數(shù)字高性能負(fù)載應(yīng)用的智能全集成數(shù)字電源解決方案

　　節(jié)能環(huán)保已成為今天電源解決方案的發(fā)展主旋律。電源系統(tǒng)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)：環(huán)境的惡化迫使人們不得不考慮采用更加清潔的替代能源;電子設(shè)備的發(fā)展也亟需提升現(xiàn)有電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)提高電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)化不同負(fù)載條件下的功耗以及采用新型綠色能源，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

　　空間受限的應(yīng)用以及散熱的挑戰(zhàn)

　　在高性能、大功率電源設(shè)計(jì)不斷需要更多功率的同時(shí)，它們?cè)诳捎秒娐钒蹇臻g上變得越來(lái)越受到限制。此外，不管電源設(shè)計(jì)人員是否經(jīng)驗(yàn)豐富，功率密度都給他們帶來(lái)了極大的新挑戰(zhàn)。一般情況下，這些設(shè)計(jì)需要具有高于90%的轉(zhuǎn)換效率，以限制電源的功耗和溫升。因此，熱性能設(shè)計(jì)尤其重要，因?yàn)橛糜谏⒊觥⒂蒁C/DC電源轉(zhuǎn)換損耗和有限的空氣流動(dòng)產(chǎn)生的熱量的空間非常小。除此之外，這些電源必須有卓越的輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)還必須限制所需的外部電容以縮小電源設(shè)計(jì)的總體尺寸。

　　以服務(wù)器為例，在此類特殊的高功率系統(tǒng)中，足夠的散熱空間和冷卻是十分必要的。就任何POL轉(zhuǎn)換器而言，緊湊、高效并具有低靜態(tài)電流以滿足這些新綠色標(biāo)準(zhǔn)的要求極為重要。此外，很多微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器都需要內(nèi)核電源和輸入/輸出電源，它們?cè)趩?dòng)時(shí)必須進(jìn)行排序。設(shè)計(jì)工程師必須考慮在加電和斷電操作時(shí)對(duì)內(nèi)核和I/O電壓源的上電電壓進(jìn)行排序，以符合制造商的性能規(guī)格要求。如果沒(méi)有恰當(dāng)?shù)碾娫磁判?，就可能產(chǎn)生閉鎖或者過(guò)大的電流，導(dǎo)致微處理器I/O端口或者存儲(chǔ)器、FPGA、PLD或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等器件的I/O端口損壞。

　　讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師煩擾的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是應(yīng)采用單級(jí)轉(zhuǎn)換還是兩級(jí)或者更多級(jí)轉(zhuǎn)換，比方說(shuō)從48V到1.xV，是一次轉(zhuǎn)換，還是從48V到12V中間總線架構(gòu)，然后再利用負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器從12V轉(zhuǎn)換到1.xV。具體采用何種架構(gòu)取決于很多因素，包括根據(jù)系統(tǒng)類型、采用的設(shè)計(jì)方法以及其他因素來(lái)決定。然而不管采用哪種架構(gòu)，電壓不斷下降的同時(shí)對(duì)電流有更高需求的應(yīng)用，持續(xù)推動(dòng)著很多這類大功率系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并推動(dòng)著對(duì)于電源IC技術(shù)的不斷改進(jìn)?？傮w來(lái)說(shuō)，在對(duì)電源轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生最小影響的前提下允許采用更高的開(kāi)關(guān)頻率，還可以依靠降低開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗來(lái)提高電源效率性能。分立式電源設(shè)計(jì)是將傳統(tǒng)的電源模塊和分立元件一起放置在一塊印刷電路板上，由于外形尺寸的影響而導(dǎo)致電氣性能和熱性能均受到限制。因此，關(guān)鍵是提供一個(gè)完全集成并提高電氣和散熱性能的電源解決方案，同時(shí)又能給工程師提供一個(gè)易于使用和靈活編程的緊湊型方案。

　　Altera旗下Enpirion品牌的PowerSoC采用獨(dú)特的MEMS電感集成技術(shù)和EDMOS開(kāi)關(guān)管集成技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)高功率密度和更高效率性能的目標(biāo)上大大前進(jìn)了一步。其能夠滿足高性能、大功率空間受限電源設(shè)計(jì)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

　　其實(shí)，大功率POL穩(wěn)壓器是空間受限電源設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的例子。這種類型的電源在大型系統(tǒng)板上一般放在非常靠近微處理器、FPGA或者ASIC的地方，為這些器件提供全部所必需的功率。大型數(shù)字器件常常需要范圍為幾安培至100安培以上的電流。大型系統(tǒng)板常常需要幾個(gè)這樣的POL電源，因此為這些電源設(shè)計(jì)中的每一個(gè)分配空間帶來(lái)了挑戰(zhàn)。除此之外，系統(tǒng)板的背面常常是高度受限的，一般不適合電源設(shè)計(jì)。分立電源轉(zhuǎn)換器一般會(huì)利用系統(tǒng)板的兩面實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)，而傳統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)由于其高度太高，將僅限于系統(tǒng)板正面。Altera新推出的一系列電源集成方案都實(shí)現(xiàn)更低的方案尺寸和器件高度，非常適合空間受限的大型功率應(yīng)用，例如可提供連續(xù)輸出電流30A的數(shù)字電源方案EM1130。該產(chǎn)品集成電感、開(kāi)關(guān)MOSFET、控制器和補(bǔ)償回路，整體器件尺寸只有11mm×17mm，高度僅有5mm，整個(gè)方案整體的占位面積小于360mm2，并有進(jìn)一步縮小方案尺寸的潛能。

　　圖1 全集成的30A數(shù)字電源EM1130以及方案占位圖

　　另外一個(gè)引人注目的用于POL DC/DC轉(zhuǎn)換的IC是EC7401.該器件是一個(gè)4相同步降壓型開(kāi)關(guān)控制器，具有跟蹤功能，用于驅(qū)動(dòng)外部互補(bǔ)功率MOSFET。其具有MOSFET VDS檢測(cè)的恒定功率，電流模式架構(gòu)消除了對(duì)電流檢測(cè)電阻的需求，降低了成本并提高了工作效率。讓多個(gè)Powertrain ET4040以異相工作，最大限度地降低了由輸入電容器ESR引起的功率損耗和噪聲。EC7401+ET4040方案還極大地降低了輸入和輸出電源上的峰值輻射和傳導(dǎo)噪聲。這使符合國(guó)際EMI標(biāo)準(zhǔn)更加容易，100%占空比能力提供了低壓差工作性能。

　　由于在一個(gè)給定機(jī)箱內(nèi)的空間和冷卻受限，以及需要正確的電源跟蹤以改善系統(tǒng)可靠性等多種限制因素，用于大功率的POL DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)工程師面臨很多挑戰(zhàn)。盡管市場(chǎng)上產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期在日益縮短，因?yàn)锳ltera的PowerSoC系列產(chǎn)品易于使用，所以可以縮短產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)至上市的時(shí)間，并最大程度地降低了設(shè)計(jì)難度。

　　需要滿足更嚴(yán)苛的電氣性能

　　電氣系統(tǒng)節(jié)能在全球的勢(shì)頭正在增強(qiáng)，就產(chǎn)生和消耗而言，成本節(jié)省太具有吸引力了。迎接這一挑戰(zhàn)的是電源管理IC供應(yīng)商，他們正在采用新的設(shè)計(jì)方法，以在其產(chǎn)品中對(duì)數(shù)十安培負(fù)載電流實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換。同時(shí)，他們還在IC置于備用或者停機(jī)模式的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的靜態(tài)電流。

　　設(shè)計(jì)工程師需要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)是，滿足所有系統(tǒng)內(nèi)核中不斷增加的高性能DSP和ASIC電氣性能要求。主要性能問(wèn)題包括電壓穩(wěn)壓、電流瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲。

　　穩(wěn)壓和電流瞬態(tài)響應(yīng)密切相關(guān)。為了在解決方案尺寸越來(lái)越小且功耗越來(lái)越低的情況下獲得更高的性能，要使用所需電壓也不斷降低的更小晶體管工藝來(lái)制造數(shù)字半導(dǎo)體?，F(xiàn)在低于1V的內(nèi)核電壓要求將成為標(biāo)準(zhǔn)的電壓要求。除了低壓以外，對(duì)電壓容差的要求也越來(lái)越高。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)是：線路(輸入電壓變化)、負(fù)載(負(fù)載電流微小變化)、時(shí)間、溫度和電流瞬變等造成的總電壓容差不超過(guò)3%。這樣，電源設(shè)計(jì)人員就只有30mV的電壓空間來(lái)滿足所有的數(shù)字系統(tǒng)要求。線路、負(fù)載、時(shí)間和溫度等DC參數(shù)還要占用大約一半(15mV)的容差預(yù)算。剩余的15mV則用于處理計(jì)算或數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載帶來(lái)的突發(fā)電流變化(1個(gè)至3個(gè)時(shí)鐘周期)。

　　如果內(nèi)核電壓超過(guò)規(guī)定容差極限，那么數(shù)字IC可能會(huì)開(kāi)始復(fù)位，否則就會(huì)產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤。為了防止這一情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)人員需要特別注意所使用的POL模塊的瞬態(tài)性能。數(shù)字負(fù)載(例如最新的Altera Arria10)要求極為快速的瞬態(tài)響應(yīng)和極低的電壓偏離。為了達(dá)到這些目標(biāo)，許多附加的輸出電容器通常會(huì)被添加到DC/DC轉(zhuǎn)換器中，以提供直到其反饋環(huán)路能夠響應(yīng)的保持時(shí)間。從而構(gòu)成完整的電源解決方案。

　　多年來(lái)，電容技術(shù)不斷發(fā)展，容積效率不斷提高，即便使用更高的容積效率，整個(gè)電源解決方案也會(huì)超過(guò)單個(gè)電源模塊體積的兩倍。這就要求占用PCB較大的空間。然而，在今天更為小型化的系統(tǒng)中通常不能提供這樣大的空間。另外，在計(jì)入電容器成本的情況下，電源材料的整體成本也會(huì)超出電源模塊成本許多。

　　隨著DC/DC電源模塊技術(shù)的不斷創(chuàng)新，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以在使用更少輸出電容的同時(shí)，獲得更快的瞬態(tài)響應(yīng)、更小的電壓偏離。Altera推出的更新版本Cyclone V SoC的電源參考設(shè)計(jì)，便是一個(gè)典型的例子。這些高度集成的電源解決方案可以使得輸出電容的數(shù)量減少一半(10個(gè)減為5個(gè))，極大程度地幫助用戶簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)難度和成本。影響POL轉(zhuǎn)換器性能的另一個(gè)決定性因素是噪聲。開(kāi)關(guān)式POL運(yùn)行在不同頻率上并共享一個(gè)共有輸入總線時(shí)，由此產(chǎn)生的不同頻率及其差異會(huì)造成拍頻問(wèn)題，對(duì)EMI濾波造成困難。Enpirion的EM1130模塊具有Sync同步特性，該特性使得設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒍鄠€(gè)EM1130模塊的開(kāi)關(guān)頻率與特定頻率同步，從而消除拍頻，并使得EMI濾波更加輕松，而同時(shí)又不會(huì)增加任何的系統(tǒng)額外成本。

　　圖2 降低輸出電容的數(shù)量簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)尺寸和成本

　　數(shù)字電源的發(fā)展趨勢(shì)

　　10多年前，當(dāng)數(shù)字電源產(chǎn)品第一次出現(xiàn)時(shí)，大多數(shù)的電源設(shè)計(jì)工程師都對(duì)利用DSP的數(shù)字電源控制器代替模擬的PWM控制器的概念持懷疑態(tài)度，因?yàn)槿藗內(nèi)菀讓?shù)字電源和軟件故障或者是因?yàn)橄到y(tǒng)死機(jī)引起的電源爆炸事故聯(lián)系在一起。在包含了數(shù)字通信和控制復(fù)雜的功率系統(tǒng)所必需的全部功能性產(chǎn)品面世之前，這些基本概念是通過(guò)高成本的DSP或者性能有限的FPGA得到驗(yàn)證的。雖然數(shù)字電源技術(shù)已被證實(shí)具有提高功率系統(tǒng)性能的能力，但業(yè)界還不能接受利用數(shù)字技術(shù)處理原來(lái)一直通過(guò)模擬方式完成的工作。在過(guò)去的幾年間，數(shù)字電源技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，市場(chǎng)分析人士以及投資者對(duì)其未來(lái)增長(zhǎng)潛力非常樂(lè)觀。

首先，我們要了解一下當(dāng)前數(shù)字電源市場(chǎng)有哪些不同的解決方案，先了解清楚數(shù)字電源究竟意味著什么是很重要的。功率系統(tǒng)監(jiān)視、監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)和數(shù)據(jù)記錄是“數(shù)字電源管理”的一個(gè)重要方面，其可以通過(guò)價(jià)廉的微控制器、FPGA或者PLD實(shí)現(xiàn)，而時(shí)基要求比較低。不過(guò)，數(shù)字電源更具有挑戰(zhàn)性的例子是“數(shù)字控制電源”