數字電源設計方式的發展方向

前言：早在十幾年前，諸如德州儀器、Microchip等公司就已經在傳統的模擬電源設計中，混入了數字化的零件，現今信息產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，傳統的模擬供電架構已經明顯不敷這方面的應用。?

??????? 電源技術發展趨勢

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??????? 圖說：交換式電源轉換系統。（資料來源：交通大學）?

??????? 信息產業往更小的制程發展，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熱。然而新一代的信息產品不是在外型上，便是在體積上大做文章，信息產品體積縮小有幾個好處，首先便是在大范圍應用方面，比如說企業機房內部，當服務器的體積能夠有效縮小，便能夠在同樣的單位面積之內，安裝更多的設備，并且提供更多的服務，換句話說，設備體積越小，企業便可以用更小的機房面積來取得同等的菜單現。只是設備體積的微縮，相對而言，電源供應系統也必須配合微縮，而且所能供給的電力負載還必須能維持甚至超越過去的水平，這對電源設計廠商來說是相當嚴苛的挑戰。?

??????? ■數字電源設計有助縮小設備體積與增強管理能力

??????? 圖說：數字與模擬回路比較。（資料來源：交通大學）?

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

數字電源就是采用數字接口具有可程序化（programmable）的電源轉換器，數字接口（digital interface）與可程序化是數字電源的重要特征，也是其簡化產品應用的重要利基。控制器的實現可以模擬電路方式或數字電路方式，數字電源系指采用數字控制方式實現交換式電源供應器的控制回路與接口。與此相較，傳統的交換式電源供應器主要采用模擬控制方式實現其控制回路與接口。?

??????? 一般而言，采用全數字化控制技術，可以有效縮小電源體積，降低成本，并且提升設備的可靠性和對使用者的適應性。整個電源的訊號取樣、處理、控制（包括電壓電流等環節）、通訊等均采用DSP技術，可以獲得一致的穩定的控制參數。?

??????? 數字化電源控制可以采用更加靈活的方式，比如說電源供應器可以在各種電壓、溫度下動態調整并最佳

DSP技術可以實現更簡單穩定的通訊和均流，并且獲得良好的EMC控制。數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，自我監控能力以及遠程通訊機制都可以輕易達成。數字化設計也可以有效減少組件使用數量并提高模塊化的程度、以及提高功率密度。消除模擬控制技術的組件離散性和溫度飄移，保證每個模塊均達到最優指針，提高電源可靠性。模塊智能化程度更高，易于使用維護。?

??????? ■手持式裝置電源管理趨向高度整合與數字化設計?

??????? 而在手持式裝置上，對于電源管理的機制更是不斷的進步。原本手持式裝置所主打的行動便利性，卻逐漸被多功能、高效能導向口號所取代，在電池技術未得到突破性的發展之前，只能訴求更有效率的電源管理方式。

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

??????? 目前主流的行動裝置通常都會整合視訊、音效、照相／錄像、檔案儲存／編輯等多種功能，比如PMP，能夠完成音效與視訊播放、錄像和檔案儲存等工作，手機能夠拍照、聽音樂甚至利用無線模塊進行上網動作。這些不同的功能通常都是透過相對應的組件來達成，然而這些組件需要不同的電壓供應才能正常動作，而且要求電壓質量穩定可靠、干凈、高效能，這也是設計電源管理所面臨的挑戰。在這些日趨復雜化電源管理系統中，1款產品可能會同時需要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，是電源設計中正面臨的一個難題。?

??????? 以目前的發展而言，電源系統單芯片（power-system-on-a-chip）的整合是整個行動應用，甚至是產業界的長期趨勢，理所當然，手持式行動裝置的的電源供應設計也是遵循這個趨勢，并且朝向更高階的芯片整合度發展。?

??????? 過去行動裝置的電源系統是由許多零散的模擬零件所組成，但是在新近的產品已經看不到這樣的過時設計。原先行動裝置電源供應模塊在功能方面的設計趨勢，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，在應用范圍方面也逐漸普及到其它領域，并且進入各種不同類型的行動裝置的設計之中（比如說GPS、掌上型游樂器、PMP、行動電視等產品）。?

??????? 芯片整合的理由對于整個電子產業都相同：把更多功能整合至更少零件后，產品成本即可大幅下降，因為制造這些產品所需的組件數目和電路板面積都會減少、產品的組裝和制造程序會更簡單，藉此可達到更高的系統可靠性并能大幅縮短測試時間。此外，更高的芯片整合度也能提高研發流程的效率，從而縮短制造商的新產品上市時間，對于提升產品競爭力而言有著莫大的幫助。?

??????? 數字交換式電源的設計方式?

??????? 一般實現交換式電源的數字控制主要有以下兩種方法：?

??????? 第一種：單芯片控制器通過外接A/D轉換芯片進行取樣，取樣后對得到的數據進行運算和調節，再把結果通過數字／模擬（D/A） 轉換后傳送到PWM芯片中，從而達到單芯片控制器對交換式電源的電源間接控制。這種方法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。但是控制電路由于要用多個芯片，電路比較復雜；而經過A/D和D/A轉換等步驟，會造成比較大的訊號延遲，這些延遲勢必影響電源的動態性能和穩壓精準度。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展，一般單芯片控制器的頻率頻率有限，產生的PWM輸出頻率與精確度成反比，因此無法產生足夠頻率和精準度的PWM輸出訊號。

??????? 圖說：PWM的結構區塊圖。

??????? 第二種：透過高性能數字芯片如DSP對電源實現直接控制，數字芯片完成訊號取樣AD轉換和PWM輸出等工作，由于輸出的數字PWM訊號功率不足以驅動開關管，需通過一個驅動芯片進行開關管的驅動。這樣就可以簡化控制電路的設計，由于而這些芯片有比較高的取樣速度（TMS320LF2407內部的10位AD轉換器完成 一次AD轉換只需500ns的轉換時間，相較之下，最快的8位單芯片控制器也要數微秒之久）和運算速度，可以快速有效的實現各種復雜的控制算法，實現對電源系統的有效控制，這樣的設計具備較高的動態性能和穩壓精度。不過DSP芯片結構復雜，成本比較高；而且DSP控制技術比較難以掌握，對設計者要求比較高，在主流交換式電源領域中難以廣泛應用。雖然 DSP技術已經在交換式電源中開始應用，但目前主要仍局限在對電源性能要求較高的而且價格比較昂貴的應用領域上。?

??????? 電源控制數字化之后所需面對的問題?

??????? 數字控制的交換式電源不可避免地存在以下問題：A/D（模擬／數字）轉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壓精度，A/D轉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的A/D轉換時間。作為反饋回路的一部分，A/D轉換時間過長必然造成額外的相位延遲時間。除了和模擬控制存在的相位延遲，轉換過程的延遲時間必然也會造成額外的等待循環，造成回路的實時反應能力變差。?

??????? 和模擬芯片用RC（電阻電容）補償進行PI調節（PI regulator）的方法一樣，在控制回路中用引入PI調節的方法以提高控制回路的實時反應能力，這種做法需要占用數字芯片較大的系統資源，因為數字控制和模擬控制不同，訊號取樣不是連續不斷的，而是規則離散的，兩次取樣之間會有一段間隔時間，這段時間的值是無法取得的。為了要達到精確的控制，每次取樣之間的時間間隔不能太長，即取樣頻率不能太低。作為數字芯片，每次AD轉換結束后，得到的結果都會被送到系統的中央處理器，然后由處理器對取樣的值進行運算和PI調節。?

??????? 在取樣頻率比較高的時候，這種做法相當耗費系統運算資源，因此對數字芯片的效能要求也比較高。專門用于電源控制的數字芯片并不算多，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，但價格比較昂貴。而且通用DSP芯片不是專門的做為電源控制芯片使用，一般的電源應用對其芯片資源的利用率不高，在某些狀況之下，采用DSP芯片做為電源數字控制的核心是一種浪費。?

??????? 應用在電源設計的DSP與MCU架構之爭?

??????? 目前在數字電源領域占有龍頭地位的非屬德州儀器以及Microchip這兩家半導體公司，然而單純MCU或者是單純的DSP架構，在應用上都有其缺憾之處，因此兩家半導體業者都不約而同的朝向結合MCU與DSP的架構來進行數字電源設計，DSP擁有強大的數字計算處理能力，MCU則是對周邊擁有強大的控制能力，對于設計可以面面俱到的數字控制電源而言，兩者不可偏廢。

??????? 圖說：Microchip公司的DSC產品。?

??????? 雖然如此，兩家業者還是認為各自專長領域中可占有較佳的優勢，德州儀器自然是以DSP做為主角，極力強調強大計算能力所能帶來的實時反應能力與控制精確度，而DSP的可程序化能力對系統的架構、可移植性以及可維護能力有著絕佳的表現；Microchip公司則是強調一般客戶并不需要太過強大的DSP計算能力，復雜的可程序化設計只會拉長產品開發時程，該公司所提供的DSC（Digital Signal Controller）架構，將MCU與DSP成功整合，不僅在指令流成功單純化，透過標準的C語言編譯器，更能夠有效縮短產品的設計時程。?

??????? 電源供應器的模擬組件可以完全被取代？　倒也未必！?

??????? 許多激進的廠商宣稱，利用數字組件與電路，可以完全取代掉交換式穩壓器中的模擬組件，藉此可以大幅簡化交換式穩壓器的設計，并且有助于整個供電系統的穩定，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／數字轉換器）或DSP來取代誤差放大器與脈沖寬度調變的數字交換式穩壓器，也依舊需要電壓基準、電流檢測電路／開關以及FET驅動器，這些組件只存在于模擬形式，而且被普遍應用于各種類的交換式穩壓器中，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。?

??????? 模擬設計向來被比做為藝術，很多時候，模擬組件的調整與整體架構設計總要依靠設計者的經驗與手腕才能調配出完美的比例，就好比是一名廚師，在做菜時對火侯的掌控必須依靠長久的經驗，才能烹調出一道色香味俱全的料理。雖然模擬電路架構單純，但往往在布局上都是牽一發而動全身，既然電源供應器無法拋棄模擬組件的包袱，在模擬技術上就更需要進一步的研究與發展，畢竟大多數的半導體公司都僅在數字領域稱霸，對于模擬架構卻都往往流于一知半解。以***為例，***雖然是IC設計的大宗，但是對于模擬制程卻甚少有著墨，雖然市場上數字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。?

??????? 追求純數字電源目前仍遙不可及　數字與模擬合理的搭配設計才是正途?

??????? 數字電源在近幾年來引起了相當廣泛的討論，但是業界一般對于這個產業的看法并不一致。雖然行動裝置對于電源管理所提出的嚴苛需求讓數字電源得以大展身手，但是傳統的模擬電源方案在經過數十年的發展，在大多數的應用領域中依然獨占鰲頭，即便模擬方案在某些方面較為弱勢，比如控制回路組件數目、系統穩定性、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計思維，并且開始加入數字組件或設計方式，以期突破傳統的模擬電源設計藩籬。?

??????? 傳統模擬電源簡單易用，雖然可變更的參數不多，但是單純是其最大的優點。而在較高階的應用中，系統管理者可以需要額外的控制功能來監控電源供應器的狀態，這些狀態可能包含了溫度、輸出入電流、輸出入電壓等等，并且依據系統管理者的設定，定期向中央控制系統回報。除此之外，一些如ID標記、故障狀態訊息、時間標記等等都可以儲存在微控制器上的閃存或其它非易失性儲存架構中，并且在指定的時間回報這些訊息。這些設計需要具備大量的整合數字電路，通常可能較常在高階服務器中見到這些數字電源供應器，在一般平價消費性產品中，就不需要用到這些額外的控制功能。