數(shù)字電源設(shè)計(jì)方式的發(fā)展方向

前言：早在十幾年前，諸如德州儀器、Microchip等公司就已經(jīng)在傳統(tǒng)的模擬電源設(shè)計(jì)中，混入了數(shù)字化的零件，現(xiàn)今信息產(chǎn)品在要求上要有更小的體積、更低的成本以及更高的可靠性即可控制能力，傳統(tǒng)的模擬供電架構(gòu)已經(jīng)明顯不敷這方面的應(yīng)用。

電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

圖說：交換式電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。（資料來源：交通大學(xué)）

信息產(chǎn)業(yè)往更小的制程發(fā)展，期望能為功耗問題帶來正面的解決方式，然而芯片整合的功能越來越多，速度越來越快，新制程所帶來的往往是更高的耗電與發(fā)熱。然而新一代的信息產(chǎn)品不是在外型上，便是在體積上大做文章，信息產(chǎn)品體積縮小有幾個(gè)好處，首先便是在大范圍應(yīng)用方面，比如說企業(yè)機(jī)房?jī)?nèi)部，當(dāng)服務(wù)器的體積能夠有效縮小，便能夠在同樣的單位面積之內(nèi)，安裝更多的設(shè)備，并且提供更多的服務(wù)，換句話說，設(shè)備體積越小，企業(yè)便可以用更小的機(jī)房面積來取得同等的菜單現(xiàn)。只是設(shè)備體積的微縮，相對(duì)而言，電源供應(yīng)系統(tǒng)也必須配合微縮，而且所能供給的電力負(fù)載還必須能維持甚至超越過去的水平，這對(duì)電源設(shè)計(jì)廠商來說是相當(dāng)嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

■數(shù)字電源設(shè)計(jì)有助縮小設(shè)備體積與增強(qiáng)管理能力

圖說：數(shù)字與模擬回路比較。（資料來源：交通大學(xué)）

雖然機(jī)器的體積縮小了，但是隨著效能與功能的增加，這些相對(duì)小的設(shè)備在功耗方面卻不會(huì)有絲毫的減少，為了滿足這些設(shè)備的供電需求，而又要能將電源供應(yīng)模塊塞進(jìn)這些輕薄的機(jī)殼內(nèi)，除了藉助絕緣柵雙極型

數(shù)字電源就是采用數(shù)字接口具有可程序化（programmable）的電源轉(zhuǎn)換器，數(shù)字接口（digital interface）與可程序化是數(shù)字電源的重要特征，也是其簡(jiǎn)化產(chǎn)品應(yīng)用的重要利基?？刂破鞯膶?shí)現(xiàn)可以模擬電路方式或數(shù)字電路方式，數(shù)字電源系指采用數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)交換式電源供應(yīng)器的控制回路與接口。與此相較，傳統(tǒng)的交換式電源供應(yīng)器主要采用模擬控制方式實(shí)現(xiàn)其控制回路與接口。

一般而言，采用全數(shù)字化控制技術(shù)，可以有效縮小電源體積，降低成本，并且提升設(shè)備的可靠性和對(duì)使用者的適應(yīng)性。整個(gè)電源的訊號(hào)取樣、處理、控制（包括電壓電流等環(huán)節(jié)）、通訊等均采用DSP技術(shù)，可以獲得一致的穩(wěn)定的控制參數(shù)。

數(shù)字化電源控制可以采用更加靈活的方式，比如說電源供應(yīng)器可以在各種電壓、溫度下動(dòng)態(tài)調(diào)整并最佳

DSP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單穩(wěn)定的通訊和均流，并且獲得良好的EMC控制。數(shù)字組件可提供的智能化程度更高，因此諸如靈活的LED警示組合，自我監(jiān)控能力以及遠(yuǎn)程通訊機(jī)制都可以輕易達(dá)成。數(shù)字化設(shè)計(jì)也可以有效減少組件使用數(shù)量并提高模塊化的程度、以及提高功率密度。消除模擬控制技術(shù)的組件離散性和溫度飄移，保證每個(gè)模塊均達(dá)到最優(yōu)指針，提高電源可靠性。模塊智能化程度更高，易于使用維護(hù)。

■手持式裝置電源管理趨向高度整合與數(shù)字化設(shè)計(jì)

而在手持式裝置上，對(duì)于電源管理的機(jī)制更是不斷的進(jìn)步。原本手持式裝置所主打的行動(dòng)便利性，卻逐漸被多功能、高效能導(dǎo)向口號(hào)所取代，在電池技術(shù)未得到突破性的發(fā)展之前，只能訴求更有效率的電源管理方式。

圖說：2G與3G手機(jī)的功耗分布比較。（資料來源：Planet Analog）

目前主流的行動(dòng)裝置通常都會(huì)整合視訊、音效、照相／錄像、檔案儲(chǔ)存／編輯等多種功能，比如PMP，能夠完成音效與視訊播放、錄像和檔案儲(chǔ)存等工作，手機(jī)能夠拍照、聽音樂甚至利用無線模塊進(jìn)行上網(wǎng)動(dòng)作。這些不同的功能通常都是透過相對(duì)應(yīng)的組件來達(dá)成，然而這些組件需要不同的電壓供應(yīng)才能正常動(dòng)作，而且要求電壓質(zhì)量穩(wěn)定可靠、干凈、高效能，這也是設(shè)計(jì)電源管理所面臨的挑戰(zhàn)。在這些日趨復(fù)雜化電源管理系統(tǒng)中，1款產(chǎn)品可能會(huì)同時(shí)需要5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、0.9V和0.7V等多種電壓供給，如何有效地管理多種電壓，并且使之互不干擾，是電源設(shè)計(jì)中正面臨的一個(gè)難題。

以目前的發(fā)展而言，電源系統(tǒng)單芯片（power-system-on-a-chip）的整合是整個(gè)行動(dòng)應(yīng)用，甚至是產(chǎn)業(yè)界的長(zhǎng)期趨勢(shì)，理所當(dāng)然，手持式行動(dòng)裝置的的電源供應(yīng)設(shè)計(jì)也是遵循這個(gè)趨勢(shì)，并且朝向更高階的芯片整合度發(fā)展。

過去行動(dòng)裝置的電源系統(tǒng)是由許多零散的模擬零件所組成，但是在新近的產(chǎn)品已經(jīng)看不到這樣的過時(shí)設(shè)計(jì)。原先行動(dòng)裝置電源供應(yīng)模塊在功能方面的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，主要是整合并盡量縮小這些離散模擬電源零件的體積，之后則是把這些零件整合至1顆或少數(shù)幾顆電源管理組件中。而這些電源零件開始加入越來越多的功能和智能管理能力，在應(yīng)用范圍方面也逐漸普及到其它領(lǐng)域，并且進(jìn)入各種不同類型的行動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)之中（比如說GPS、掌上型游樂器、PMP、行動(dòng)電視等產(chǎn)品）。

芯片整合的理由對(duì)于整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)都相同：把更多功能整合至更少零件后，產(chǎn)品成本即可大幅下降，因?yàn)橹圃爝@些產(chǎn)品所需的組件數(shù)目和電路板面積都會(huì)減少、產(chǎn)品的組裝和制造程序會(huì)更簡(jiǎn)單，藉此可達(dá)到更高的系統(tǒng)可靠性并能大幅縮短測(cè)試時(shí)間。此外，更高的芯片整合度也能提高研發(fā)流程的效率，從而縮短制造商的新產(chǎn)品上市時(shí)間，對(duì)于提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力而言有著莫大的幫助。

數(shù)字交換式電源的設(shè)計(jì)方式

一般實(shí)現(xiàn)交換式電源的數(shù)字控制主要有以下兩種方法：

第一種：?jiǎn)涡酒刂破魍ㄟ^外接A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行取樣，取樣后對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)節(jié)，再把結(jié)果通過數(shù)字／模擬（D/A） 轉(zhuǎn)換后傳送到PWM芯片中，從而達(dá)到單芯片控制器對(duì)交換式電源的電源間接控制。這種方法的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，設(shè)計(jì)方法容易掌握，而且對(duì)單芯片控制器的要求不高，成本比較低。但是控制電路由于要用多個(gè)芯片，電路比較復(fù)雜；而經(jīng)過A/D和D/A轉(zhuǎn)換等步驟，會(huì)造成比較大的訊號(hào)延遲，這些延遲勢(shì)必影響電源的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精準(zhǔn)度。有些單芯片控制器整合了 PWM輸出，但交換式電源往高頻化發(fā)展，一般單芯片控制器的頻率頻率有限，產(chǎn)生的PWM輸出頻率與精確度成反比，因此無法產(chǎn)生足夠頻率和精準(zhǔn)度的PWM輸出訊號(hào)。

圖說：PWM的結(jié)構(gòu)區(qū)塊圖。

第二種：透過高性能數(shù)字芯片如DSP對(duì)電源實(shí)現(xiàn)直接控制，數(shù)字芯片完成訊號(hào)取樣AD轉(zhuǎn)換和PWM輸出等工作，由于輸出的數(shù)字PWM訊號(hào)功率不足以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，需通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)。這樣就可以簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)，由于而這些芯片有比較高的取樣速度（TMS320LF2407內(nèi)部的10位AD轉(zhuǎn)換器完成 一次AD轉(zhuǎn)換只需500ns的轉(zhuǎn)換時(shí)間，相較之下，最快的8位單芯片控制器也要數(shù)微秒之久）和運(yùn)算速度，可以快速有效的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)的有效控制，這樣的設(shè)計(jì)具備較高的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。不過DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比較高；而且DSP控制技術(shù)比較難以掌握，對(duì)設(shè)計(jì)者要求比較高，在主流交換式電源領(lǐng)域中難以廣泛應(yīng)用。雖然 DSP技術(shù)已經(jīng)在交換式電源中開始應(yīng)用，但目前主要仍局限在對(duì)電源性能要求較高的而且價(jià)格比較昂貴的應(yīng)用領(lǐng)域上。

電源控制數(shù)字化之后所需面對(duì)的問題

數(shù)字控制的交換式電源不可避免地存在以下問題：A/D（模擬／數(shù)字）轉(zhuǎn)換器的速度和精度成反比。為了保證交換式電源有較高的穩(wěn)壓精度，A/D轉(zhuǎn)換器必需要有比較高精度的取樣，但高精度的取樣頻率需要的更長(zhǎng)的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。作為反饋回路的一部分，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間過長(zhǎng)必然造成額外的相位延遲時(shí)間。除了和模擬控制存在的相位延遲，轉(zhuǎn)換過程的延遲時(shí)間必然也會(huì)造成額外的等待循環(huán)，造成回路的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力變差。

和模擬芯片用RC（電阻電容）補(bǔ)償進(jìn)行PI調(diào)節(jié)（PI regulator）的方法一樣，在控制回路中用引入PI調(diào)節(jié)的方法以提高控制回路的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力，這種做法需要占用數(shù)字芯片較大的系統(tǒng)資源，因?yàn)閿?shù)字控制和模擬控制不同，訊號(hào)取樣不是連續(xù)不斷的，而是規(guī)則離散的，兩次取樣之間會(huì)有一段間隔時(shí)間，這段時(shí)間的值是無法取得的。為了要達(dá)到精確的控制，每次取樣之間的時(shí)間間隔不能太長(zhǎng)，即取樣頻率不能太低。作為數(shù)字芯片，每次AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，得到的結(jié)果都會(huì)被送到系統(tǒng)的中央處理器，然后由處理器對(duì)取樣的值進(jìn)行運(yùn)算和PI調(diào)節(jié)。

在取樣頻率比較高的時(shí)候，這種做法相當(dāng)耗費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)算資源，因此對(duì)數(shù)字芯片的效能要求也比較高。專門用于電源控制的數(shù)字芯片并不算多，雖然在要求比較高的場(chǎng)合一般都會(huì)用DSP芯片，其運(yùn)算和取樣速度快，功能強(qiáng)大，但價(jià)格比較昂貴。而且通用DSP芯片不是專門的做為電源控制芯片使用，一般的電源應(yīng)用對(duì)其芯片資源的利用率不高，在某些狀況之下，采用DSP芯片做為電源數(shù)字控制的核心是一種浪費(fèi)。

應(yīng)用在電源設(shè)計(jì)的DSP與MCU架構(gòu)之爭(zhēng)

目前在數(shù)字電源領(lǐng)域占有龍頭地位的非屬德州儀器以及Microchip這兩家半導(dǎo)體公司，然而單純MCU或者是單純的DSP架構(gòu)，在應(yīng)用上都有其缺憾之處，因此兩家半導(dǎo)體業(yè)者都不約而同的朝向結(jié)合MCU與DSP的架構(gòu)來進(jìn)行數(shù)字電源設(shè)計(jì)，DSP擁有強(qiáng)大的數(shù)字計(jì)算處理能力，MCU則是對(duì)周邊擁有強(qiáng)大的控制能力，對(duì)于設(shè)計(jì)可以面面俱到的數(shù)字控制電源而言，兩者不可偏廢。

圖說：Microchip公司的DSC產(chǎn)品。

雖然如此，兩家業(yè)者還是認(rèn)為各自專長(zhǎng)領(lǐng)域中可占有較佳的優(yōu)勢(shì)，德州儀器自然是以DSP做為主角，極力強(qiáng)調(diào)強(qiáng)大計(jì)算能力所能帶來的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力與控制精確度，而DSP的可程序化能力對(duì)系統(tǒng)的架構(gòu)、可移植性以及可維護(hù)能力有著絕佳的表現(xiàn)；Microchip公司則是強(qiáng)調(diào)一般客戶并不需要太過強(qiáng)大的DSP計(jì)算能力，復(fù)雜的可程序化設(shè)計(jì)只會(huì)拉長(zhǎng)產(chǎn)品開發(fā)時(shí)程，該公司所提供的DSC（Digital Signal Controller）架構(gòu)，將MCU與DSP成功整合，不僅在指令流成功單純化，透過標(biāo)準(zhǔn)的C語言編譯器，更能夠有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)程。

電源供應(yīng)器的模擬組件可以完全被取代？　倒也未必！

許多激進(jìn)的廠商宣稱，利用數(shù)字組件與電路，可以完全取代掉交換式穩(wěn)壓器中的模擬組件，藉此可以大幅簡(jiǎn)化交換式穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)，并且有助于整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，但是電源本身就物理定律而言，是屬于模擬的范疇，就算是利用ADC（模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器）或DSP來取代誤差放大器與脈沖寬度調(diào)變的數(shù)字交換式穩(wěn)壓器，也依舊需要電壓基準(zhǔn)、電流檢測(cè)電路／開關(guān)以及FET驅(qū)動(dòng)器，這些組件只存在于模擬形式，而且被普遍應(yīng)用于各種類的交換式穩(wěn)壓器中，無法被取代。即使是ADC組件本身也是如此，ADC基本上要比較偏向于模擬多一點(diǎn)。

模擬設(shè)計(jì)向來被比做為藝術(shù)，很多時(shí)候，模擬組件的調(diào)整與整體架構(gòu)設(shè)計(jì)總要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)與手腕才能調(diào)配出完美的比例，就好比是一名廚師，在做菜時(shí)對(duì)火侯的掌控必須依靠長(zhǎng)久的經(jīng)驗(yàn)，才能烹調(diào)出一道色香味俱全的料理。雖然模擬電路架構(gòu)單純，但往往在布局上都是牽一發(fā)而動(dòng)全身，既然電源供應(yīng)器無法拋棄模擬組件的包袱，在模擬技術(shù)上就更需要進(jìn)一步的研究與發(fā)展，畢竟大多數(shù)的半導(dǎo)體公司都僅在數(shù)字領(lǐng)域稱霸，對(duì)于模擬架構(gòu)卻都往往流于一知半解。以臺(tái)灣為例，臺(tái)灣雖然是IC設(shè)計(jì)的大宗，但是對(duì)于模擬制程卻甚少有著墨，雖然市場(chǎng)上數(shù)字IC可以找到非常豐富的解決方案，但是在模擬方案上，卻只能向國外廠商尋求。

追求純數(shù)字電源目前仍遙不可及　數(shù)字與模擬合理的搭配設(shè)計(jì)才是正途

數(shù)字電源在近幾年來引起了相當(dāng)廣泛的討論，但是業(yè)界一般對(duì)于這個(gè)產(chǎn)業(yè)的看法并不一致。雖然行動(dòng)裝置對(duì)于電源管理所提出的嚴(yán)苛需求讓數(shù)字電源得以大展身手，但是傳統(tǒng)的模擬電源方案在經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在大多數(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域中依然獨(dú)占鰲頭，即便模擬方案在某些方面較為弱勢(shì)，比如控制回路組件數(shù)目、系統(tǒng)穩(wěn)定性、靈活的可配置能力以及通訊能力等等，但是電源廠商也逐漸朝向不同的設(shè)計(jì)思維，并且開始加入數(shù)字組件或設(shè)計(jì)方式，以期突破傳統(tǒng)的模擬電源設(shè)計(jì)藩籬。

傳統(tǒng)模擬電源簡(jiǎn)單易用，雖然可變更的參數(shù)不多，但是單純是其最大的優(yōu)點(diǎn)。而在較高階的應(yīng)用中，系統(tǒng)管理者可以需要額外的控制功能來監(jiān)控電源供應(yīng)器的狀態(tài)，這些狀態(tài)可能包含了溫度、輸出入電流、輸出入電壓等等，并且依據(jù)系統(tǒng)管理者的設(shè)定，定期向中央控制系統(tǒng)回報(bào)。除此之外，一些如ID標(biāo)記、故障狀態(tài)訊息、時(shí)間標(biāo)記等等都可以儲(chǔ)存在微控制器上的閃存或其它非易失性儲(chǔ)存架構(gòu)中，并且在指定的時(shí)間回報(bào)這些訊息。這些設(shè)計(jì)需要具備大量的整合數(shù)字電路，通常可能較常在高階服務(wù)器中見到這些數(shù)字電源供應(yīng)器，在一般平價(jià)消費(fèi)性產(chǎn)品中，就不需要用到這些額外的控制功能。