一、引言

　　圖1所示的模擬電源解決方案是一種眾所周知和經過實踐檢驗的技術，功率電子工程師在時域中理解起來毫不費力。模擬PWM控制器包括一個誤差放大器，用一些電阻和電容構成補償網絡。通過對電阻和電容值進行微調可實現最佳性能。模擬PWM控制器提供快速和準確控制，人們開發了許多先進的模擬控制方案來實現最佳性能，特別是在瞬態要求非常嚴格的微處理器核心電源應用中，其針對核心及外設電源應用的簡單性、易用性和低成本是無可替代的。

　　圖1，模擬電源框圖。

　　最近，數字電源在計算機應用領域受到重視。圖2偵測所示的數字電源解決方案通過數字化所偵測的電壓和電流信息以及以數字形式（頻域）重建補償器和PWM比較器來仿真模擬控制環路模塊。要想實現與模擬環路相似的性能，常常需要極高速（》100MHz）的數字算法處理器，這會導致較高的待機功耗，并可能需要非易失存儲器（NVM）來存儲具體設計配置信息，如反饋補償參數。它還需要工程師在模擬和數字域中理解設計。由于其復雜性的緣故，普通電源設計人員無法完全理解數字PWM控制器，這迫使數字PWM廠商向用戶提供所有支持和完成設計的大部分內容。因此，設計的穩健性和可靠性嚴重依賴于廠商支持。數字電源有模擬電源所不具有的一些優點，如輕松更新控制回路補償參數而不修改硬件電路。另一方面，偵測適合計算機應用行業的解決方案仍然需要對熱補償和電流偵測網絡在硬件電路層面進行微調，因此它們根本不是全數字式方案，而是一種混合式方案。

　　圖2，數字電源框圖。

　　對于需要用戶接口和電源管理的系統，人們常常會引入串行總線，如PMBus。圖3所示的混合數字電源解決方案在模擬控制環路和電源管理模塊之間需要一個ADC（模/數轉換器）和一個DAC（數/模轉換器），用于接口和通信。由于數字電源方案中一切采用數字形式的部分都包含在控制環路中，所以數字環路和電源管理模塊之間不需要專用的ADC或DAC，如圖4所示。但是，數字電源解決方案需要一個ADC來數字化偵測到的電壓和電流模擬信號，以便進行數字控制處理，還需要一個DAC來將數字信息轉換回模擬形式，用于控制功率級。該ADC和DAC都在數字控制環路內部；這有可能影響環路響應，除非使用非常高速和高位數（bit-count）的ADC/DAC，這會顯著提高偏置功率。PMBus電源管理模塊的工作頻率通常為100kHz或400kHz，而對于非常快速的ADC和DAC轉換，數字控制算法處理器的工作頻率必須大于100MHz。因此，混合解決方案通常具有比數字解決方案低得多的偏置功率和更快速的環路響應。

　　本文將詳細討論全數字和混合數字電源方案，包括實現、系統性能、成本、制造和庫存控制以及環境影響。

　　圖4，全數字電源解決方案框圖。

　　二、混合數字電源管理與全數字電源管理

　　（1）偏置功率需求

　　要想實現高精密的DAC精度（比如0.5%）和高PWM分辨率（比如100ps），數字控制器需要極高速（》100MHz）處理器［2］來在數字域中仿真模擬控制環路。它通常使用低偏置電壓，如1.8V、2.5V或3.3V，這有助于最小化偏置功率。但是，為計算機應用開發的兩個多相數字PWM控制器會消耗超過100mA偏置電流，消耗的偏置功率是Intersil的混合數字多相PWM的的3~5倍。表1詳細說明了這一點，以及對Intersil和另外兩家數字PWM廠商針對英特爾VR12代多相控制器的其他相關比較信息。由于消耗的偏置功率較高，設計中使用該種數字控制器的穩壓器具有輕負載時效率低的缺點，且無法滿足能源之星要求，同時通常不用于筆記本電腦應用。由于未來產品要求更低的功耗和追求更綠色的環保，所以全數字控制似乎不是正確的道路。

　　此外，更低的偏置電壓通常會限制共模范圍，并可能在輸出電壓變高時使DCR電流偵測放大器飽和。它會導致各相間電流失衡，進而導致功率級過載。而且，數字控制器具有更低的PWM輸出信號電平，并有可能引入相位轉換時的噪聲，可能會在空間緊張型設計中導致系統故障。

　　（2）可編程性和用戶接口

　　市面上的多相數字PWM解決方案確實提供了對環路響應進行編程而不需要對硬件電路進行修改的優點，但仍然需要通過微小的電路修改對許多其他功能進行微調。全數字方案非常傾向于算法驅動方式，且因廠商的不同而異。通常，客戶不會成為解決方案方面的專家，或者可能只有1~2名工程師完全理解該控制器。因此，數字解決方案的穩健性和可靠性嚴重依賴于廠商的支持。

　　混合數字方案提供了模擬控制環路來實現世界一流的瞬態性能，以及PMBus接口來實現可編程性和用戶接口。控制環路可編程性可按需要來實現而不會產生全數字解決方案的高偏置電流缺點。精通模擬解決方案的電源工程師通常非常容易理解這一點，因而出錯機會更小，更有可能在第一次就成功。

　　（3）環路和瞬態響應

　　由于DAC和ADC轉換延遲，數字控制器的環路帶寬通常限于不超過100kHz范圍，而模擬和混合數字控制器可以超過100kHz，如圖5所示。圖6顯示慢速環路的響應速度將會更慢并產生更高的過沖和下沖。模擬環路對負載和輸入瞬態的響應快很多，最小化了輸入和輸出干擾，導致更小的輸入和輸出濾波器尺寸。盡管非線性技術通常用于加快數字控制器的響應速度，但它會在寬負載范圍上造成不一致的響應，如圖7所示，其原因在于離散閾值的觸發。此外，非線性控制會導致不均勻的脈沖分布和低劣的電流均衡能力，如圖9所示。與用于數字控制器的非線性控制方案相比，Intersil的混合數字控制器ISL6367/67H ［9，10］使用的線性控制可產生平滑的負載階躍響應和均勻分布的相位脈沖，如圖8和圖10分別所示。

　　圖6，慢速環路與快速環路瞬態響應。

　　圖8，采用Intersil的線性控制的瞬變。

　　圖10，線性控制1MHz瞬變的相位轉換順序。

　　（4）DC性能

　　與模擬解決方案的無限分辨率相比，全數字解決方案常常具有由于ADC分辨率和PWM分辨率而產生的量子化誤差。另外，電源狀態的紋波變化也會影響穩壓精度，如圖11所示。混合方案保持了模擬方案的高精度。

　　數字控制器常常聲稱在環境條件、老化和元件變化下具有更小的Vout漂移。對數字控制環路補償部分（沒有外置R和C）是真的，但包括輸出濾波器（電感和電容）在內的功率系的特征仍然會隨著環境溫度、老化和元件變化而變化。校準可以改進精度，特別是在電流偵測中，但它會增加成本（參見E部分）。除非在每次上電時進行校準并對控制環路進行重新配置，否則數字解決方案將仍然會有易受環境變化影響的缺點。此外，低DCR（0.15mOhm或更小）電感將會繼續增多這樣的影響，在全數字控制器的情況下這將要求更高分辨率的ADC，亦即更高的偏置電流。

　　數字解決方案的DC精度受PWM分辨率的影響［2］；例如，200ps PWM分辨率會對1MHz 開關頻率下的12V輸入產生2.4mV誤差。

　　圖11，來自VID加載的輸出失調（10A）

　　（5）校準

　　全數字解決方案常常宣揚其校準功能，因為它們常常需要進行校準來實現與混合方案相同的精度。校準是復雜和非免費的，常常需要外置MOSFET和精密偵測電阻，如同廠商B的解決方案一樣。這些附加元件通常價值超過0.20美元，同時還會增加用電量。

　　（6）相倍增器兼容性和上電順序

　　相數倍增器常常用于高相數和超頻應用［3］。通道之間的電流均衡對設計穩健和可靠的系統極其重要。市面上實現通道電流均衡的相數倍增器僅為5V PWM輸入邏輯［11，12］，且不兼容3.3V數字控制器。數字控制器一直使用沒有電流均衡功能的相數倍增器，這會產生長期可靠性較差和可能造成系統發熱事件。Intersil相數倍增器集成電路的卓越相間電流均衡請參見圖12。

　　圖12，Intersil相倍增器在負載瞬變期間的通道電流均衡

　　在服務器領域，可產生最佳效率的典型驅動器電壓為5V，這是不同于數字控制器的偏置電壓的，它使上電順序和保護復雜化；出現了三種可能情景：

　　1） 驅動器首先上電。 驅動器檢測到PWM低并接通低端MOSFET來給輸出放電；系統將不允許預充電啟動。

　　2） 數字控制器首先上電。驅動器檢測到PWM高或者在驅動器電壓變慢時檢測到一個全占空比PWM信號；系統將失去軟啟動并導致高端MOSFET的過應力。

　　3） 驅動器和控制器由同一個啟用信號控制。在斷電期間由于高端MOSFET短路，CPU將不會受到保護，因為驅動器已被禁用。

　　（7）系統保護

　　數字控制器需要數字化電壓和電流信息，然后再將其轉換回模擬信息，這一切全都在控制環路內部進行。這通常導致比模擬環路更慢的響應，如圖5所示。另外，由于控制環路中的ADC和DAC，數字控制器將對需要立即予以響應的故障（如輸出短路、高端MOSFET短路或輸出過電壓）產生較差的保護。如表1所示，市面上的數字解決方案只對輸出提供一個偵測點。當反饋路徑由于元件性能降低、灰塵或潮濕而形成分割器時，輸出電壓將上升而不觸發過壓保護（OVP），因為沒有第二個點來監測輸出電壓。這會輕易導致單點故障和對CPU的潛在損害。另外，它們使用的是估計方法來檢測輸入電流。這種方法速度慢且不能提供真正的災難性故障保護（CFP）輸出來指示消除輸入源，以免發生發熱事件［9，10］。相反，Intersil的混合方案有兩個輸出偵測點（VSEN和FB）來避免單點故障，以及真正的輸入電流偵測來監測CFP，這可以對CPU提供出色的保護。

　　（8）制造和庫存控制

　　全數字控制器需要非易失存儲器（NVM）來存儲配置信息，這些配置通常在出廠前已經編程。如果該器件用于不同的平臺，其將需要不同的配置文件和庫存批次。計算機市場非常活躍，需求會突然發生變化。一旦一種平臺失去了市場，該平臺的特定零件就不能復用于其他平臺。帶有不同配置的相同控制器可用于不同的平臺，但常常會給售后服務制造困難，例如故障分析。數字解決方案使庫存控制復雜化并增加了總成本。而混合數字控制器就沒有這些問題；單個零件可用于或復用于不同平臺，從而幫助簡化制造控制和降低總成本。

　　（9）外置元件和PCB真實狀態

　　數字電源解決方案使用集成度很高且昂貴的控制器，這些控制器常常使用很少的外置元件以及比模擬解決方案更少的PCB空間。但是，可用于計算機技術領域的核心和內存應用的數字控制器必須高速和經濟，且常常并未集成所有功能。如表2（混合數字和全數字計算解決方案的外置元件比較）所示，數字解決方案消除了補償網絡，而許多其他功能仍然需要外置元件。例如，市面上的數字解決方案額外需要兩個去偶電容（用于抑制噪聲）以及不多幾個L/DCR匹配元件。廠商A甚至需要4個NTC網絡，用于熱補償和監測，并對完整的6+1解決方案需要更大的封裝。數字解決方案可能在控制器周圍需要更少的元件，但常常在功率系部分周圍需要更多的元件，包括驅動器去耦、DCR偵測網絡以及輸入和輸出濾波器，從而誤導用戶。

　　表2，計算機技術領域的混合數字與全數字6+1解決方案的外置元件

　　三、Intersil綠色混合數字電源

　　（1）線性控制——EAPP

　　Intersil獨有的增強型主動脈沖定位（EAPP）調制方案是一種線性雙邊控制拓撲結構。在穩態工作期間它是固定頻率控制，但在瞬態事件期間則是變頻控制。它可以增加負載施加期間的開關頻率和降低負載釋放期間的頻率。在直流和交流工作條件下，它還在所有相位之間保持均勻的脈沖分布。如圖10和圖13所示，相位轉換順序在負載瞬態頻率變化期間保持相同：1-2-3-4 ---- 1-2-3-4，中間沒有任何東西。如圖9所示，在特定負載瞬態頻率下非線性控制會產生隨機分布的脈沖。這種新穎的EAPP控制方案顯著改進了電流均衡和減小了高頻瞬態事件期間的差頻振蕩，如圖14和圖15所示。

　　電流模式控制常常在占空比高于50%時出現次諧波振蕩［7］，而數字控制也會出現周期極限振蕩［8］。可以向環路引入人為斜坡補償來最小化這些效應，但其將會減慢環路速度和減弱瞬態響應。Intersil的EAPP是一種雙邊電壓模式調制器，不會出現這些不穩定問題，從而產生具有優異模擬性能的更穩健、可靠的系統。

　　圖14，線性控制350kHz瞬變的電流均衡。

　　圖15，線性控制50kHz瞬變的電流均衡。

　　（2）DC性能

　　模擬控制環路可使電壓和電流偵測放大器盡可能保持精確而無需任何不必要的校準。圖16顯示6相系統具有良好均衡的相電流，而圖17顯示不同電路板的非常緊的降低公差。

　　圖17，6個電路板的下降控制精度。

　　（3）AUTO 模式的高效率

　　Intersil的相應AUTO模式有助于改進低負載區的VR效率。如圖18所示，自動相數控制（APN）使VR能夠在整個負載上在最佳效率下工作［1］。

　　圖18，不同相數的效率和ISL6367/67H評估板的APN。

　　（4）AUTO模式中的APA控制

　　CPU能夠在任何時刻毫無延遲地施加高di/dt負載，因此多相VR必須為重負載施加做好準備。使用APN控制不能對VR對這些負載瞬態事件的性能產生不良影響。Intersil的混合數字方案利用一個能夠快速添加相位的快速環路來支持負載階躍瞬態事件。

　　傳統的相數增加和減少控制將會監測總輸出電流，這是通過輸出電感電流來偵測的。當發生負載階躍時，電感電流會緩慢增加，所以相位是逐一緩慢增加的，從而導致大電壓暫降，如圖19所示。因此，工作相位可能試圖占用滿施加的負載電流，并可能潛在地超載，直至增加更多相位。為保持在正常全相運行模式的相等瞬態響應，APA控制幫助所有降低相位在大階躍瞬變時立即重新開始工作，從而導致非常小的電壓暫降，如圖20所示。輸出電壓響應是快速的，因為所有相位都被開啟來支持負載。

　　圖20，帶有APA控制的負載瞬態性能。

　　（5）最低能量浪費

　　對于具有一個穩壓器和使用廠商A和廠商B數字控制器的兩個內存穩壓器的系統（如表1所示）來說 ，100萬個主板在五年間會產生大于 500億瓦時的待機功耗浪費（如圖21所示）。Intersil的筆記本和混合數字解決方案會產生的能量要低得多，且在未來有可能進一步減少。另外，Intersil的混合數字方案還有AUTO模式，可在輕負載條件期間更精確地節省更多電力。

　　圖21，控制器的待機能量浪費比較。

　　四、結束語

　　本文考察了全數字電源解決方案在計算機技術領域的局限性和一些優勢。同時對混合數字方案與全數字電源方案進行了對比。混合數字方案提供了模擬控制環路來實現世界一流的瞬態性能，以及數字電源管理功能來實現靈活的可編程性和易于使用的接口，該方案可靠、經濟、節能且易于使用，是一種環保型拓撲結構并符合能源之星要求。