數(shù)字電源技術(shù)掃盲篇

　　數(shù)字電源技術(shù)

　　數(shù)字電源具有高性能和高可靠性的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)非常靈活。隨著IC廠商不斷推出新型號(hào)、性能更好的數(shù)字電源ic產(chǎn)品以及用戶對(duì)數(shù)字電源認(rèn)識(shí)的深入，數(shù)字電源的應(yīng)用將會(huì)得到普及。

　　近年來，許多相關(guān)的因素導(dǎo)致對(duì)數(shù)字電源管理的需求急劇上升。許多板卡設(shè)計(jì)人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向開發(fā)中間總線電源結(jié)構(gòu)，通過使用多個(gè)單板DC/DC轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生不同矽器件所需要的多樣化的電源要求。這導(dǎo)致一個(gè)很明顯的結(jié)果就是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)測(cè)試及日常使用的過程中，配置、控制及監(jiān)控這些電源將變得更加的復(fù)雜。光是控制上電/下電時(shí)序就需要專門的可編程集成電路及大量的額外部件，更別說用于靈活的系統(tǒng)級(jí)控制和診斷所需要的配置或?qū)崟r(shí)反饋設(shè)施。

　　目前許多高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換器仍是通過簡(jiǎn)單的無源元件產(chǎn)生的模擬信號(hào)來進(jìn)行設(shè)置和控制。即使具有最先進(jìn)電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高性能轉(zhuǎn)換器，也有可能需要使用外部調(diào)節(jié)電阻和電容來確定諸如？動(dòng)時(shí)間、輸出點(diǎn)值及開關(guān)頻率等參數(shù)

　　。當(dāng)然，這些參數(shù)沒有一個(gè)是可以在匆忙中更改的，因此自適應(yīng)的電源管理方案就不可能實(shí)現(xiàn)。

　　除了一些專門用于微處理器（其以VID代碼的形式為輸出電壓控制提供有限的數(shù)字編程性）的轉(zhuǎn)換器之外，市場(chǎng)上大多數(shù)磚形轉(zhuǎn)換器、中間總線轉(zhuǎn)換器及負(fù)載點(diǎn)（Point of load， POL）轉(zhuǎn)換器仍然是采用模擬控制的。對(duì)數(shù)字控制需求最為迫切的是非隔離負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檫@些轉(zhuǎn)換器廣泛用于板卡上并為器件提供最終電壓。然而，這個(gè)需求也適合于隔離轉(zhuǎn)換器，因此，毫無疑問，設(shè)計(jì)者們希望能夠很快得到其他的數(shù)字可編程電源。

　　一、數(shù)字電源的定義

　　數(shù)字電源或數(shù)字控制電源有幾種不同的含義。

　　最簡(jiǎn)單的定義是通過數(shù)字接口控制開關(guān)穩(wěn)壓器，這可能包括通過I2C或類似的數(shù)字總線控制輸出電壓、開關(guān)頻率或多通道電源的排序，？動(dòng)、裕度控制、加電和斷電排序等等都可以通過一個(gè)或多個(gè)數(shù)字信號(hào)控制。實(shí)際上，目前市場(chǎng)上的很多電源管理集成電路都以這種方式工作∶通過數(shù)字接口控制模擬開關(guān)穩(wěn)壓器。

　　第二個(gè)是給前面定義加上所謂的數(shù)字遙測(cè)。在這種情況下，提供額外的控制功能以監(jiān)視開關(guān)電源的狀態(tài)，如溫度、輸出電流、輸入電流、輸入電壓、輸出電壓等，并根據(jù)需求或周期性地向主機(jī)報(bào)告。ID標(biāo)記、故障狀態(tài)信息甚至?xí)r間標(biāo)記事件等其他信息也可以存儲(chǔ)在片上非易失性存儲(chǔ)器中，并在將來某個(gè)時(shí)間報(bào)告這些信息，具有大量數(shù)字集成電路的高端系統(tǒng)是這類數(shù)字電源的目標(biāo)市場(chǎng)，而較低成本的消費(fèi)類產(chǎn)品可能不需要這樣的信息。

　　第三個(gè)也是最野心勃勃的數(shù)字電源含義是，用數(shù)字電路徹底取代開關(guān)穩(wěn)壓器中的所有模擬電路。據(jù)說這樣將使開關(guān)穩(wěn)壓器更容易設(shè)計(jì)、配置、穩(wěn)定、調(diào)節(jié)和銷售。更進(jìn)一步的理由是，通過編寫幾行簡(jiǎn)單的代碼，一個(gè)核心數(shù)字電源集成電路就可以配置成升壓穩(wěn)壓器、降壓穩(wěn)壓器、負(fù)輸出、SEPIC、反激式或正激式轉(zhuǎn)換器。正是數(shù)字電源的這個(gè)含義最難以理解，因?yàn)閺母旧蟻碚f，電源是模擬的。甚至用ADC和DSP取代誤差放大器和脈沖寬度調(diào)制器的數(shù)字開關(guān)穩(wěn)壓器也仍然需要電壓基準(zhǔn)、電流檢測(cè)電路和開關(guān)或FET驅(qū)動(dòng)器。此外，電感器或變壓器和電容器在實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源時(shí)也是不能沒有的。

　　二、數(shù)字電源與模擬電源的區(qū)別

　　數(shù)字電源與模擬電源的區(qū)別主要集中在控制與通信部分。在簡(jiǎn)單易用、參數(shù)變更要求不多的應(yīng)用場(chǎng)合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對(duì)性可以通過硬件固化來實(shí)現(xiàn)，而在可控因素較多、實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快、需要多個(gè)模擬系統(tǒng)電源管理的、復(fù)雜的高性能系統(tǒng)應(yīng)用中，數(shù)字電源則具有優(yōu)勢(shì)。

　　此外，在復(fù)雜的多系統(tǒng)業(yè)務(wù)中，相對(duì)模擬電源，數(shù)字電源是通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)多方面的應(yīng)用，其具備的可擴(kuò)展性與重復(fù)使用性使用戶可以方便更改工作參數(shù)，優(yōu)化電源系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)過電流保護(hù)與管理，它還可以減少外圍器件的數(shù)量。

　　數(shù)字電源有用DSP控制的，還有用MCU控制的。相對(duì)來講，DSP控制的電源采用數(shù)字濾波方式，較MCU控制的電源更能滿足復(fù)雜的電源需求、實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快、電源穩(wěn)壓性能更好。

　　數(shù)字電源有什麼好處它首先是可編程的，比如通訊、檢測(cè)、遙測(cè)等所有功能都可用軟件編程實(shí)現(xiàn)。另外，數(shù)字電源具有高性能和高可靠性，非常靈活。

　　三、數(shù)字電源的發(fā)展

　　數(shù)字電源是一種新技術(shù)，現(xiàn)階段其發(fā)展受到人們對(duì)它的一些誤解而比較難推廣∶

　　1、數(shù)字電源成本高得嚇人

　　過去，一說到“數(shù)字”，人們就認(rèn)為成本高于傳統(tǒng)的模擬解決方案──較之?dāng)?shù)字解決方案具有的其他優(yōu)點(diǎn)，譬如尺寸縮小、具有靈活性與適應(yīng)性、可測(cè)試性增強(qiáng)、診斷功能及擴(kuò)展功能，成本高是一大負(fù)面因素。不過與使用所占空間較大的專有技術(shù)制造的模擬反饋回路相比，利用市場(chǎng)上現(xiàn)有的CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字反饋回路所需成本較少。另外，采用真正數(shù)字電源的解決方案整體成本比其他現(xiàn)有方案低得多。

　　2、數(shù)字電源復(fù)雜得多

　　人們有一種觀點(diǎn)，認(rèn)為電源設(shè)計(jì)人員天生就是模擬技術(shù)設(shè)計(jì)人員，因而不想處理編程帶來的復(fù)雜性。數(shù)字電源管理的支持者提出，我們不但對(duì)力求創(chuàng)新的設(shè)計(jì)人員 （他們并沒有受到興起的數(shù)字電源的威脅）沒有給予足夠重視，而且實(shí)際上，編程并不是意味著編寫代碼，其實(shí)只是處理向?qū)С绦蝌?qū)動(dòng)的圖形用戶界面（GUI），以獲得各種系統(tǒng)級(jí)優(yōu)點(diǎn)，其中包括∶

　?。?）通過實(shí)時(shí)遙測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)級(jí)溫度管理；

　?。?）通過實(shí)時(shí)遙測(cè)技術(shù)提高了在故障出現(xiàn)前事先預(yù)測(cè)的可靠性；

　?。?）通過在最終模塊或者主板測(cè)試階段完全自動(dòng)化的檢查和可變電阻器微調(diào)等功能提高可制造性。

　　實(shí)際上，數(shù)字電源遲遲得不到接受是因?yàn)轭櫩驼J(rèn)為數(shù)字技術(shù)未得到證明、技術(shù)復(fù)雜及成本高昂。這不足為奇，因?yàn)闃I(yè)界在70年代末遇到了相似的情況∶當(dāng)時(shí)電源從線性改為開關(guān)式，而最初開關(guān)式也被認(rèn)為價(jià)格昂貴、不可靠（輸出噪音大）。不過，一旦顧客認(rèn)識(shí)到開關(guān)式電源所具有的優(yōu)點(diǎn)（性能更高、尺寸更小），并且學(xué)會(huì)了如何實(shí)施新的開關(guān)式電源技術(shù)，線性電源很快就被淘汰了。幾年後，隨著顧客熟悉其具有的優(yōu)點(diǎn)、市場(chǎng)上出現(xiàn)更多的提供商和解決方案、看到無需額外成本就能帶來的比模擬解決方案更好的效果，數(shù)字技術(shù)會(huì)出現(xiàn)類似的轉(zhuǎn)型。

　　從目前情況看iWatt、TI德州儀器、凌特公司（Linear Technology）等大公司紛紛推出自己的數(shù)字電源IC，這表面業(yè)界對(duì)數(shù)字電源的前景是看好的。據(jù)iSuppli和雷曼兄弟公司的報(bào)告表明，整個(gè)數(shù)字電源市場(chǎng)將在2006年實(shí)現(xiàn)創(chuàng)收1.68億美元左右，并且很快會(huì)成為電源市場(chǎng)非常重要的一部分；業(yè)界估計(jì)年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）在今後幾年將超過 100%。

　　四、數(shù)字電源IC

　　目前，比較領(lǐng)先的數(shù)字電源IC開發(fā)商有德州儀器、凌特公司（Linear Technology）、Integrated Power等大公司。下面以德州儀器的UCD7K、UCD8K和UCD9K系列數(shù)字電源IC為例，介紹數(shù)字電源IC的主要特點(diǎn)。

　　1、UCD7K數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器

　　德州儀器的UCD7000系列IC主要應(yīng)用于數(shù)字電源或者需要快速局部電流限制保護(hù)的場(chǎng)合，兼容標(biāo)準(zhǔn)3.3V DSP微控制器I/O端口。UCD7201是該系列其中之一，其功能框圖如圖1。

　　圖1、德州儀器數(shù)字電源IC UCD7201結(jié)構(gòu)框圖

　　UCD7201 可與UCD9110、UCD9501等數(shù)字電源控制器進(jìn)行雙端拓?fù)溥B接?？删幊涕T限，具備可由主控制器監(jiān)視的數(shù)字輸出電流限制標(biāo)志。高阻抗數(shù)字輸入端，可以輸入頻率高達(dá)2MHz的3.3V邏輯電平信號(hào)，引腳內(nèi)部有施密特比較器防止外部噪聲干擾。有電流限制標(biāo)志引腳。電流限制門限設(shè)置端口，可將門限設(shè)置的 0.25V到1.0V之間的任意值當(dāng)其開路時(shí)門限缺省值為0.5V。以上端口的引腳配置位置根據(jù)元件封裝不同而有所變化。該IC內(nèi)部還可以向控制器提供電源。UCD7201典型應(yīng)用電路如圖2。

　　圖2、UCD7201典型應(yīng)用（推挽轉(zhuǎn)換器）