数字电源研究分析

•数字电源可以降低成本，简化你的设计，并提高精度。
•数字电源非常适用于输出余量设定及逐周期回路补偿。
•很多系统工程师并不想要或需要非线性控制或自适应补偿。
•数字电源能提高效率的声称通常无法证实。
•数字电源确有独特的性能，但也存在折衷。

　　图1，数字电源最终达到了平稳量产的阶段（Gartner集团提供）。

　　芯片公司对数字电源的定义是五花八门。有些公司认为，数字电源包含了围绕一个模拟PWM（脉冲宽度调制）回路的数字功能与通信链接。其它公司称，数字电源是一种内置数字PWM芯片的状态机。还有一些公司表示，数字电源包括了一个通用DSP，DSP运行着一个闭合控制回路的算法。而过去十年来学术意义上的真正数字电源，则拥有一个数字PWM回路，并带有一个状态机或一只DSP。一只模拟PWM器件上加上一个串行总线并不能成为数字电源。不过，数字电源可以免除或消除对某些元件的要求，从而可以降低成本。

　　你可以为一只DSP加一个FET驱动芯片和一些代码，以控制涡轮风机的扇叶角度和变频器，基本上这就是简单的数字电源了。例如，德州仪器公司十多年前就开始为其DSP提供电源库。该公司现在生产多个系列基于DSP的电源芯片（图2）。CamSemi公司尝试减少器件数，提供5W C2161PX2 ac/dc控制器，它采用反馈变压器上的一个检测绕组，而不是昂贵的光耦（参考文献2与图3）。数字电源不用二极管来检测反馈波形，当检测绕组的反馈信号为负值，以及不表示次级的输出电压时，就消除这个信号。至于降低成本，Exar公司制造了16A的XRP7740数字电源芯片，可为机顶盒或数据服务器提供多个电源轨（图4）。Exar公司拥有芯片方面的很多专利，包括将一小块片芯区域用于一个实用的控制回路（参考文献3）。这样，Exar公司的芯片定价就能与模拟芯片竞争。

　　公司任何DSP的数字电源库" 
　　图2，你可以编译德州仪器公司任何DSP的数字电源库，或用一只该公司专用芯片，做出数字电源系统。TI还制造采用状态机的数字电源芯片。

　　图3，CamSemi公司提供5W的开关电源控制芯片，它有一个替代线性电源的双极晶体管。开关设计有更高的效率，使用铜线也较少，因此降低了成本。

　　图4，Exar公司的XRP7740可在四个通道上提供16A输出电流。聪明的IC设计使得芯片很小，因此该公司提供的芯片价格能与模拟方案相竞争。

　　图5，可以手动设定Zilker Labs公司ZL6105演示板的补偿，但这样做并非理想的方案 (a)。当你打开自动补偿时，可改进设计的瞬态响应稳定性 (b)。

　　图6，为提高轻载时的效率，Powervation公司的数字电源芯片可以去掉一个相。然后，即使在单一相位时，自动补偿功能也能维持满回路带宽。

　　当对一个系统作测试和验证（以确定能在生命周期内正常工作）期间，数字电源还提供了在一个区间上余量可变的电源输出电压。例如，英飞凌公司旗下Primarion集团提供的PX7510就可通过PMBus（电源管理总线）完成余量设定和其它操作。思科系统公司DSSG（数据中心、交换以及服务集团）的技术领导Bob Thomas称：“余量可以让我们验证当输出电压超出设定的极限时，系统的电气性能与热性能情况。”
　数字电源的大话

　　有关数字电源的夸大言论可追溯到十年前有关模糊逻辑的争论。有些人认为，模糊逻辑将取代对模拟控制的需求。不过，看似模糊逻辑只在某些应用中优于模拟方案，并且，即使在这些应用中，也可以用一个PID（比例/积分/微分）控制器完成几乎所有功能（参考文献4）。有些推销者还声称，数字回路的电源可以做自适应补偿，即具有在快速瞬态响应和低噪声之间切换的能力。这个特性迫使你去测量噪声与瞬态响应，然后必须决定何时在两者间切换。Powervation公司已成功完成了这个工作，但它要花费大量的处理能力。

　　数字电源专家们还炫耀了“非线性”控制方案，但这些回路却让你无法在数字电源芯片上连接网络分析仪。非线性数字回路并不提供有效的增益与相位响应。于是芯片公司转而让工程师们在时域中评估稳定性，声称他们应给回路施加一个瞬态条件，并确保振铃会在一个可接受的时间量内消失。不过，有经验的控制系统工程师们都不喜欢非线性控制，而喜欢采用熟悉的增益与相位方法。
有些公司称数字电源芯片可以在一个多相电源中，保持各相位之间有更紧密的电流匹配。不过，与一个30%失配的模拟电源作比较是不切实际的，并且，没有一个负责的工程师会把这样一种设计送去量产。

　　有些芯片公司还声称数字电源的效率高于模拟电源，但这种说法并不可靠。一只芯片关闭多相控制器中各个相的能力可表示为一种效率收益。在轻载时，它可提供相当不错的效率，不过这种能力并非源于数字PWM回路。任何模拟芯片都可以完成这个功能。开关电源中的主要损耗是磁、开关以及铜损耗，一只控制芯片无法影响这些损耗。凌特技术公司的模拟式LTM4609降-升压转换模块可得到98%的效率，几乎优于所有数字芯片。

　　还有一种有关效率的说法是，数字芯片可提供更好的死区时间控制。换句话说，它们可以驱动同步与功率FET，因此没有反向电流。然而，凌特技术公司拥有一个模拟方法的专利，能确保同步FET永远不会反向导通，而美国国家半导体、Allegro与飞兆公司在多款芯片中采用了模拟的山谷模式（valley-mode）控制，实现了相同的效果。凌特技术公司工程副总裁兼首席技术官Bob Dobkin指出：“没有理由说数字控制回路有更高的效率。用模拟方式可以做stage-shedding。穿通控制也不是问题了，我们一些较新的电路还有自适应穿通控制。”

[page]　　折衷是不可避免的

　　实际上，一款芯片采用数字回路还是模拟控制回路并没有什么关系。在选择一种数字方案时，你只需要关心要做哪些折衷。例如，数字电源的静态电流较高。尽管德州仪器公司的DSP有很高的功率效率和速度，但它们消耗的功率也大于状态机芯片，而远超过模拟芯片。在吸收的静态电流方面，一只离散时间式采样数据的PWM芯片总是高于低功耗模拟PWM芯片。因此，Summit Microelectronics公司以及其它公司便做出了“数字管理”的模拟电源。这种方案是围绕模拟PWM区域，做出手持电子设备所需要的数字通信与控制功能。这些是准备用在电池工作设备上的器件，无法拥有高速ADC/DAC和DSP，因为它们的静态电流都在毫安量级。Summit公司营销与应用副总裁Abid Hussain说：“如果我带一个静态电流大于100 µA的芯片去见一个客户，我肯定会受到嘲笑的。”

　　无论怎样，如果你有了DSP，就可以增加一个软件模块，建立一个电源轨。注意DSP必须要引导，因此，如果这时有一个小差错，则可能损失数字电源轨，直到器件装入引导码，开始运行时。另外，你的DSP最好是确定性的。如果它有太多的循环和中断，那么就无法为数字电源代码提供服务，电源轨循环就不会真正闭合。

　　你会发现，模拟器件也可以减少器件数量。例如，Power IntegraTIons公司提供不需要光耦的低成本离线模拟器件，而凌特技术公司生产的LTC4278和其它模拟器件采用检测线圈作电压反馈，而不是光耦。它们未用数字电源也能提供这些功能，因此不需要一个数字PWM回路也可以消除负反馈电压，而用反馈波形的适当部分作反馈控制。你关心的不应该是芯片公司采用了模拟PWM回路还是数字PWM回路，而应注意在没有光耦情况下，器件是否可以提供严密的输出调节。

　　数字电源芯片的制造还需要更昂贵的遮罩集，有较高的NRE（非重发性工程）成本。Exar XRP7740数字电源芯片充分利用了数字PWM回路的尺寸，提供了价格上可与模拟器件相竞争的低成本芯片。然而，这些芯片的遮罩集要贵得多，因此各家公司销售这些芯片时都把变动做到最少，哪怕客户订量达数百万片。片芯的低成本是对高成本精细CMOS遮罩集的一种折衷，因此制造商必须面向大批量应用。Cadence公司工程服务副总裁Time Henricks称：“总归是技术-经济的问题。”他指出，在精细CMOS上置入大输出或大驱动晶体管几乎不一种有性价比的方案。一般来说，在廉价CMOS工艺下用较粗的线更有好处（参考文献5）。另外，很多电源芯片必须工作的电压都高于细线或宽线CMOS可以提供的电压，因此双极模拟芯片永远会有其地位。

　　数字电源擅长于那些需要逐周期补偿的应用，但很多公司更愿意采用一种简单而耐用的模拟设计，对器件的寿命作适当的补偿。数字电源自动补偿仍然是一个发展中的技术。思科公司Thomas称：“我们有一个传统电源轨，在布局上有一些寄生电阻和电感。有家公司认为它的芯片可以补偿它。当我们对芯片在此应用中作评估时，客户的结论是，它的自动调整算法不能实现合理的余量。”模拟芯片在设计中工作良好，不过设计者有意降低了其交叉频率，以补偿由于电路板上机械约束所致的非最优布局。

　　如果一家公司要制造输入输出电容未知的电源砖，一只能作自动补偿的芯片也许很关键，但设计者通常是为特定应用开发电源。尽管为一个数字电源部件的补偿作一次性调节很不错，但模拟部件并不要求开发数字滤波器的因数。你只需要修改一个补偿电容和电阻，就能改变回路的响应。Cadence公司的Henricks评论道：“模拟芯片只有一个基准、一个比较器、一个开关、一个单极滤波器和一些输出电路，这种健壮性和简单性很难被超越。”注意，扰动回路做实时补偿的办法并非数字电源域所专有。凌特技术公司刚发布了LT4180，它就是一个能够检测电源输出阻抗的新颖模拟器件，还能调节供电，补偿AC和DC电压降。

　　模拟芯片也可以做余量调节，这种系统功能并不依赖于数字PWM回路。例如，Maxim公司的MAX16064监控与控制芯片可监视四个模拟开关电源转换器（参考文献6），而凌特技术公司的LTC2978监控与控制芯片则可监视八个模拟电源转换器（参考文献7）。

　　简言之，数字电源在某些应用中有意义，而在其它应用中则相反。对一个系统工程师来说这无关紧要，他们不应关心半导体公司如何去闭合回路。系统工程师都应关注的是芯片工作情况，以及自己需要的功能。系统工程师需要的是价格、供货，以及数据表。数字电源与模拟电源之争是教授与IC设计者的事。你需要的是能在真实世界中解决问题的芯片与功能。除非它确实能满足你的需求，否则就不应该为数字电源支付额外的费用。