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DSP 數字化電源趨勢

文章出處:未知 作者:admin 人氣: 時間:2016-12-24 15:09 【
隨著半導體工藝技術的不斷升級,電路板上的元器件運行速度更快、體積更小,而且還要求更多、更低的供電電壓和更大的供電電流;最終系統的功能不斷增加,平均售價卻不斷下降.此外,用戶對電源的故障修復時間、電源運行狀態的感知與控制的要求越來越高,電源設計人員不再滿足于實時監控電流、電壓、溫度,還提出了診斷電源供應情況、靈活設定每個輸出電壓參數的要求.這些需求已是今日的模擬解決方案難以滿足的.因此,作為電源管理發展的新思路的數字電源應運而生,其目標就是將電源轉換與電源管理架構用數字方法集成到單芯片中,實現智能、高效的轉換與控制及通信. 

數字電源是采用數字方式實現電源的控制、保護回路與通信接口的新型電源技術.可編程、響應性和數字環路控制是表征數字電源的3個主要特征. 


隨著電源系統的性能和功率的不斷提高,實現電源性能指標所必需的元件數量和成本也隨之增加,越來越多的控制需要通過具有成本效益的數字電路實現.一般認為,在設計DC/DC變換器時,通常100W以上的系統中會應用數字控制技術;而在設計AC/DC變換器時,250W以上的系統會應用數字技術,這樣電源的經濟性會更高一些.因此,在未來的電源系統中,模擬與數字技術將共存相當一段時間.30年前,電源行業轉向開關電源是一個很大的變化,而電源數字化趨勢將會是一個更大的變化. 

模擬電源的優勢與不足 


目前,除了一些專門用于微處理器的轉換器之外,市場上大多數磚形轉換器、中間總線轉換器及負載點POL轉換器仍采用模擬控制.這是因為許多模擬電源系統經過了多年的檢驗,可靠性還是很高的. 


可盡管模擬電源解決方案的成本、性能(如負載變化時的電源響應時間)、占板面積等指標都優于當前的數字電源解決方案,但對開發人員來說,它完全是一種固定模式的黑盒應用,抑制了開發人員發揮創造力的激情.對電源進行同步跟蹤、電壓排序、故障診斷及適應環境變化的能力還是比較差的. 


目前,許多高性能的DC/DC轉換器仍通過簡單的無源器件產生的模擬信號進行設置和控制.即使是具有最先進拓撲結構的高性能轉換器,也還需要使用外部電阻、電容來確定諸如啟動時間、輸出點值及開關頻率等參數.這些電阻、電容的值都是設計調試時確定的,制造完成后不可輕易更改,因此自適應的電源管理方案也就不可能實現.而且,為實現更多功能,就要設計更多的直接反饋電路,所以模擬控制環路會變得非常復雜. 


傳統的模擬控制架構已經使用多年,但仍有不少缺陷.舉例來說,模擬控制電路因為使用許多元器件而需要很大空間,這些元器件本身的值還會隨使用時間、溫度和其他環境條件的變化而變動,從而對系統穩定性和響應能力造成負面影響.模擬控制的控制-響應特性是由分立元器件的值決定的,它總是面向一個范圍狹窄的特定負載,因此無法為所有電壓值或負載點提供最優化的控制響應.換句話說,如果你需要一個可以在很多產品中重復使用而不必更換部件的設計平臺,則模擬方案難以勝任.除此之外,模擬系統的測試和維修都非常困難. 

數字電源的優勢與不足 


數字電源正是為了克服現代電源的復雜性而提出的,它實現了數字和模擬技術的融合,提供了很強的適應性與靈活性,具備直接監視、處理并適應系統條件的能力,能夠滿足幾乎任何電源要求.數字電源還可通過遠程診斷以確保持續的系統可靠性,實現故障管理、過電壓(流)保護、自動冗余等功能.由于數字電源的集成度很高,系統的復雜性并不隨功能的增加而增加過多,外圍器件很少(數字電源的快速響應能力還可以降低對輸出濾波電容的要求),減少了占板面積,簡化了設計制造流程.同時,數字電源的自動診斷、調節的能力使調試和維護工作變得輕松. 


數字電源管理芯片易于在多相以及同步信號下進行多相式并聯應用,可擴展性與重復性優秀,輕松實現負載均流,減少EMI,并簡化濾波電路設計.數字控制的靈活性能把電源組合成串聯或并聯模型,形成虛擬電源.而且,數字電源的智能化可保證在各種輸入電壓和負載點上都具有最優的功率轉換效率. 


相對模擬控制技術,數字技術的獨特優勢還包括在線可編程能力、更先進的控制算法、更好的效率優化、更高的操作精確度和可靠性、優秀的系統管理和互聯功能.數字電源不存在模擬電源中常見的誤差、老化(包括模擬器件的精度)、溫度影響、漂移、補償等問題,無須調諧、可靠性好,可以獲得一致、穩定的控制參數.數字電源的運算特性使它更易于實現非線性控制(可改善電源的瞬態響應能力)和多環路控制等高級控制算法;更新固件即可實現新的拓撲結構和控制算法,更改電源參數也無須變更板卡上的元器件. 


數字控制還能讓硬件平臺重復使用,通過設計不同固件即可滿足各種最終系統的獨特要求,從而加快產品上市,減少開發成本、元器件庫存與風險. 


數字電源已經表現出相當多的優點,但仍有一些缺點需要克服.例如,模擬控制對信號狀態的反應是瞬時的,而數字電源需要一個采樣、量化和處理的過程來對負載的變化做出反饋,因此它對負載變化的響應速度目前還比不上模擬電源.數字電源的占板面積要大于模擬電源,精度和效率也比模擬電源稍差.雖然數字控制方法的優點在負載點(POL)系統中非常明顯,但模擬電源在分辨率、帶寬、與功率元件的電壓兼容性、功耗、開關頻率和成本(在簡單應用中)等方面仍然占有優勢.不過,如果考慮到數字電源解決方案具有的優點,使用模擬電路搭建功能相似的電路,成本并不一定就比數字電源低. 


數字電源中包含的技術無疑是復雜的,但它的使用并不一定就復雜.不過它要求設計人員具有一定的程序設計能力,而目前的電源設計人員普遍都是模擬設計為主,缺乏編程方面的訓練.這對數字電源的推廣也造成了一定的障礙. 


人們對數字電源還有一個擔心就是它還不像模擬電源那樣經過多年應用的考驗,因而可靠性不高.但就像數字電路在概念上就優于模擬電路一樣,可靠性是設計的問題,而不是數字化的問題. 


不過,成本顯然是約束數字電源廣泛應用的一個主要因素.由于數字實現方式的成本看似高于相似的模擬實現方式,而且人們對于數字電源產品的采用存在顧慮,所以,從用戶的角度來說,也只有當數字電源的成本等于或低于模擬電源(因為成本是中國市場考慮的第一市場因素),同時又能提供模擬電源做不到的許多先進功能的時候,數字電源才會被考慮. 


綜上所述,在簡單易用、參數變更不多的應用場合,模擬電源產品更具優勢,因為其應用的針對性可以通過硬件固化來實現.而在可控因素較多、需要更快實時反應速度、需要管理多個電源、復雜的高性能系統應用中,數字電源則具有優勢. 

數字電源的實現與進展 


數字電源有幾種不同的含意,實現方式也各不相同. 


最簡單的是數字檢測,包括監視開關電源的狀態,如溫度、輸入/出電流、輸入/出電壓、開關頻率(占空比)等,并根據需求向主機報告.故障狀態信息甚至時間標記等信息可以存儲在非易失性存儲器中,并在將來某個時間上報這些信息. 


第二個定義是在“數字檢測”的基礎上通過數字接口控制開關電源,一般是通過I2C或類似的數字總線控制輸出電壓、開關頻率、多通道電源的(上/下電)排序、上升斜率、跟蹤、(軟)啟動、裕度控制、故障保護等等.實際上,目前市場上的很多電源管理集成電路都以這種方式工作. 


第三個定義是用數字電路徹底取代開關電源中的所有模擬電路,這是真正的原生數字電源.只須編寫幾行簡單的代碼,一個核心數字電源集成電路就可以配置成升壓穩壓器、降壓穩壓器、負輸出、SEPIC、反激式或正激式轉換器,這樣將使開關電源更容易設計、配置而且更穩定.但要實現這點從目前看來是相當困難的,因為從物理定律上來說,電流是模擬信號,即使用ADC和DSP取代誤差放大器和脈沖寬度調制器的數字開關電源也仍然需要電壓基準、電流檢測電路和FET驅動器,這些組件目前只有模擬形式的產品.此外,電感器、變壓器以及電容器等模擬元器件在實現數字電源時也是不能沒有的. 


傳統的模擬電源是以模擬控制環路為基礎的,如果在模擬控制環路外添加模擬量采樣、量化電路,并輔以通信電路,即可構成上面第一個定義中所指的帶數字檢測的比較初級的數字電源. 


目前的數字電源大都是按照上面第二個定義(即數字控制+數字監視)實現的,電源內部的模擬控制環路由數字控制環路替代.未來是屬于數字電源的,但數字化是個漸進的過程,其發展很可能由同時使用模擬和數字技術的混合系統開始,進而演進到全數字實現.以前,數字化是以采用高成本的復雜多芯片電路方案為代價的.例如,一個具有電壓、電流監視及控制能力的應用可能需要很多集成電路,如高穩定度基準源、高精度多通道ADC、DAC和專用微控制器,此外還需要不小的軟件開發工作量.如果再考慮成本、復雜性、線路板空間限制和嚴苛的產品上市時間要求,以數字方式管理電源的確需要人們付出不菲的代價. 


最近出現的數字電源產品的集成度和易用性已經達到一個更高的高度.包括傳統的模擬電源廠商和新興的數字電源芯片設計廠商在內的大部分廠商都在著手解決純粹的電源轉換以外的問題,包括添加監測功能,提供可與系統通信的數字接口,以及建立數字控制反饋環路,即在模擬變換器外面使用“數字外殼”.常見的方案有兩種:(1)單芯片控制器方案.通過外接A/D轉換芯片進行取樣,取樣后對得到的數據進行運算處理,再把結果通過D/A轉換后傳送到PWM芯片,從而實現單芯片控制器對開關電源的控制.這種方案的技術目前已經比較成熟,設計方法容易掌握,而且對單芯片控制器的要求不高,成本比較低.但是整套電路用到多個芯片,電路比較復雜;且經過A/D和D/A轉換等步驟,會造成比較大的信號延遲,進而影響電源的動態性能和穩壓精度.有些單芯片控制器整合了PWM輸出,但一般單芯片控制器的運行頻率有限,無法產生足夠高的頻率和精度的PWM輸出信號.(2)通過高性能數字芯片(如DSP或MCU)對電源實現直接控制的方案.數字芯片完成信號采樣、處理和PWM輸出等工作.由于數字PWM輸出的信號功率不足以驅動開關管,一般還需通過一個驅動芯片驅動開關管,即數字控制器與功率級之間的接口由MOSFET驅動器提供.由于這些數字芯片有較高的取樣速度(DSP片內的AD轉換器完成一次A/D轉換只需數百納秒,相較之下,一般8位MCU控制器要數微秒之久)和指令周期,輸出的PWM信號的分辨率僅數百皮秒,過流檢測和關閉電源僅須數十納秒,可以快速有效的實現各種復雜的控制算法,使設計具備較高的動態性能和穩壓精度.此外,在微處理器的支持下添加RS232/485、USB、以太網等擴展通信手段也非常方便.數字控制的電源產品能夠實現大部分數字電源的功能需求,但如果不添加一些額外部件,還實現不了全部功能需求. 


這種“數字外殼”的架構存在以下問題:為了保證電源有較高的穩壓精度,A/D轉換器必需要有較高精度的取樣,但高精度的取樣頻率需要更長的A/D轉換時間,造成回路的實時反應能力變差.而且,高速的采樣和運算將產生巨大的運算量,能達到實時要求的核心處理器還是很少的.雖然在要求比較高的場合一般都會用DSP芯片,其運算和取樣速度快,功能強大,但DSP芯片結構復雜,成本比較高;而且DSP控制技術較難掌握,對設計者要求比較高.通用DSP芯片不是專門作為電源控制芯片使用的,一般的電源應用對通用DSP芯片資源的利用率不高.不過目前以DSP為主要處理單元的數字電源芯片廠商,如TI、Freescale等公司都在優化其作為數字電源核心的DSP的結構,同時努力降低成本,并改善開發手段(提供評估板、IP模塊等),以幫助開發人員輕松地如期完成開發.除了DSP的方案,有的廠商提供基于MCU(如Silicon Labs公司)或狀態機(如Zilker公司)的方案.MCU長于控制,而狀態機的優點是低功耗.鑒于DSP和MCU兩種方案各有長處,現在有的廠商(如SiliconLabs公司、Microchip公司)開始將硬件DSP和輔助MCU同時集成入芯片中,使系統性能最優,效率已經可以與模擬電源相媲美. 


軟件設計對數字電源設計人員而言是另一個挑戰.為降低數字電源的設計門檻,很多半導體廠商推出了不需要軟件編程或者支持圖形用戶接口(GUI)的數字電源解決方案,設計人員通過GUI界面就能設定電源特性參數,而不需要任何編程技能.此外,還可根據具體系統的情況,設定每個輸出電壓的跟蹤、升壓時間和延時等.有的數字電源管理芯片允許設計人員通過芯片管腳配置電源特性參數.許多數字電源芯片允許在系統運行中通過電源管理總線(PMBus)來實時更改電源輸出特性.系統控制算法的設計通常是在專用的集成開發環境IDE中進行,例如TI的面向DSP的CCS、Silicon Labs的基于MCS51的IDE等. 


目前,數字電源芯片的集成度已經達到較高的水平,適合復雜系統如服務器、通信設備等使用.芯片中集成數個同步控制器和自適應驅動器,有的集成了MOSFET或功率驅動模塊、LDO、電荷泵及電源管理(包括熱管理)功能.其他有特色的特性還包括可編程中斷輸出、看門狗等. 


先進的半導體制造工藝在數字電源芯片上也得以利用,其中數字電路應用0.18~0.25μm VLSI工藝;模數混合電路應用高壓BiCMOS工藝還比較常見.有的廠商借鑒大功率芯片的成功設計,在數字電源芯片上采用先進的封裝技術,使芯片可在工業級的溫度范圍內可靠工作. 

PMBus 


電源管理總線(PMBus)通信協議規范定義了一個用在功率轉換器件和管理器件之間的數字通信協議(包括接口和命令).該規范對于數字電源產品的推廣有著非常重要的意義,意味著數字電源產品的接口完成了標準化.借助PMBus,數字電源可以依據一套標準命令進行配置、監控和維護(設置電源的工作參數并監控其工作,而且能夠在故障發生時采取應對措施),還能使多個數字電源產品協同工作. 


PMBus規范的傳輸層基于低成本SMBus(系統管理總線)的1.1版本,這是個功能更為強健的基于業界標準I2C串行總線的版本,具有分組錯誤檢查和主機通知功能. 


PMBus規范定義了2個必需信號和3個可選信號:必需信號為時鐘信號(SCL)和數據信號(SDA),可選信號為SMBALERT#、CONTROL和WP.SMBALERT#由任何需要獲得PMBus主控器支持的從屬設備發起.當SMBALERT#有效時,主控器在PMBus上發送告警(alert)響應地址,然后每個發信號(alerting)的器件將其器件地址放在SDA上.一旦器件成功地將其地址加入總線,它就會釋放SMBALERT#線.SMBALERT#信號可以使從屬設備(如負載點轉換器)中斷系統主機或總線的控制,這就使設計人員能夠更容易地實現基于事件驅動的閉環控制方案.CONTROL信號用于啟動和關閉單個從屬設備.WP信號可用于防止意外更改存儲器中的數據.此外,PMBus協議規定所有從屬設備必須將其默認的配置數據保存在永久性存儲器內或使用針腳編程,這樣它們在上電時無須與總線通信. 


除采用SMBus傳輸層之外,PMBus規范還增加了用于電源設計的控制語言.PMBus的通信是按照一個連續的字節流進行的.每個字節流包含一個地址字節,一個命令字節,若干個數據字節,以及一個可選的包錯誤碼(PEC)字節.主機使用單獨的“開始”和“停止”信號來表明一個通信過程的開始和結束.而從屬設備則使用單獨的位來確認收到的每個字節.為了減少響應時間及處理器開銷,從屬設備在收到“停止”信號時立即處理并執行命令. 

結語 


毫無疑問,隨著數字控制技術的發展和市場需求的驅動,電源領域里數字電源的優勢將會越來越明顯,但從模擬電源到數字電源的完全轉換還需要很長時間,因此模擬和數字控制技術將在未來數年內共存.數字電源技術為電源設計領域注入了新的活力,同時也對電源設計人員提出了更高的要求.如何在傳統技術的基礎上不斷創新,進而設計出滿足未來市場需求的電源系統將成為電源設計人員必須面對的新課題.

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