数字电源控制在物联网云计算中的优势

电源通常是系统开发中进行的最后一项设计任务。设计讨论常常是这样开始：“好吧，我们来设计一个电源，它的输入电压是这么大，多个输出的电流是这么大，而且具有一个效率目标，以控制散热”。然而，现在的设计变得越来越复杂。电源设计工程师知道好的电源（特别是功率高达数百瓦的电源）必须平衡经常相互冲突的目标。这些目标包括输出灵活性、动态线路/负载性能、高负载和低负载效率、元件公差、散热问题和温度系数、监测和保护以及电压或电流的动态变化。

除了长期致力于开发各种解决方案，以满足最新负载要求的电源专家以外，设计高性能电源的困难并未得到全面认识。这在为构成物联网（IoT）云计算和电信基础设施的服务器和存储网络设备设计电源的挑战中得到例证。一度被归于高性能CPU的性能要求，现在也延伸到中型甚至小型的负载中。

模拟控制拓扑的发展趋缓

为满足这些要求，设计工程师开发了许多创新的模拟控制回路和技术，例如恒定导通时间或滞后控制，以及典型的电压和电流模式方案等等。尽管这些设计具有不少特性，但它们都已经没法满足用户的要求。在采用PWM控制器情况下，诸如误差放大器、比较器和斜坡发生器等功能块受到其设计约束和变量的限制。它们受到信号链中的时移和相移，以及在为补偿网络选择元件时的噪声注入和大信号响应问题的影响（见图1）。

图1. 模拟PWM电源控制器

这些设计的性质（必须按照具体应用需求对电路进行调整，确保对性能的妥协降到最低）意味着信号控制器无法提供最新系统要求的灵活性。这种限制已导致模拟控制器的性能和使用停滞不前。好在，数字电源控制（亦称“数字电源”）提供了一种更好的替代方案。

数字电源控制是什么？对一些人而言，它仍然是一个模拟控制回路，但有些参数可以通过数字接口进行调整。例如，可以通过PMBus接口发出命令来改变输出电压。但这种说法并没有提到数字控制以及数字电源能给市场带来什么好处。

数字电源来救场

基于PWM DC/DC控制器的真正数字电源控制远不只是对内部模拟回路的管理。相反，实际闭环反馈路径完全是在数字域内执行的，起点是反馈电压的模/数转换。一旦所有信息都在数字域内，就可以应用新的先进控制技术和数字信号处理。例如，根据负载的条件改变状态和算法，以便在不断变化的条件下也能实现优化的响应（见图2）。

图2. 数字电源控制器的实现

数字控制的好处不只是先进的控制策略和实现的灵活性。算法能够适应变化，从而克服了以前在模拟电源中出现的局限性，例如由于温度上升、公差甚至老化而产生的元件变异。请注意，有些无源元件（如电感和电容）的初始公差可轻松达到±20%甚至更高，使用公差更小的元件会显著增加设计成本。数字电源控制器不再需要捉襟见肘地平衡复杂设计中的众多无源和模拟元件，并为其表现不理想负责。借助先进的数字控制算法，回路稳定性挑战也不再是个问题。

数字方案帮助工程师成功

虽然数字控制可能对有些设计工程师来说是新鲜的，而且好得难以令人置信，实际情况其实很不一样，正如Intersil的ZL880x系列DC/DC步降控制器所证明的，该系列是创新的第4代混合信号电源转换电源管理IC系列。图3显示的是ZL8802双通道双相控制器，它集成了一个用于广泛电源应用的高性能步降转换器。它消除了为保证稳定性而进行回路补偿的需要，同时不会影响系统带宽。

图3. ZL8802框图显示了其内部复杂度，其中大部分对设计工程师是透明的

因此，ZL880x系列控制器已被多个厂商的已发布OEM电源所采用，包括CUI的NDM3Z系列数字DC/DC POL模块。它们是高性能器件，旨在满足要求最严苛的中间总线电源系统的需求。

CUI高级副总裁Mark Adams表示：“我们为我们的NDM3ZS-60数字POL模块选择了ZL8800控制器，因为我们觉得它提供了市场上最先进的功能集。只是将一个电压转换为另一个电压对我们的客户不再适用。现在的需求是在任何时间和所有条件下都能进行完美的电压转换。数字IC技术帮我们实现了这个目标。”

该IC内部的自适应算法可自动改变工作状态，以提高效率和整体性能，无需用户的干预。该器件的全数字回路可实现整个电源转换过程的精准控制，无需借助于软件，从而使其成为非常灵活和易于使用的器件。控制算法用于响应单个PWM开关周期内的输出电流变化，从而以小于传统PWM控制器的输出容值实现更小的总输出电压变化。

该器件有助于设计工程师通过PMBus接口完全控制和监测每个电源轨，以最大限度提高可靠性。其专有的单线式DDC（数字DC）串行总线允许多个ZL880x器件与其他Intersil数字电源IC通信，以实现IC间的相电流平衡、时序控制和故障扩散，从而消除了需要使用外围分立元件的附加复杂电源管理器设计。

ZL8802包括电路保护功能，可持续地防止器件和负载由于意外系统故障而损坏。它能持续监测输入电压和电流、输出电压和电流，包括逐周期输出过流保护、内部温度及两个外围热二极管的温度。监测参数还能进行预配置，以提供针对具体条件的警报。

数字调制技术

ZL8802的关键要素是专有数字调制技术的集成。先进的数字控制器需要满足三个关键要求：应当支持足够高的带宽；理想条件下应当无需补偿；应当支持固定频率开关操作。ZL8802的数字电压模式控制能够使用其具有专利的ChargeMode控制技术实现高带宽。

传统上，电压或电流模式滞环控制器已经提供了最佳回路响应，但伴随着以可变频率进行开关操作的缺点。使用数字电源控制器的最新电信设备要求固定的工作频率，从而实现对最终用户应用中的噪声频谱的严格控制。ZL8802利用其独特的数字调制器和补偿技术来实现所有这些目标。

其数字调制技术允许控制器对单个PWM开关周期中的电压变化做出反应。ZL8802在一个开关周期内可以多次进行误差采样并计算调制信号，这可显著减少群延迟并因此支持非常高带宽的操作。

厉害的是，ZL8802无需知道实际输出电容值。相反，它依靠数字算法来进行正确的调整，以及确保稳定性。这样做的结果是减小了支持具体应用所需的容值，同时提供了一种无补偿设计。控制器的响应确保任何瞬态条件均可得到满足，同时保持稳定性并将振铃或过冲最小化。这种方案的系统级好处是不再限制设计工程师对电源元件的选择。同时，该控制器还消除了元件老化或环境变化的影响，因为数字回路可对变化进行持续监测和负责。

配置、验证和监测

全数字式闭环控制方案的另一个好处是它与易于使用和强大的图形用户界面（GUI）相兼容。PowerNavigator软件可以使用带有USB接口的PC就能对多个器件进行配置、验证和监测。这使得易于使用简单的GUI来变更数字电源设计的所有特性和功能。使用这一工具，工程师能够设置电源架构，定义电压轨以及均流操作，建立基于事件或基于时间的时序控制，监测硬件和故障，以及保存项目和配置文件。

结论

在为物联网云计算服务器和电信设备中采用的先进FPGA、处理器和ASIC设计电源时，工程师最关心的问题是功率密度、瞬态响应和效率。诸如ZL8802等数字PWM DC/DC控制器提供优异的瞬态响应性能和无补偿设计，有助于电源设计工程师独立自主地在动态性能与系统稳定性之间取持续性的平衡。

作者简介

Chance Dunlap在Intersil公司担任基础设施电源业务部总监。他在电力电子行业的17年职业生涯中，分别从事业务开发和营销等工作，支持从数字电源到隔离式控制器等一系列电源产品的开发。他拥有6项专利，发表过多篇技术论文，在许多专题讨论会和行业会议做过演讲及展示。

Chance拥有美国普渡大学的电子工程学士学位（BSEE）和美国亚利桑那大学的工商管理硕士学位（MBA）。