數(shù)字/模擬電源難選擇？看看大佬都怎么說

模擬電源與數(shù)字電源的關(guān)系，一直是業(yè)界討論的熱點話題。兩種技術(shù)哪個更有前景?未來會不會呈現(xiàn)“一邊倒”的趨勢?正巧兩位業(yè)界大佬先后蒞臨北京，且聽聽他們是怎么說的。

處理負(fù)載與效率時，還得看數(shù)字電源

Microchip公司16位單片機部門產(chǎn)品營銷經(jīng)理Tom Spohrer

Microchip公司16位單片機部門產(chǎn)品營銷經(jīng)理Tom Spohrer表示，在應(yīng)對負(fù)載與效率的關(guān)系時，數(shù)字電源技術(shù)更勝一籌。如圖1 CSCI效率要求圖所示，要想達(dá)到最高等級的鈦金標(biāo)準(zhǔn)，器件就必須要在負(fù)載水平50%的時候?qū)崿F(xiàn)96%的效率。而更為困難的，則是在負(fù)載水平10%的時候，效率達(dá)到90%。此時，傳統(tǒng)模擬電源技術(shù)就非常難以實現(xiàn)，很多用戶轉(zhuǎn)而投向數(shù)字電源。

他列舉了當(dāng)前客戶使用的一些提高效率的做法，例如自適應(yīng)算法，包括切向、死區(qū)調(diào)節(jié)、可變開關(guān)頻率、可變高電壓等。但他認(rèn)為這樣做實際上對計算資源的要求會更高。當(dāng)處理瞬態(tài)響應(yīng)時，模擬電源更快，但有時效率不夠高，而數(shù)字電源的優(yōu)勢在于當(dāng)負(fù)載發(fā)生巨大變化，沒有達(dá)到預(yù)計輸出功率時，可以進(jìn)行實時系數(shù)調(diào)整，以適應(yīng)全新的負(fù)載的情況。此外，如果使用預(yù)測算法的話，數(shù)字電源無需采用控制環(huán)阻尼控制來進(jìn)行脈寬調(diào)制，可以在最大值和最小值之間找到一個合理值，從而使得功率輸出達(dá)到一定的目標(biāo)。

工業(yè)開關(guān)電源的集成趨勢

Intersil公司工業(yè)電源市場與應(yīng)用總監(jiān)Lokesh Duraiappah認(rèn)為，數(shù)字控制器最重要的是PMBus遙測功能，通過該功能可監(jiān)測每一個負(fù)載的溫度、過電、過壓功能，因此主要應(yīng)用于對功率順序和電壓余量有較高要求的場合。例如，現(xiàn)在計算、通信、服務(wù)器等應(yīng)用都在使用FPGA，它有多個電壓軌，功率順序非常重要，這時數(shù)字控制器的靈活性要優(yōu)于模擬控制器。但對工業(yè)應(yīng)用而言，它們往往不需特別高的功率，電路也不是特別復(fù)雜，對于PMBus遙測功能沒有非常嚴(yán)格的要求，反而是對占板空間、效率、解決負(fù)載點問題的需求很強烈，因此模擬控制器更為適合。

但他也同時指出，現(xiàn)在市場上對于消除中間級總線，直接把高壓(比如40V、36V、42V)轉(zhuǎn)化為低壓(包括3.3V、5V或者1V)的呼聲越來越高。此外，隨著FPGA、MCU、ASIC復(fù)雜性的日益上升，電壓軌數(shù)目增多，以及備用電池的使用增多等，也都正在成為工業(yè)通用型電源發(fā)展的新趨勢。

圖2展示了工業(yè)開關(guān)電源的集成趨勢：綠色區(qū)域代表現(xiàn)有完全集成式同步降壓穩(wěn)壓器的技術(shù)，即所有的調(diào)制器、驅(qū)動器、功率MOSFET都集成在一個IC中;藍(lán)色區(qū)域則代表功率MOSFET和調(diào)制器分立的產(chǎn)品方案。Lokesh Duraiappah說十年前，綠色區(qū)域面積要比藍(lán)色區(qū)域小得多，但隨著LDMOS技術(shù)的發(fā)展，越來越多集成的解決方案被開發(fā)出來。不過，追求高輸入電壓和低電流的情況例外，只能選擇控制器+外部功率MOSFET的解決方案來實現(xiàn)。

數(shù)字電源，沒有最好，只有更好

Microchip公司日前宣布推出含有14款新器件的dsPIC33EP“GS”系列數(shù)字信號控制器(DSC)，可在開關(guān)頻率更高的情況下實施更為復(fù)雜的非線性預(yù)測及自適應(yīng)控制算法，從而令電源設(shè)計實現(xiàn)更佳的能效和電源規(guī)格。此外，更高的開關(guān)頻率使得設(shè)計人員能夠以更低的成本開發(fā)出密度更高、體積更小的電源產(chǎn)品。相比上一代DSC產(chǎn)品，新型dsPIC33EP“GS”器件在應(yīng)用于三極點三零點補償器時其延遲可縮短一半時間，而且在任何應(yīng)用中均可節(jié)省多達(dá)80%的能耗。

其實這款新產(chǎn)品的性能之所以能夠得到提升，有3個最為重要的原因：第一、采用主頻70MIPS的新內(nèi)核以取代此前50MIPS內(nèi)核;第二、在新內(nèi)核中整合全新寄存器功能;第三、將ADC速度提升一倍。

“這個現(xiàn)場選擇的寄存器集幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時的現(xiàn)場切換。”Tom Spohrer說，新系列中集成了3個工作寄存器，一個正常工作，另外兩個作為備用。每個寄存器集分配特定的中斷優(yōu)先級，從一個中斷服務(wù)程序(ISR)調(diào)用另一個中斷服務(wù)程序時數(shù)據(jù)得以保存，減少了寄存器內(nèi)容的保存和恢復(fù)，使得補償器速度提高約50%，也顯著縮短了控制環(huán)的延遲。

5個12位ADC可提供16Msps的總吞吐量和300納秒的ADC延遲, 提前中斷最大程度減少了ISR開銷。最多22個模擬ADC輸入中，每個模擬輸入都有專用結(jié)果寄存器并支持差分輸入;自主數(shù)字比較器將結(jié)果與閾值電壓比較，并在發(fā)生過壓、欠壓和超出范圍等情況時產(chǎn)生中斷，不占用CPU資源，性能更高。在從ADC出發(fā)到PWM更新這一過程中，新器件將延遲時間減少了約2倍。

GS系列器件還集成多種其它高級特性，比如對于高可用性或“永遠(yuǎn)在工作”系統(tǒng)特別有用的即時更新閃存功能;四個模擬比較器均配有12位DAC，用于精度要求更高的設(shè)計;兩個片上可編程增益放大器可用于電流檢測以及其他精密測量等。Tom Spohrer特別提到了可用于更改工作電源固件(如主動補償計算代碼等)，并同時保持連續(xù)的調(diào)節(jié)的即時更新功能。該功能通過雙閃存分區(qū)方式實現(xiàn)，現(xiàn)有代碼在第一個閃存分區(qū)運行，更新部分代碼在第二閃存分區(qū)運行，兩者之間可在300納秒之內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，使得整個電力供應(yīng)過程在不受任何影響的前提下實現(xiàn)代碼更迭。

工業(yè)電源那么多參數(shù)，我該怎么選?

在需要較低輸出電壓的高輸入電壓應(yīng)用中，工程師通常依賴于會增加系統(tǒng)成本的模塊，或者是會增加解決方案尺寸和復(fù)雜性的二級DC/DC解決方案。但I(xiàn)ntersil日前推出的首款免中間步降轉(zhuǎn)換級的60V同步降壓控制器ISL8117解決了這一困擾，為低輸出電壓/輸入電壓比(Vout/Vin)的應(yīng)用提供了經(jīng)濟而可靠的替代方案。

ISL8117的低占空比(導(dǎo)通時間最小40納秒)特性可支持從48V到1V負(fù)載點的直接步降轉(zhuǎn)換。通過使用帶有自適應(yīng)斜坡補償?shù)墓戎惦娏髂Ｊ秸{(diào)制，ISL8117能夠支持寬范圍輸入電壓和輸出電壓組合的穩(wěn)定工作，且無需外部補償。系統(tǒng)工程師還能使用ISL8117最高2MHz的可調(diào)頻率來優(yōu)化電源成本、尺寸和效率。

Intersil方面稱，使用ISL8117，工程師能夠設(shè)計只需10個元件(包括MOSFET和被動元件)的完整DC/DC降壓轉(zhuǎn)換解決方案，并實現(xiàn)最高98%的轉(zhuǎn)換效率和達(dá)到1.5%的輸出電壓精度。ISL8117的低引腳數(shù)量和易于布局的引腳結(jié)構(gòu)還最大限度減少了重疊跡線的數(shù)量，進(jìn)一步改善了電源性能。

工程師在進(jìn)行工業(yè)電源設(shè)計時，該如何選擇控制器?他該最先關(guān)注哪些功能或參數(shù)?Lokesh Duraiappah對此回應(yīng)稱，很多參數(shù)都是值得考慮的，比如輸入電壓范圍、輸出電壓范圍等。從控制器角度來講，一個重要的因素是可以支持的最小接通時間，因為只有在最小接通時間非常低的情況下，才有可能實現(xiàn)大幅度調(diào)整;其次可以關(guān)注柵極驅(qū)動，即它能驅(qū)動的功率MOSFET的最大是多少;第三則要看易用性，在默認(rèn)設(shè)置上看搜索頻率、軟啟動還有引腳數(shù)量是否滿意;第四大要素是開關(guān)頻率，在擁有很高的開關(guān)頻率的情況下，對電流波、效率、電感尺寸的選擇余地就非常大。當(dāng)然，參考設(shè)計的使用也非常關(guān)鍵，畢竟誰都不愿意從頭再去對一個芯片做研究和探索。

但不論技術(shù)如何改進(jìn)，對于電源產(chǎn)品來講，效率還是重中之重。Lokesh Duraiappah表示，通過改善產(chǎn)品架構(gòu)降低靜態(tài)電流將是未來的方向之一。針對FET技術(shù)和集成式控制器，會進(jìn)一步投資技術(shù)來降低RDS，并不斷提升控制器的制造工藝，從而達(dá)到降低占板空間、提升效率的目的。