数字电源带来的设计变革

只看该作者 · 2013-12-18 22:46

数字电源是当今的热门话题。采用数字技术的电源使功率转换和电源控制发生快速改变。即便数字电源炙手可热，工程师对数字电源的接受速度看起来还是很慢。摆在数字电源面前的两个最大障碍是可见成本和知识产权(专利侵权)。当然，成本对非常简单的电源设计的确是个问题。但在需要电源管理、故障管理、遥测的更复杂设计中，由于大多数产品的集成度都比较高，数字电源在成本上是有优势的。诸如Intersil Zilker Labs的ZL2008的新产品的上市，为解决知识产权难题提供了灵活的处理原则，知识产权、授权交易都已经得到解决。一旦排除这些障碍，数字电源将成为功率转换的发展方向。

本文将解答“为什么应该改用数字电源” 这个问题“。要回答这个问题，首先来看看两个相关的问题：为什么要全面改变?为什么要从模拟技术改用其他技术?

为什么要全面改变?

对这个问题的简短回答是，确实没有其他选择。技术在不断进步，因此功率转换的需求也在变化。伴随这些变化而来的是政府法规的变化及经济因素的变化。

从电源的角度看，负载正在发生变化。半导体技术演进的方向是工艺尺度越来越小，这推动着负载发生改变。以前的微处理器和ASIC需要几伏电压，现在则需要不到1伏电压。这意味着，电源的驱动阻抗必须比以前的电源低得多。新出现的应用产生了新的负载类型(如高亮度LED)。电路板变得更加拥挤，因此元器件的集成度也在提高。功率转换对电源提出的要求远不是满足静态要求那么简单。事实上，需求的变化正在加速。为满足技术变化的要求，电源工程师要跳出条条框框，寻找能够满足今天和未来设计挑战的解决方案。

政府的法规也不是一成不变的。从限制使用有害物质，到对电源质量的要求，再到对效率的要求，法规因素使我们的设计超出了简单的功率转换的范畴，而是必须进行更全面的考虑。设计的变化必须跟上法规的需求变化。此外，在经济全球化的时代，不但是当地法规，客户所在的国家也会制定电源方面的相关法规。

最后，经济因素导致的压力页越来越大，这要求工程师设计出创新的产品，为客户提供更多价值。这不仅要求产品的价格便宜，而且还关心为实现一定性能所付出的成本。一辆自行车可能比一辆汽车便宜得，但如果你需要在两个小时内从北京赶到天津，无论自行车多么便宜，自行车都不可能满足这个要求。你需要更多先进的技术。定价竞争的压力、燃料成本、人工成本和质保成本只是推动电源设计发生变化的经济因素当中的几个。

经济因素迫使企业雇佣更少的电源工程师。因此，以前需要好几个工程师和近一年时间完成的设计，现在必须用一个兼职工程师在几个月内完成。

为什么要从模拟转向其他技术?

只看该作者 · 2013-12-18 22:47

如果模拟功率转换是完美无缺的，显然就没有必要从模拟控制转向数字控制。模拟电源控制有其局限性，其中一个关键的局限性是模拟控制器缺乏灵活性，影响到了随环境而变的能力。特别是，模拟控制器的功能是固定的，控制器所使用的模拟元器件受限，数值也是固定的。

模拟控制器的特性是由硅芯片和外部元器件的参数控制器来设定的。如果需要改变内部的特性，有两个选择：要不改变硅芯片，要不增加外部的有源器件来废止、改进、模仿或替代控制器。改变硅芯片的时间从3个月到超过1年不等，而且硅芯片的设计变化常常赶不上市场的变化。增加外部有源器件会增加成本，使进度延后，降低功率密度，而且通常会对可靠性造成负面影响。

用于设定控制器可变工作参数的外部元件的数值是固定的，可用的数值也是受限的。例如，如果选定了一个电阻并把电阻焊到电路板上，只有把电阻取下来并用其他电阻替换，才能改变电阻值。而且，外部元件的数值只有一个，无法适应变化的环境。当然，非线性电容器、电阻和电感器偶而也会用在电源设计当中，但这些元件的变化范围仍然是固定的。如果你使用一个正温度系数(PTC)电阻，这个电阻不可能表现出负温度系数电阻的特性。因此，模拟电源控制设计仍然受限于其进行优化、或适应变化的负载或环境状况的能力。

除此之外，我们只能采用供应商产品目录里面的阻值、容值和感值，而且元件的数值还受到物理特性的制约。电阻、电容器和电感器只有正的数值。这种数值上的限定会制约模拟解决方案的参数空间。虽然大多数模拟电源设计者都明白只能用正值的元件，但他们对电路工作状态的限定却不甚了了。在做设计变更时，假使你所用的模拟元件没有限定，你在方案选择上所受到的限制要少得多。

一个相关的例子出现在电压模式控制的补偿当中。在电压模式控制中，输出滤波电感器和电容器形成了闭环传递函数中的双极点。在高效电路里，这个双极点可能会变成一个复数共轭成对极点。一个Type III模拟补偿网络(图)通常用来对电压模式控制器进行补偿。糟糕的是，采用电阻和电容器实现的典型Type III补偿网络，只有一个实零点可以补偿受控器件的极点。如果没有出现对复数极点补偿不足的情况，实零点勉强能做些补偿。在Type III补偿网络中，用正值的电阻和电容器不可能实现复数共轭零点。工程师设法用有限的模拟补偿网络对电压模式控制器进行补偿，但在上面提到的情况下，是无法实现足够的补偿，从而会在这方面浪费大量的时间。

为什么改用数字电源?

假设我们必须从模拟控制转向其他技术，为什么数字控制是解决问题的办法呢?数字控制能解决问题，是因为它具有比模拟控制更好的性能、更灵活且在复杂的设计中更易用。数字控制发挥了模拟控制的优点，并超越模拟控制。

只看该作者 · 2013-12-18 22:47

想象一下使用同样的电源元器件，包括相同的FET、电感器、电容器，把使用模拟控制器和数字控制的系统性能做个比较。起初，你自然会想到，既然性能是由元器件决定的，很难说性能会有什么差别。但接着你会意识到，控制器会影响到性能的很多方面。下面是一些例子。

1.瞬态响应：控制机制极大影响了系统的瞬态响应。例如，与电流模式相比，磁滞控制器的瞬态响应会有很大不同。每种控制模式都既有优点，也有缺点。数字解决方案让你能无缝地从一种模式转换到另一种模式，以提供最优的瞬态响应。虽然模拟解决方案可以提供很好的点方案，但极少出现足够静态的工作状况，让你能实现所设想的点方案。

2.调节精度：一般来说，调节精度是根据线电压、负载和温度来定义的，因为这些条件中的每一个都会影响调节精度。数字控制器可以监视这些条件，并采取控制措施，在整个工作条件范围内进行优化。

3.稳定性：数字控制能够提供比模拟方案更好的补偿(更好地调用极点和零点)，因此在稳定性上的控制要好很多。另外，补偿能够随着条件的变化而变化，使系统能在很宽范围的条件下实现最佳的稳定性。模拟控制器的补偿是固定的，而数字控制可提供可调的甚至是自适应的补偿。

4.故障响应：数字电源控制器提供了大量故障响应的选项。每种故障都有唯一的响应特性，可根据用户的需求进行调整。模拟控制器一般只有一个固定的故障响应(如断电/断续/过载)，用户也只能选择用或者不用。数字控制还能提供滤波器功能，降低虚假故障的可能。

5.效率：许多控制结果都会影响到效率，包括死区时间、开关频率、栅极驱动等级、二极管仿真、加相和缺相等。针对这些因素，当前数字控制所提供的数字控制算法在整个工作条件范围内进行了优化。因此，在某个工作点下，你也许能将模拟控制器调整到很高的效率，但数字控制器却可对所有的工作点进行优化。

6.可靠性：减少元件数量、降低工作温度(通过效率优化)是数字电源提高系统可靠性的两个途径。此外，灵活的故障响应和探测元器件参数微小变化的能力，可以大幅减少停机时间。

实际情况是，对大多数简单的设计和基本要求来说，数字控制可能有点大材小用。当然，数字电源控制的灵活程度足以应付这些简单的应用，其功能可能超出实际所需。另一方面，最复杂的设计需要完整的特性集，很难找到不增加很多电路就能胜任此项任务的模拟控制器。此时，数字控制器显然是备受欢迎的解决办法。

数字电源控制器适用于各种各样的应用，无需借助附加电路。从这个意义上说，这项技术的灵活性要远优于传统的模拟技术。

只看该作者 · 2013-12-18 22:48

数字电源控制一般比模拟控制器具有更高的集成度。但是，集成度还不足以满足设计重用和灵活性的要求。元件数值也需要灵活可变。设想一下，一个典型模拟补偿器的补偿元件(电阻和电容器)被集成到控制器中，电阻和电容器的值是固定的。把这些元件集成进来，实际上降低了控制器的灵活性，除非采取某种办法，能够调节元件的数值，适应应用的要求。例如在数字控制器里，补偿器被集成到控制器中，补偿参数存放在控制器存储器中的数字寄存器当中。若要改变补偿参数，只需简单地改变寄存器里的数值。

数字电源控制器在易用性方面比模拟控制器更有优势。首先，由于数字电源控制的高集成度，需要确定、采购、跟踪的元器件数量要少很多，这使得数字电源控制器非常容易使用。其次，集成元件的数值由数字寄存器定义，寄存器里的数值可以很容易地通过器件的引脚或数字通信接口和图形用户界面进行修改。在后面的例子还将说明，对设计进行配置只是点击鼠标这样简单的事情。这要比模拟方案要容易得多，因为模拟方案还需要用电烙铁和成箱的元器件。当你重新设计和优化的时候，每改变一次元器件的数值，都会增加设计风险。

最后，数字控制器更容易使用，因为你可以用几个数字就把设计搞定，而且用数字方式进行设计也更容易。下面的几个例子可用来说明这一点。

模拟电阻和电容器只有正的数值。把这些功能/数值用数字方式集成进来，就消除了这个限制，这样就更容易采用原先在模拟域很难采用的方案。

补偿是一个非常好的例子。数字补偿的功能要远远多于模拟补偿，例如高Q值电路的电压模式控制很容易用数字控制器实现，但几乎不可能用模拟控制器来实现。

优化算法以提高性能。模拟设计倾向于点方案，但负载、电压源、环境条件很少是固定的。因此，可以采用优化算法，对在这些变化条件下的性能进行优化。这些算法很容易在数字控制里，用嵌入式微控制器和非挥发性存储器来实施。

数字控制器中的自发现算法把设计者从费时的系统标识中解放出来。比如，自动补偿是今年发布的很多数字控制器上的新功能之一。控制器会确定受控装置的特性，并采用适合那个特定装置的的配置。

由于元器件的数值、运行状态、环境条件被存储在数字寄存器里，因此可进行遥测，并且也容易使用该功能。系统能够很快诊断出故障，用很短的指令改变运行参数，使系统启动并运行。

借用一句中国的谚语：“不改弦更张，便会重蹈覆辙”。如果我们找不出应对功率转换挑战的办法，前景恐怕不妙。数字电源的出现恰逢其时，为我们提供了急需的金刚钻。现在，让我们改变吧!