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大话数字电源——折衷是不可避免的

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2019-08-13 10:51:53

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。”

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。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。


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文章出处:【微信号:EngicoolArabic,微信公众号:电子工程技术】


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