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走进数字电源新时代

信息时间：2006-06-27 信息来源：

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      近来，市场对数字化电源的需求已大幅攀升。先进的半导体工艺技术不但使元器件速度更快、体积更小，而且它们还要求更低 (密度更大) 的供电电压和更高的供电电流；在此同时，最终系统的功能持续提升，而体积和平均售价则不断下降。这些因素迫使电源设计者要不断地开发出更精确、响应速度更快、效率更高、体积更小、成本更低和上市时间更快的电源产品。面对这些问题，传统模拟控制解决方案正逐渐变得束手无策。
    根据定义，数字化电源控制器会在数字域 (digital domain) 执行所有系统控制算法。它会将所有模拟系统参数转换成数字信号，并在数字域利用这些数据计算控制响应，然后将新产生的控制信息回传给系统。任何控制器只要不能完整做到上述功能就称为“数字辅助”产品。电源业者大都认为真正的数字化电源是解决这些困境的关键技术。数字控制的精准和算法特性可用来发展更先进的控制算法以提高系统效能，例如执行非线性控制来改善瞬时响应能力。数字电源的高集成度带来了小巧而且低成本的控制解决方案，其可编程能力促进了硬件平台标准化和软件定制化，进而提高生产效率并加快新品上市进程。
数字化电源控制的优点
      传统的模拟控制使用比较器、误差放大器和模拟调变器等元器件来调整电源输出电压。虽然这些为人熟知的电路架构已经使用数十年，它们仍受到许多限制。举例来说，模拟控制电路因为使用许多元器件而需要很大空间，这些元器件本身的值还会随着使用时间、温度和其他环境条件的变化而变动，并对系统稳定性和响应能力造成负面影响。模拟控制的控制响应特性是由分立元器件的值决定的，因此无法为所有电源值或负载点提供最优化的控制响应；除此之外，模拟系统的测试和维修都非常困难。
      数字控制型开关电源（SMPS）的灵活特性让它们在许多方面胜过了模拟技术。与模拟控制一样，数字控制也采用闭环回路反馈控制理论来稳定电源输出电压，只不过数字控制型电源会用一个模拟数字转换器把模拟参数（如输入和输出电压以及电流等）转换成数字信号，然后完全在数字域里对这些参数进行必要的处理。它会立即将输出电压转换成数字数据并传送给一个数字控制器，再由数字控制器利用这些信息计算出新的控制输出。
      相较于模拟控制器，在数字域执行控制计算可以提供许多优点。数字的演算特性使它能实现更复杂的控制算法，例如实时改变控制响应特性能让电源在各种输入电压或负载点下都能达到最理想的操作结果。数字化电源还具备完整的可编程能力，这使它们的修改非常容易。数字控制可以省下原本需要外接的临界值设定和时序元器件，不但节省成本和电路板面积，还能避免分立无源元件的生产变异、温度梯度和元器件公差等问题。它还能发挥各种经济优势，包括更低成本、更大的最终产品市场和更多的用户IP功能模块。数字控制还能让硬件平台重复使用、加快产品上市日程，并减少开发成本与风险，例如可以利用一种硬件平台设计多种电源产品，再透过不同固件满足各种最终系统的独特要求。设计人员只要修改固件就能开发出不同的电源产品，不但能加速产品上市日程，还能减少元器件的库存。
Silicon Laboratories的Si825x系列
      Silicon Laboratories采用独特的数字化电源控制并开发出一套架构，其中包含主回路控制所需的硬件DSP和提供系统管理功能的辅助微控制器，这使它兼具DSP和固定功能硬件解决方案的优点。Si8250将主回路控制和系统管理功能集成至单一封装，以简化系统设计，并节省成本与空间，这与DSP解决方案完全不同。另外，Si8250的体积只有其他解决方案的1/10，而且功耗更低，价格也只有其他方案的一半。
      Si825x包含开关电源主回路控制所需的专属硬件DSP和负责系统电源管理功能的辅助的50MIPS 8051微控制器，见图2。主回路DSP滤波器引擎提供两倍于其他DSP器件的专属带宽，操作电流消耗则比其他DSP减少15%，这能简化控制器的偏压电源设计，并在负载较小的时候维持较高的工作效率。50MIPS的嵌入式微控制器则通过低带宽系统优化和保护功能(例如电流过载保护、电压过载保护、过热保护、软启动和软停止等)以支持系统电源管理。Silicon Laboratories还为Si8250提供一套易于使用的工具，它能利用用户现有的S域设计法，并将数字化电源设计的学习难度减至最小，进而加快产品的上市日程。
      服务器和电信系统的负载点转换器是目前最常见的数字化电源应用，这类应用需要高效率、快速瞬时响应和通讯连结能力（目前主要指PMBusTM，这种「标准化」串行通讯协议可以让系统主处理器与电源控制器「交谈」以便要求数据或执行命令）。其他应用则会使用砖型 (brick) 或模块等电路板安装式的电源产品，它们的主要考虑是高功率、高电流密度、高效率和快速瞬时响应的某种组合，这类应用包括工业自动化系统以及医疗诊断和治疗设备。Si825x系列特别适合这些应用。
      所有电子系统都需要系统电源提供稳定精确的电压才能正常工作。开关电源由于工作效率远超过传统的线性电源，因此常用于电源输入与输出相差很大的应用或是高功率应用。
      一个典型的开关电源由单级或多级电源转换电路组成，它们会由控制电路以很高的频率不断开启和关闭（又称为调变）。每一级电源转换电路通常都会包含开关器件 （如MOSFET、IGBT或二极管）和电感储能电路。
      电源转换级电路的设计通常会让其输出电压正比于控制器输出脉冲的宽度，因此控制器通过不停地从参考电压中减掉输出电压，然后调整脉冲宽度让其相差值等于零，以保持稳定的输出电压，这个过程称为脉冲宽度调变(PWM) 稳压。控制器除了提供PWM稳压器功能之外，还必须提供安全保护以确保系统在电源发生故障时不会损坏。电源转换电路的架构和控制机制可分为许多种，它们各有各自的优缺点。Silicon Laboratories Si825x数字化电源控制器的弹性足以支持这些电路架构与控制机制的多数组合方式，进而提高电源的工作效能并减少控制器的体积、成本与复杂性。