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剖析數位電源的理解誤區
[作者 Microchip]   2019年11月05日 星期二 瀏覽人次: [1451]

數十年來,類比電源轉換器一直是行業中的主流電子器件,數位電源則是許多設計人員相對陌生的產品。公眾對於此類產品的評價見仁見智,有人稱其為電源轉換技術的新一代產物,也有人將其視作難以普及的奢侈品。


現實情況是,數位電源轉換技術可實現諸多新功能,極具系統優勢,充分滿足不同的設計需求。如果找到妥善合理的使用方式,數位電源能夠發揮巨大作用,數位技術將使我們受益。為此,我們研究了常見的理解誤區,希望幫助用戶瞭解利用數位技術實現電源轉換的正確方法,深度剖析挑戰與優勢。


誤區1:交換式電源只能是單純的類比電源或數位電源,不可並存。

交換式電源轉換系統本身就是一種混合訊號系統。脈寬調變(PWM)訊號是數位訊號,回饋訊號則屬於類比訊號。A/D轉換是連接這兩種節點的橋樑,轉換時脈精密準確。這種轉換可能發生在基於放大器的控制網路判定開關時機後,也可能發生在回饋訊號允許數位演算法決定何時進行開關時。



圖一 :  MCP19118中的類比控制環數位管理。
圖一 : MCP19118中的類比控制環數位管理。

類比控制晶片正在逐步應用提供外部控制功能的數位介面,而數位微控制器也在將實現電源控制功能的類比元件納入其中,這種情況比過去更為普遍(見圖一)。雖然電源中一直可以應用微控制器,但微控制器對於系統運行的影響力遠高於以往。或者說,整個控制循環均可透過數位訊號控制器實現。


無論怎樣,電源設計的靈活性與可調節性都會得到提升,能夠更加敏銳地回應環境條件或外部輸入。無論控制循環自身在數位環境還是類比環境中實現,都可以增加這些功能。如今,交換式電源已可根據應用需求增添數位邏輯元件。


誤區2:數位功能需要數位控制循環

控制方法只是電源轉換系統的一項功能。所有類比系統中均可使用微控制器,進而提升監控或管理能力,針對電源的監控或管理同樣涵蓋其中。根據歷史經驗,專用類比控制器件的動態可配置性非常有限,微控制器對類比控制循環的影響因此受限。


然而,與上一代器件相比,新型類比控制器件普遍採用數位介面,配置與程式設計能力更加優異。同理,帶有微控制器的整合電源轉換器產品應運而生,動態配置達到新的維度。利用智慧元件選取數位通訊介面,休眠模式、頻移、同步、軟啟動、智慧故障保護或輸出電壓/電流變化全部可以在同一電源轉換系統中以智慧方式實現,該系統可加入類比或數位控制循環中。


誤區3:數位電源的穩健性不如類比電源

穩健性(Robustness)是一項複雜的系統功能,類比或數位電源的穩健性可透過諸多措施得到提升。根據具體實施情況,類比電源中欠壓和過壓比較器的反應更加迅速,提升了針對硬體故障的回應速度,真正實現逐周期的限流。然而,在數位控制電源中,或在一些採用專用類比結構的更加先進的數位控制晶片中,上述方案同樣可以實現。數位控制器可以使用類比限流比較器。


此外,具備數位功能的電源(包括使用類比控制循環的電源)具備許多在真正全類比解決方案中難以達到的優勢。數位程式碼可提供客製化的故障或欠壓回應,包括客製化軟啟動、軟關閉、涓流充電、超時和重試方法,這些都是難以(或無法)透過類比控制器實現的功能。


數位控制循環或整合內建回饋網路可減少對於外部被動元件的依賴性,後者通常隨著時間推移發生變化或性能下降。最後,數位介面可提供診斷和報告資訊,用於識別未來可能出現的問題,避免硬體系統運行中斷。加入這些功能後,可以創造出比簡單的專用類比解決方案更為穩健的系統。


無論具體實施情況如何,所有電源均需要謹慎測試,確保產品擁有長久的使用壽命。然而,目前對數位電源系統並沒有一個基本的可靠性限制標準,導致其效能看起來不及類比電源系統。


誤區3:數位電源更加昂貴

設計人員可能認為數位控制電源比類比電源更加昂貴,但事實並非總是如此。如果在設計中使用精度稍遜一籌,但價格相對低廉的元件,數位電源的製造成本並不高昂。數位電源所需的元件數量較少,在有效降低成本的同時,還能縮減解決方案的尺寸。數位電源還能夠削減總體擁有成本。在負載條件變化的應用中,設計人員可以實施非線性和自我調整演算法,使電源達到最高效率,不受工作條件影響。


數位電源運行成本較低的另一項原因是,它可以解決元件在電源生命週期內的老化問題。如需實施預防性維護,則會通知用戶,避免出現災難性的元件故障(以及損失慘重的意外停機事故)。


誤區4:數位電源能效更高

數位控制電源可提升負載條件變化範圍較大的應用的能效。它們可利用自我調整演算法,甚至採用換相等技術修改系統拓撲,以回應工作條件的變化。數位控制電源可以使用非線性演算法和預測演算法改進瞬態動態回應。從特定設計角度而言,類比電源的能效可能與數位電源毫無差別,但類比電源的挑戰是,如果負載電流等條件偏離最優工作參數,如何實現能效最大化。


另一方面,使用數位控制器的電源能效高於需要使用類比控制器的電源。數位控制器一般更適合功率較高的應用,因為數位技術支援更全面的控制演算法,進一步降低能耗,無疑可以抵消高功率應用中控制器的能耗損失。


誤區5:數位控制器的延時對暫態反應產生不利影響

數位補償系統主要面臨兩大延時問題:採樣效應和計算時間。


對於所有電源轉換,交叉頻率(暫態反應)始終需要為相位邊限(穩定性)做出一定讓步。數位系統基本與之類似,但對數位控制系統進行採樣。定期採樣(每週期一次)在傳遞函數中增加了一個相位偏移。數位系統需要更低的交叉頻率才能實現相同的相位邊限,因此這個相位偏移難以補償(如果使用同一補償方法)。此外,處理器需要在一個開關週期內執行ADC讀取和差值計算,否則計算時間中將額外產生延遲時段。


這些不利因素可透過先進的非線性控制方法和前饋技術,以及在類比控制系統中難以(或無法)實施的演算法得到解決。缺點是針對處理性能的要求比較苛刻,需要找到平衡處理速度、開關頻率、演算法複雜度和暫態反應的折衷方案。這些都是設計上的需求,並不代表採用數位控制必定會導致暫態反應變差。


誤區6:無負載電流會導致問題

交換式電源通常以連續導通或非連續導通模式工作。在非連續導通工作模式下,電感電流在每個PWM週期結束時降為零。在連續導通工作模式下,電感中可保持持續的電流。連續導通的優點是,電感電流不必在每個PWM脈衝中從零斜升,可為每個PWM週期提供更高的電流。


然而,為了保持穩定性,誤差放大器/環路濾波器必須擁有合適的極點和零點組合。很遺憾,如果連續導通設計中的電流回落為零,控制循環的穩定性就會受到影響。


為了應對這一問題,先前的設計中通常規定一個最低電流,或在輸出電路中加入一個負載電阻(強制連續導通,FCC)來保證最低電流。令人欣慰的是,同時處理連續和非連續工作模式(PWM和PFM)的電源控制器已經問世,其可透過監控電路確定模式切換的正確時機。


因此,儘管模式切換曾是電源控制器設計的阻礙,但自動處理模式切換的新型控制器有效解決了這一問題,這種阻礙終究只是技術發展中的小插曲。


誤區7:數位電源設計困難

數位控制電源的設計難度不一定高於類比電源,二者只是存在差別。這兩種電源的功率傳輸系統設計非常相似。控制循環或補償器設計在數位控制器韌體中實現,而非類比電路。器件的極點和零點位置可用於定義補償器特性(與類比電源設計相同),但如果是數位補償器,通常使用軟體工具配置控制循環的最優回應。例如,Microchip的dsPIC數位訊號控制器系列產品使用高度優化的軟體庫,其中包括常見的2P2Z(II型)和3P3Z(III型)補償器演算法,使用者可瀏覽Microchip網站免費下載。設計人員無需親自編寫軟體來實現這些功能。



圖二 : 上圖為開關電源中數位控制環需要使用的硬體,下圖則為等效的模擬控制環。
圖二 : 上圖為開關電源中數位控制環需要使用的硬體,下圖則為等效的模擬控制環。

此外,根據透過設計工具匯出的係數,可針對特定功率傳輸系統調整這些演算法。


誤區8:數位電源設計比類比電源設計容易 [因為前者只是軟體]

數位電源使用軟體控制演算法,但這無法顯著簡化設計。設計人員仍需全面瞭解控制系統,然後將功率傳輸系統的頻率回應設計為能夠正確配置所用的基於軟體的補償器。另一方面,與調整所需硬體來改變電源相比,使用軟體調整電源運行以微調相關結果更加容易。


誤區9:只需使用DSP,數位電源即可替代一切:

雖然許多權威人士推崇數位電源,將其視為解決所有問題的「靈丹妙藥」,但其應用確實存在局限性。 例如,將所有處理能力集中到手掌大小的MP3播放機中,使用內置的鋰離子電池供電,目的只是提升電源電壓,這種做法毫無意義。另一方面,白金級伺服器電源需要利用數位電源轉換器的功能,有效提供所需的電源輸出,快速回應負載變化。


例如,手機基地台在發射器開啟時電流消耗極大,但其耗電量在發射器關閉後顯著下降。發射器的控制器控制發射器的開啟時機,進而對電源轉換器發出警報,調節平均電流的上升情況。因此,當發射器接通時,電流已經存在。此舉可避免在發射器接通後,環路濾波器響應過程中產生壓降。這是數位電源一項強大的功能,也從側面證明了設計的複雜性有所增加。


另一方面,電源需求相對恒定的系統可以使用設計相對簡單、複雜性更低並且更加節約成本的類比系統。畢竟考慮到成本因素與設計簡易性,基於ASIC的穩壓器仍是用戶首選,地位難以撼動。


誤區10:軟體定義電源將成主角

根據數年前的預測結果,軟體無線電(SDR)將替代原有產品,逐漸成為無線接收器的主流設計方案。雖然具備諸多優勢,但SDR一項主要缺陷嚴重限制了它的應用,即需要使用10到100 MIPS的處理器接收頻率。即使系統利用類比混頻器將射頻(RF)訊號轉換為頻率較低的中頻(IF)訊號,也依然需要達到10到100 MIPs。除了處理解調,處理器對其他問題束手無策。顯而易見,該方案的性價比毫無優勢。


目前軟體定義電源(SDP)將成為行業主流產品的論斷並不科學。線性穩壓器的簡易程度與價格的確優於其他任何產品。但是,即便能夠以同等價格購買MIPS指標滿足要求的處理器,仍需使用5V線性穩壓器引導電源,以便處理器啟動。儘管SDP在電源領域具有一定地位,但實際只達到了「物盡其用」,提供相關功能而已。無論過去還是未來,SDP都不會成為電源轉換的通用解決方案。


結論

我們通常很難區分無意義的行銷資訊與精準的分析資料,不斷變化的市場形勢(例如當今的電源市場)更是增加了鑑別資訊的難度。技術變革的宣導者對新興技術帶來的優勢不吝讚美之詞,但經常忽視將會面臨的挑戰。相反的,思維保守的人只關注技術難關,辯解說「切莫大費周章,弄巧成拙」。


當然,我們不會邁向任何一個極端。我們通常以折衷的思維進行設計和工作,挖掘新技術的優勢,保留原有技術的精華,積極探索正確的技術組合,迎合當前設計需求。正因如此,Microchip提供廣泛的電源解決方案組合,涵蓋數位電源與傳統類比電源。技術領域沒有絕對的優劣之分,探索博採眾長的解決方案才是理想的發展之路。


(本文作者Fionn Sheerin1、Keith Curtis2、Tom Spohrer3、Terry Cleveland4為Microchip公司1類比電源和介面產品部資深產品行銷工程師、2 MCU8部門主管級技術工程師、3 MCU16部門產品行銷經理、4類比電源和介面產品部經理)


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