数字电源开辟电源管理新空间

2008-04-21 02:18:32来源: 中国电子商情网
过去数十年来,全为模拟技术掌控的电源管理世界,现在正开始融入数字技术。“数字电源”开始受到业界关注,一些老牌半导体厂商以及新兴的IC供应商率先投入到这个新的竞技场。TI、Microchip、Zilker Labs、iWatt、Silicon Labs等公司纷纷推出各自的数字电源产品。此外,一些市场调研机构也对数字电源的前景表示乐观,据Darnell的数据显示,2006年全球数字电源芯片市场为1.69亿美元,预计2010年将达到7.96亿美元,年复合增长率为36.4%。iSuppli公司电源IC分析师Chris Ambarian表示,30年前电源行业开始转向开关模式电源MOSFET,这是一个很大的变化,而现在电源数字化趋势可能是更大的变化。

数字电源 Vs. 模拟电源 合适就好

对于数字电源这个“新生”事物,业界不仅有热情的掌声,同时也不乏质疑的声音:电源系统真的需要数字控制吗?为什么要采用数字电源管理?模拟阵营的拥戴者认为,与数字方案相比,模拟设计的成本更低,现代的模拟实现方法实际上表现更为出色。

就让我们先了解一下什么是数字电源管理,严格来说数字电源管理必须分成两个层面,一是功率转换部分,另一是控制回路部分,功率转换负责决定要输出的电压准位,例如要3.3V或2.5V等,而控制回路则用来确保输出值的稳定,一旦输出电压过高或过低,回路将透过感测、回授等动作对输出进行修正。

以数字方式实现、操作“功率转换”其实已不是新鲜事,许多CPU都能动态输出一组数字数值,告知供电系统CPU目前需要何种准位的工作电压,供电系统接收到数值后就会对应调整输出电压,这样的技术已运用多年,且需求愈来愈普遍。

比较特别的是“控制回路”部分,一直以来控制回路都是用模拟方式实现,透过误差信号的放大器、参考电压、电压比较器运算放大器

等来稳定供电输出,而今日提出的数字作法,是将误差信号透过模拟数字转换器(ADC)转换成数字数值,再将数值传递给微控制器(MCU)或数字信号处理器DSP),由MCU /DSP进行运算,运算后再由MCU /DSP对输出电压进行调整修正,以此来控制输出,更具体而言此当称为数字供电控制(Digital Power Control)。

所以,目前业者力推的数字电源管理方案也必须进一步理清,有些业者推行的是功率转换部分的数字化,但控制回路部分仍采模拟设计,另一种则是两个部分都以数字化方式设计,现在功率转换部分使用数字方式已是共识,但控制回路的部分就产生了诸多争论,因为控制回路以数字方式实现有其利弊,并非一切特性都优越于传统模拟方式。

先说明模拟,模拟控制回路的好处是设计简单、成本低廉、控制回路本身所需的用电少、不需要额外的供电电压、补偿原理容易理解、已历经多年实证、没有系统性抖动的问题。缺点是无法进行较细腻的供电监控(容易受温度改变、电路老化、其它特性误差或偏移所影响)、若想改变转换效率必须修改电路、只能使用简单的算法跟控制拓朴。

相反的,数字控制回路的好处就是能进行各项细节监控(温度、偏差、过电流等)、能用较模拟低廉的成本来实现控制演算、改变转换功率只要事先将条件写入控制程序内即可达成,或者是透过程序更新来达成,总之都不需要修改设计电路即可完成改变(避免产品要召回修改)。

当然,数字作法的缺点就是较贵的成本、较复杂的设计(也较耗占电路空间)、较多的用电、需要为MCU(有时还要用上EEPROM来储存演算程序或控制参数)、ADC准备额外的工作电压、有抖动问题、实证尚少、补偿作法较复杂等。

也因为数字方式比较灵活,所以在功率转换上也更具弹性效益,而模拟方式仅能有一种固定的演算控制法,当负载过轻过重时转换效率就会降低,而无法动态调整因应。反过来,数字方式需要高速取样、高分辨率的ADC,以及高运算效率的MCU或DSP,如此会增加控制回路的用料成本。

整体来说,模拟仍持续在简单型、价格取向的应用中占优势,而数字作法将在复杂、灵活需求中率先采用,不过随时间推移将愈来愈对数字作法有利,如同今日愈来愈多东西都已换成数字型式,如模拟相机换成数码相机、模拟电视换成数字电视,如今供电控制也逐渐数字化中,至于功率转换部分的数字化进度更快。

事实上,数字与模拟这两种技术并非针锋相对,很多情况下二者甚至是互补的。在电源设计领域,模拟技术的优势依然存在,而数字技术的价值也会根据不同的电源应用而有所差异,以模拟控制架构为例,其内部脉宽调制电路即包含了数字电路,例如:时钟、门电路等。三十年后,数字脉宽调制(PWM)成电路同样也包含了明显的模拟电路,如:ADC、基准源、放大器等。因此,正确的方案选择取决于电路功能的合理划分,而正确的划分又与当前可以利用的技术和系统需求有关。因此,当前的划分标准可能不同于将来的标准。对于选择数字电源还是模拟电源这个问题,其原则应该是“合适就好”。

数字电源新品迭出

数字电源解决方案具有多大吸引力,这可以从众多供应商纷纷宣布推出产品当中一目了然。

TI 新一代数字电源控制器UCD9240

德州仪器(TI)宣布推出了第三代Fusion Digital Power控制器UCD9240以及全新插入式模块,进一步升级当今电源系统管理的智能化程度。这种全配置且功能丰富的电源管理产品,实现了对多达四个独立数字控制环路和八种相位的数字化管理,同时还将轻负载条件下用电效率提高了30%。

TI的四通道输出多相位UCD9240电源系统控制器采用250皮秒分辨率的数字脉宽调制(PWM)技术,并可通过图形用户接口(GUI)进行全面配置,实现对DC/DC负载点电源转换进行监测、控制与管理。GUI配置功能使设计人员能够对电源电压、电流阈值与响应、软启动、容限、排序、跟踪、相位管理、环路响应、风扇控制以及其它众多参数和功能进行全面的智能管理。

UCD9240采用Fusion Digital Power外设,可实现全数字环路控制,并支持高达2MHz的开关频率。该控制器正常工作时的最小电源电流仅为40mA,支持高达100条PMBus接口指令,可实现电源的控制、配置和管理功能。

TI提供种类繁多的数字电源IC产品,以便在简单易用的可视开发环境中以高系统智能与性能实现电源系统的数字控制。从Fusion Digital Power系列的UCD9K与UCD7K控制器和电源驱动器到基于DSP的全面可编程高性能TMS320F28x控制器,TI数字电源解决方案针对多种应用领域进行了优化,从负载点到高功率AC/DC转换器等无所不包。


Primarion双输出同步DC/DC控制器

Primarion公司近日宣布推出双输出双相PX 7522,这款产品是其可编程数字电源转换和电源调节集成电路产品即Primarion Di-POL(TM)系列中的最新产品

PX 7522是一款电源转换和电源调节集成电路,可用于电信、数据通信、在线服务和存储市场上的同步DC/DC转换器中。PX 7522可以调节两个独立的输出或者在单输出模式下调节两相输出。 它同时支持DCR和RDSon电流传感集成电路布局技术,输出电压范围宽,在0.5V到8V之间。这款可配置性极高的控制集成电路利用了PMBus和芯上非易失性存储器(NVM)来增强其可控制性和实时系统监控。

PX 7522的控制功能利用了数字技术,可以在提高输出负荷的前提下提供合适的、稳定的和灵活的解决方案。Primarion在它上面集成了行业标准I2C PMBus串行接口,从而让电源设计者可以迅速优化设计和监控实时系统性能。

用户们可以通过Primarion公司的图形用户界面将PX 7522的配置数据载入、编辑和保存在芯上非易失性存储器上。配置数据保存在集成电路上之后,控制器就可以按照设计师预先定好的设置进行实时调整,从而优化性能准确度。

许多配置方面的功能通常都需要一个外接微控制器利用其他技术完成。由于全数字控制、PMBus接口和用户友好的图形用户界面带来的高度灵活性,用户在现有系统中就可以完成对PX 7522的电源管理性能的优化工作。

利用这个创新而易用的解决方案,客户们不但可以节省成本开支,还可以改善系统级性能,Primarion公司将继续推动数字电源管理的发展,它的产品可用于电信、数据通信、在线服务、存储器和图像市场的集成电路厂商。

Zilker Labs高集成度3A电源管理与转换IC

Zilker Labs日前推出整合了全数字电源管理功能的3A电源转换单芯片解决方案。该公司表示,ZL2105将Zilker Labs的创新Digital-DC技术扩展到了低功耗应用领域中,并且在6×6毫米的小型封装中将同步降压转换器(包括同步功率MOSFET)与关键电源管理功能进行了完美结合。具有全数字电源管理功能的ZL2105仅需不足两平方厘米的板面空间,这表明其尺寸及元件数减少了50%。如同所有Digital-DC IC,ZL2105可作为数字构建块,能够与其它Digital-DC器件进行完美结合,以提供面向板装电源管理与转换应用的全面解决方案。

通过简单的引脚带连接、电阻选择,或通过该器件上的板上串口,使用业界标准电源管理总线(PMBus)命令集可对Zilker Labs的Digital-DC产品进行全面配置。这些单芯片Digital-DC产品具有数字电源技术的可配置性、控制及监控功能,且效率毫不逊色。此外,它们还消除了用户编程的需要。为将多个Digital-DC IC整合在给定的应用中,设计人员只需通过引脚带选择对每个IC进行配置,并将每个器件的串行总线(SMBus)连接起来即可。然后这些器件便可通过SMBus相互通信,并可独立于主机控制器运行。这些器件可单独加以监控,也可作为一个系统加以监控。

Silicon Labs高速、高集成度四信道数字隔离组件
Silicon Laboratories为进一步扩大其数字化电源产品阵容,日前推出业界高性能、容易使用和低成本的Si844x 2500VRMS数字隔离组件。这颗正在申请专利的数字隔离组件利用标准全CMOS技术制造多组芯片级变压器,以提供高集成度的4信道隔离功能,据称不但体积只有其它光耦合解决方案的三分之一,最多还能节省一半的零件成本。Si844x的数据速率比现有数字隔离组件快五成,每个信道在100Mbps速率下耗电量还不到12mA,最适合开关电源以太网和CAN网络以及隔离式模拟数据撷取等应用。

相较于采用多颗分立组件的其它隔离技术,Si844x单芯片解决方案可以大幅简化电路布局设计。Si844x是以一套专利架构为基础,其所独家采用的射频编码和译码机制不需要特别考虑或初始设定就能提供强固可靠的隔离数据路径,这使它成为业界效能最强大的数字隔离组件。传统隔离方法的速度通常极慢,操作特性也会随着温度和时间改变,Si844x组件的速度最多比其它隔离技术快1500倍,操作特性也不会随着温度、供应电压或时间而任意改变。

“Si844x是Silicon Laboratories数字化电源产品线的进一步延伸,它利用专利技术提供效能无与伦比的高集成度电源解决方案。”Silicon Laboratories电源产品主管Don Alfano表示,“这颗数字隔离组件是一套符合业界标准的单芯片解决方案,它能用于任何需要电压隔离、电压位准转换或接地回路消除等功能的应用,这也让我们的电源供应客户有更多产品可供选择。”

结语

总之,数字电源技术为电源设计领域注入新的活力,同时也为电源设计人员带来新的挑战。如何在传统技术的基础上不断创新,设计出满足未来市场需求的电源系统正在成为电源设计工程师必须面对的新课题。 
 

关键字:数字电源设计

编辑:吕海英 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/newproducts/others/200804/article_17849.html
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