系統(tǒng)來說，每個系統(tǒng)中可能有多達10幾路的電源軌需要進行精確的時序設計，一不小心如果有一路時序設計錯誤，整個系統(tǒng)設計就功虧一簣。而數(shù)字電源的應用，讓時序和同步控制變得異常簡單，Zilker系列數(shù)字電源管理芯片使用單線制的DDC總線和SYNC管腳就可輕松實現(xiàn)各路電源軌之間的同步和時序管理，不再需要使用專門的頻率同步信號發(fā)生器件和時序控制器件，只需通過單線將各芯片的DDC管腳和SYNC管腳分別連接在一起，相應器件的時序和工作的相位就可以進行精確的設定。時序設定是通過配置Pre Sequence和Sequence寄存器實現(xiàn)，同步和相位是通過配置SYNC Output Mode，SYNC Input Mode, SYNC Pin Configure來實現(xiàn)。

而芯片運行的過程中是完全不需要外部控制的，只需事先將配置文件寫入芯片中，芯片就可以完全在獨立運行的過程中實現(xiàn)精確的排序和同步錯相功能了。

下圖是通過配置的基于ZL系列數(shù)字電源芯片電源軌的開關節(jié)點波形圖以及輸出電壓軌的時序控制結果：

圖1：電源軌相位交錯效果

圖2：系統(tǒng)的上電時序控制效果

圖3：系統(tǒng)的下電時序控制效果

從上面的圖像可以看出，通過配置后電源系統(tǒng)輕松實現(xiàn)了排序、同步和錯相等功能，工作狀態(tài)穩(wěn)定。同時在使用了數(shù)字電源解決方案后，出現(xiàn)錯誤時也可以通過軟件進行及時簡單的進行修正，不需要重新花費人力物力來對復雜的硬件進行重新設計，設計人員也可以節(jié)省更多的時間去完成對系統(tǒng)處理功能的優(yōu)化，潛在的經濟效益也很大。

2.數(shù)字電源對系統(tǒng)動態(tài)功耗管理的幫助

針對工業(yè)界越來越嚴格的能耗管理需求，為使電源系統(tǒng)能夠得到最優(yōu)化的效能。除了提高電源系統(tǒng)的工作效率，另一個途徑就是針對系統(tǒng)處理器芯片工作在不同業(yè)務密度時，動態(tài)的調節(jié)處理器芯片的供電電壓來優(yōu)化處理器的能耗，通常情況下即要實現(xiàn)下面的功能：當系統(tǒng)處在高負荷運轉的時候，需要系統(tǒng)有很強的處理能力，讓系統(tǒng)達到最高的處理速度和能力，需要相應的提高系統(tǒng)處理器芯片的供電電壓；而當系處于低負荷運轉的時候，又需要盡可能的把閑散的功能模塊屏蔽，不讓或者少讓其損耗能量，從而相應的降低系統(tǒng)處理器芯片的供電電壓。

使用模擬電源方案，電源系統(tǒng)的輸出電壓是由硬件固定設置的，不能夠或者很難進行實時的動態(tài)調整。而使用了數(shù)字電源方案，我們不僅可以通過接口（Zilker系列數(shù)字電源使用標準的I2C/SMBUS接口）和相應的協(xié)議（Zilker系列數(shù)字電源使用標準協(xié)議的PMBus協(xié)議）實時的控制電源的輸出，而且還可以實時監(jiān)測電源軌的工作電壓、電流、溫度等信息（如圖4是通過Intersil公司的GUI顯示了多路數(shù)字電源軌的工作狀態(tài)）， 這樣可以比較容易的實現(xiàn)對系統(tǒng)的動態(tài)管理和性能優(yōu)化了。

圖4：系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控

通常的系統(tǒng)動態(tài)電壓調節(jié)流程圖如下圖5所示，在調節(jié)的過程中需要CPU發(fā)送調節(jié)指令，對于模擬電源來說，指令是不能夠被直接接收和執(zhí)行的，那么整個調節(jié)過程就不能夠有效的執(zhí)行。只有使用了數(shù)字電源的系統(tǒng)才能有效的進行相應指令接收和操作，系統(tǒng)動態(tài)功耗的管理和優(yōu)化就變的有操作性了。

圖5：根據(jù)負載運行狀況實時對電源軌電壓進行調整

3.數(shù)字電源應用對系統(tǒng)長期可靠性的幫助

幾乎所有的ZL系列數(shù)字電源都帶有自動補償功能（Auto Compensation），數(shù)字電源的自動補償功能用來幫助設計工程師對電源設計中復雜的反饋環(huán)路進行設計的輔助工具。

但是使用自動補償還可以實現(xiàn)其他一些有用的功能，例如幫助提高系統(tǒng)的長期可靠性。

ZL系列數(shù)字電源中數(shù)字補償回路的參數(shù)包括以下三個參數(shù)：Gc,Fn和Q，其中Gc為增益，這個值用來補償功率通路直流增益的不足，增加低頻增益，以達到更加緊密的輸出電壓調節(jié)精度。Fn為自然頻率，用來補償系統(tǒng)中輸出濾波器件在諧振頻率處產生的雙極點，以保證電壓的設計更加穩(wěn)定可靠。而Q值則是一個逼近電源本身輸出濾波器件品質因素的參數(shù)，當電源本身的品質因素發(fā)生變化的時候，補償?shù)腝值就會隨之變化，以補償這部分的變化。而對于自動補償器件來說，這三個參數(shù)是可以根據(jù)電源的設計自動產生的，只要將自動補償功能啟動，就可以產生一套參數(shù)。

那么通過觀察系統(tǒng)補償值的變化，我們是否就可以了解系統(tǒng)中的各個分立器件參數(shù)的變化情況呢？帶著這個問題，進行了研究。下面以ZL8101為基礎設計的1V30A的數(shù)字電源的軌作為例子，對電源進行自動補償測試，比較在不同情況下得到的自動補償結果，得到如下表的參數(shù)：

表1:不同系統(tǒng)狀況下的自動補償參數(shù)

對比上面三組參數(shù)，很明顯，在輸出電容不同的情況下，補償參數(shù)中的Q值有明顯的變化。這個說明了什么呢？

對于Q值，前面說過，其和整個電源軌的品質因素有直接關系，它是補償電源軌功率通路品質因素的，當功率通路品質因素發(fā)生變化的時候，Q值當然也應該發(fā)生變化，只有這樣我們才能得到一個穩(wěn)定的補償回路，系統(tǒng)才能夠可靠的工作，這結果即得到了不同情況下單自動補償參數(shù)值，也從側面反映了自動補償功能的可靠性。

而對于數(shù)字電源來說，一個電源軌中除了功率通路之外，就是數(shù)字控制器本身，外圍其他電路已經被減少到了基本沒有的地步，所以功率回路和數(shù)字控制器就是最主要的器件了，我們只要保證了這兩種器件的可靠性就可以保證整個電源軌的可靠性，從而保證整個系統(tǒng)的可靠性。而對于半導體器件，本身的可靠性非常高，失效率也極低，一旦設計完成，他的失效率就基本可以忽略不計；對于磁性元器件，由于其是物理結構，在整個生命周期中都比較穩(wěn)定，在不受外界應力干擾的情況下，失效率同樣極低；只有一個器件是容易產生失效的，這個器件就是輸出級的大容量儲能電解電容，電解電容的失效率會隨著工作時間增加而增加。在使用模擬電源產品的時候，系統(tǒng)的可靠性是由第一次設計來保證，但是在設計的時候是不會考慮到電容失效這種情況的，設計出來的電源產品只能在保證電路主要器件完好情況下的可靠性，就是說如果輸出電容發(fā)生失效，或性狀發(fā)生變化的時候是不能保證電源正常工作可靠性的，而電容是否發(fā)生故障或者會什么時候發(fā)生故障，這個是沒有辦法知道的，所以模擬電源的長期可靠性也無從監(jiān)控或者追蹤。但是通過這個實驗，使用數(shù)字電源的自動補償功能，首先我們能夠在輸出電容發(fā)生變化的時候，仍然保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其次，當輸出電容發(fā)生變化后，我們可以通過自動補償功能檢測到這個變化，從而預先防止電源的進一步惡化，在整個系統(tǒng)出現(xiàn)較大問題之前我們就可以知道并且更換掉即將失效的器件，從而可以有效的阻止整個系統(tǒng)的崩潰。

使用數(shù)字電源的系統(tǒng)，我們能夠通過檢測系統(tǒng)在長期使用過程中的自動補償參數(shù)值的變化，進行統(tǒng)計學的對比，從中了解到系統(tǒng)中的某些元器件的老化程度，從而決定是否需要及時的進行系統(tǒng)維護和元器件更換。這即增強了系統(tǒng)的長期可靠性也為系統(tǒng)長期可靠性的評估提供了一個可行的辦法，并且所有的這些工作都只需要通過遠程訪問系統(tǒng)中的數(shù)字電源就可以實現(xiàn)，從而可以有效的降低系統(tǒng)后期的維護費用和成本，有非常重要的實際意義。

綜合上述得到的使用數(shù)字電源的優(yōu)點，以及傳統(tǒng)來說使用數(shù)字電源得到的外圍分立元器件的減少和系統(tǒng)的更加智能化，數(shù)字電源應用的優(yōu)勢就顯得異常突出了。業(yè)界還有什么理由來拒絕使用數(shù)字電源產品呢？