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数字电源的特点与发展现状

作者:半导体应用网/陈凯 吴锦虹?? 2007年09月26日 ?? 收藏0

  随着半导体工艺技术的不断升级,电路板上的元器件运行速度更快、体积更小,而且还要求更多、更低的供电电压和更大的供电电流;最终系统的功能不断增加,平均售价却不断下降。此外,用户对电源的故障修复时间、电源运行状态的感知与控制的要求越来越高,电源设计人员不再满足于实时监控电流、电压、温度, 还提出了诊断电源供应情况、灵活设定每个输出电压参数的要求。这些需求已是今日的模拟解决方案难以满足的。因此,作为电源管理发展的新思路的数字电源应运而生,其目标就是将电源转换与电源管理架构用数字方法集成到单芯片中,实现智能、高效的转换与控制及通信。

  数字电源是采用数字方式实现电源的控制、保护回路与通信接口的新型电源技术。可编程、响应性和数字环路控制是表征数字电源的3个主要特征。

  随着电源系统的性能和功率的不断提高,实现电源性能指标所必需的元件数量和成本也随之增加,越来越多的控制需要通过具有成本效益的数字电路实现。一般认为,在设计DC/DC变换器时,通常100W以上的系统中会应用数字控制技术;而在设计AC/DC变换器时,250W以上的系统会应用数字技术,这样电源的经济性会更高一些。因此,在未来的

电源系统中,模拟与数字技术将共存相当一段时间。30年前,电源行业转向开关电源是一个很大的变化,而电源数字化趋势将会是一个更大的变化。

  模拟电源的优势与不足

  目前,除了一些专门用于微处理器的转换器之外,市场上大多数砖形转换器、中间总线转换器及负载点POL转换器仍采用模拟控制。这是因为许多模拟电源系统经过了多年的检验,可靠性还是很高的。

  可尽管模拟电源解决方案的成本、性能(如负载变化时的电源响应时间)、占板面积等指标都优于当前的数字电源解决方案,但对开发人员来说,它完全是一种固定模式的黑盒应用,抑制了开发人员发挥创造力的激情。对电源进行同步跟踪、电压排序、故障诊断及适应环境变化的能力还是比较差的。

  目前,许多高性能的DC/DC转换器仍通过简单的无源器件产生的模拟信号进行设置和控制。即使是具有最先进拓扑结构的高性能转换器,也还需要使用外部电阻、电容来确定诸如启动时间、输出点值及开关频率等参数。这些电阻、电容的值都是设计调试时确定的,制造完成后不可轻易更改,因此自适应的电 源管理方案也就不可能实现。而且,为实现更多功能,就要设计更多的直接反馈电路,所以模拟控制环路会变得非常复杂。

  传统的模拟控制架构已经使用多年,但仍有不少缺陷。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使 用时间、温度和其他环境条件的变化而变动,从而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,它总是面向一个范围狭窄的特定负载,因此无法为所有电压值或负载点提供最优化的控制响应。换句话说,如果你需要一个可以在很多产品中重复使用而不必更换部件的设计平台, 则模拟方案难以胜任。除此之外,模拟系统的测试和维修都非常困难。

  数字电源的优势与不足

  数字电源正是为了克服现代电源的复杂性而提出的,它实现了数字和模拟技术的融合,提供了很强的适应性与灵活性,具备直接监视、处理并适应系统条件的能力,能够满足几乎任何电源要求。数字电源还可通过远程诊断以确保持续的系统可靠性,实现故障管理、过电压(流)保护、自动冗余等功能。由于数字 电源的集成度很高,系统的复杂性并不随功能的增加而增加过多,外围器件很少(数字电源的快速响应能力还可以降低对输出滤波电容的要求),减少了占板面积, 简化了设计制造流程。同时,数字电源的自动诊断、调节的能力使调试和维护工作变得轻松。

  数字电源管理芯片易于在多相以及同步信号下进行多相式并联应用,可扩展性与重复性优秀,轻松实现负载均流,减少EMI,并简化滤波电路设计。数字控制的灵活性能把电源组合成串联或并联模型,形成虚拟电源。而且,数字电源的智能化可保证在各种输入电压和负载点上都具有最优的功率转换效率。

  相对模拟控制技术,数字技术的独特优势还包括在线可编程能力、更先进的控制算法、更好的效率优化、更高的操作精确度和可靠性、优秀的系统管 理和互联功能。数字电源不存在模拟电源中常见的误差、老化(包括模拟器件的精度)、温度影响、漂移、补偿等问题,无须调谐、可靠性好,可以获得一致、稳定的控制参数。数字电源的运算特性使它更易于实现非线性控制(可改善电源的瞬态响应能力)和多环路控制等高级控制算法;更新固件即可实现新的拓扑结构和控制算法,更改电源参数也无须变更板卡上的元器件。

  数字控制还能让硬件平台重复使用,通过设计不同固件即可满足各种最终系统的独特要求,从而加快产品上市,减少开发成本、元器件库存与风险。


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数字电源? 模拟电源? PMBus?

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