针对数字高性能负载应用的智能全集成数字电源解决方案
发布时间：2014-12-16 10:17
发布者：designapp
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节能环保已成为今天电源解决方案的发展主旋律。电源系统正面临前所未有的挑战：环境的恶化迫使人们不得不考虑采用更加清洁的替代能源；电子设备的发展也亟需提升现有电源系统的转换效率。通过提高电源系统转换效率，优化不同负载条件下的功耗以及采用新型绿色能源，可实现节能环保的目标。 空间受限的应用以及散热的挑战 在高性能、大功率电源设计不断需要更多功率的同时，它们在可用电路板空间上变得越来越受到限制。此外，不管电源设计人员是否经验丰富，功率密度都给他们带来了极大的新挑战。一般情况下，这些设计需要具有高于90%的转换效率，以限制电源的功耗和温升。因此，热性能设计尤其重要，因为用于散出、由DC/DC电源转换损耗和有限的空气流动产生的热量的空间非常小。除此之外，这些电源必须有卓越的输出纹波和瞬态响应，同时还必须限制所需的外部电容以缩小电源设计的总体尺寸。 以服务器为例，在此类特殊的高功率系统中，足够的散热空间和冷却是十分必要的。就任何POL转换器而言，紧凑、高效并具有低静态电流以满足这些新绿色标准的要求极为重要。此外，很多微处理器和数字信号处理器都需要内核电源和输入/输出电源，它们在启动时必须进行排序。设计工程师必须考虑在加电和断电操作时对内核和I/O电压源的上电电压进行排序，以符合制造商的性能规格要求。如果没有恰当的电源排序，就可能产生闭锁或者过大的电流，导致微处理器I/O端口或者存储器、FPGA、PLD或者数据转换器等器件的I/O端口损坏。 让系统设计师烦扰的一个常见问题是应采用单级转换还是两级或者更多级转换，比方说从48V到1.xV，是一次转换，还是从48V到12V中间总线架构，然后再利用负载点（POL）转换器从12V转换到1.xV。具体采用何种架构取决于很多因素，包括根据系统类型、采用的设计方法以及其他因素来决定。然而不管采用哪种架构，电压不断下降的同时对电流有更高需求的应用，持续推动着很多这类大功率系统的开发，并推动着对于电源IC技术的不断改进。总体来说，在对电源转换效率产生最小影响的前提下允许采用更高的开关频率，还可以依靠降低开关损耗和导通损耗来提高电源效率性能。分立式电源设计是将传统的电源模块和分立元件一起放置在一块印刷电路板上，由于外形尺寸的影响而导致电气性能和热性能均受到限制。因此，关键是提供一个完全集成并提高电气和散热性能的电源解决方案，同时又能给工程师提供一个易于使用和灵活编程的紧凑型方案。 Altera旗下Enpirion品牌的PowerSoC采用独特的MEMS电感集成技术和EDMOS开关管集成技术，在实现高功率密度和更高效率性能的目标上大大前进了一步。其能够满足高性能、大功率空间受限电源设计面临的巨大挑战。 其实，大功率POL稳压器是空间受限电源设计的一个很好的例子。这种类型的电源在大型系统板上一般放在非常靠近微处理器、FPGA或者ASIC的地方，为这些器件提供全部所必需的功率。大型数字器件常常需要范围为几安培至100安培以上的电流。大型系统板常常需要几个这样的POL电源，因此为这些电源设计中的每一个分配空间带来了挑战。除此之外，系统板的背面常常是高度受限的，一般不适合电源设计。分立电源转换器一般会利用系统板的两面实现紧凑型设计，而传统电源模块设计由于其高度太高，将仅限于系统板正面。Altera新推出的一系列电源集成方案都实现更低的方案尺寸和器件高度，非常适合空间受限的大型功率应用，例如可提供连续输出电流30A的数字电源方案EM1130。该产品集成电感、开关MOSFET、控制器和补偿回路，整体器件尺寸只有11mm×17mm，高度仅有5mm，整个方案整体的占位面积小于360mm2，并有进一步缩小方案尺寸的潜能。   图1 全集成的30A数字电源EM1130以及方案占位图 另外一个引人注目的用于POL DC/DC转换的IC是EC7401。该器件是一个4相同步降压型开关控制器，具有跟踪功能，用于驱动外部互补功率MOSFET。其具有MOSFET VDS检测的恒定功率，电流模式架构消除了对电流检测电阻的需求，降低了成本并提高了工作效率。让多个Powertrain ET4040以异相工作，最大限度地降低了由输入电容器ESR引起的功率损耗和噪声。EC7401+ET4040方案还极大地降低了输入和输出电源上的峰值辐射和传导噪声。这使符合国际EMI标准更加容易，100%占空比能力提供了低压差工作性能。 由于在一个给定机箱内的空间和冷却受限，以及需要正确的电源跟踪以改善系统可靠性等多种限制因素，用于大功率的POL DC/DC转换器的设计工程师面临很多挑战。尽管市场上产品设计周期在日益缩短，因为Altera的PowerSoC系列产品易于使用，所以可以缩短产品从开发至上市的时间，并最大程度地降低了设计难度。 需要满足更严苛的电气性能 电气系统节能在全球的势头正在增强，就产生和消耗而言，成本节省太具有吸引力了。迎接这一挑战的是电源管理IC供应商，他们正在采用新的设计方法，以在其产品中对数十安培负载电流实现高效率转换。同时，他们还在IC置于备用或者停机模式的同时实现更低的静态电流。 设计工程师需要应对的挑战是，满足所有系统内核中不断增加的高性能DSP和ASIC电气性能要求。主要性能问题包括电压稳压、电流瞬态响应和噪声。 稳压和电流瞬态响应密切相关。为了在解决方案尺寸越来越小且功耗越来越低的情况下获得更高的性能，要使用所需电压也不断降低的更小晶体管工艺来制造数字半导体。现在低于1V的内核电压要求将成为标准的电压要求。除了低压以外，对电压容差的要求也越来越高。目前常用的标准是：线路（输入电压变化）、负载（负载电流微小变化）、时间、温度和电流瞬变等造成的总电压容差不超过3%。这样，电源设计人员就只有30mV的电压空间来满足所有的数字系统要求。线路、负载、时间和温度等DC参数还要占用大约一半（15mV）的容差预算。剩余的15mV则用于处理计算或数据传输负载带来的突发电流变化（1个至3个时钟周期）。 如果内核电压超过规定容差极限，那么数字IC可能会开始复位，否则就会产生逻辑错误。为了防止这一情况的发生，设计人员需要特别注意所使用的POL模块的瞬态性能。数字负载（例如最新的Altera Arria10）要求极为快速的瞬态响应和极低的电压偏离。为了达到这些目标，许多附加的输出电容器通常会被添加到DC/DC转换器中，以提供直到其反馈环路能够响应的保持时间。从而构成完整的电源解决方案。 多年来，电容技术不断发展，容积效率不断提高，即便使用更高的容积效率，整个电源解决方案也会超过单个电源模块体积的两倍。这就要求占用PCB较大的空间。然而，在今天更为小型化的系统中通常不能提供这样大的空间。另外，在计入电容器成本的情况下，电源材料的整体成本也会超出电源模块成本许多。 随着DC/DC电源模块技术的不断创新，系统设计人员现在可以在使用更少输出电容的同时，获得更快的瞬态响应、更小的电压偏离。Altera推出的更新版本Cyclone V SoC的电源参考设计，便是一个典型的例子。这些高度集成的电源解决方案可以使得输出电容的数量减少一半（10个减为5个），极大程度地帮助用户简化了电源设计难度和成本。影响POL转换器性能的另一个决定性因素是噪声。开关式POL运行在不同频率上并共享一个共有输入总线时，由此产生的不同频率及其差异会造成拍频问题，对EMI滤波造成困难。Enpirion的EM1130模块具有Sync同步特性，该特性使得设计人员能够将多个EM1130模块的开关频率与特定频率同步，从而消除拍频，并使得EMI滤波更加轻松，而同时又不会增加任何的系统额外成本。  图2 降低输出电容的数量简化电源设计尺寸和成本 数字电源的发展趋势 10多年前，当数字电源产品第一次出现时，大多数的电源设计工程师都对利用DSP的数字电源控制器代替模拟的PWM控制器的概念持怀疑态度，因为人们容易将数字电源和软件故障或者是因为系统死机引起的电源爆炸事故联系在一起。在包含了数字通信和控制复杂的功率系统所必需的全部功能性产品面世之前，这些基本概念是通过高成本的DSP或者性能有限的FPGA得到验证的。虽然数字电源技术已被证实具有提高功率系统性能的能力，但业界还不能接受利用数字技术处理原来一直通过模拟方式完成的工作。在过去的几年间，数字电源技术取得了巨大进步，市场分析人士以及投资者对其未来增长潜力非常乐观。 首先，我们要了解一下当前数字电源市场有哪些不同的解决方案，先了解清楚数字电源究竟意味着什么是很重要的。功率系统监视、监测、故障检测和数据记录是“数字电源管理”的一个重要方面，其可以通过价廉的微控制器、FPGA或者PLD实现，而时基要求比较低。不过，数字电源更具有挑战性的例子是“数字控制电源”，其中有一个或多个电源控制环路，以高速模数转换器（ADC）和微控制器、状态机或DSP控制算法为基础。 根据半导体市场研究机构IMS估计，全球数字功率半导体市场将从2012年的27亿美元增长到2017年的124亿美元。服务器现在是数字电源的最大单一市场，预计2013年占到整体营业收入的33%。2012-2017年该领域的复合年度增长率将达44.8%。增长最快的数字电源应用领域将是照明，预计2012至2017年，该领域的复合年度增长率将达146%。其中来自LED照明解决方案的使用不断增长，尤其是需要满足切相调光解决方案适合采用数字电源控制来实现对不同相位调光器的兼容性。同时，笔记本与平板电脑中的PFC数字电源的复合年度增长将分别达99%和82%。主要家用电器中数字电源将增长76%，手机中数字电源将增长52%。从中可以看出，未来几年内数字电源的营收增长势头将远远超过模拟电源。 迄今为止市场上出现的专用数字控制器中，大多数是隔离DC/DC和AC/DC功率因数校正（PFC），它们之所以在市场上获得更多认可的原因，主要是在于最近几年市场上蓬勃发展的智能手机/平板快速充电的需求日益提高，和更加节能绿色的LED照明替换传统照明的大势所趋。此外，市场上对非隔离DC/DC功率转换（例如电压调节模块（VRM）和POL转换器）的数字化需求也日益增加。 数字PFC控制器的功能性要求与POL控制器截然不同。PFC稳压器对于负载调节精度要求较低，而且工作在更低的开关频率和更低的控制环路带宽下，容易带来量化误差以及ADC分辨率下降等设计挑战。此外，PFC控制器存在独特的设计问题，需要丰富的系统知识和经验。AC/DC电源一般需要能够降低谐波失真和开关稳压所产生噪声的电磁干扰（EMI）滤波器。数字PFC稳压器可以整合功能以降低对EMI滤波器的要求，可以使得EMI滤波器更小更高效。根据所采用的控制算法和工作模式（比如不连续传导模式、连续传导模式或者边界传导模式）的不同，模拟PFC控制器可以分为好几类。每一种PFC工作模式都有其优缺点，在不同功率级更为显著。数字PFC控制器可以被分配在任一种PFC控制模式下。 不论是对PFC应用，还是POL应用，一个可以配置在许多OEM（原始设备制造商）产品平台上的控制器有助于加快开发速度，并减少需维护的元件库存，以提高更高的价值。 数字电源更适合于更大功率的应用，因为这类应用需要一个或多个PFC（功率因数校正）稳压器、多个隔离和非隔离的电源轨，以及复杂的冷却温度曲线。服务器电源系统就是数字控制和电源管理在分布式电源架构中提供性能和效率优势的实例之一。随着越来越多的数字电源进入到服务器和计算功率领域，其他大功率DPA（分布式电源架构）系统（比如用于电信和数据通信的DPA系统）开始采用数字电源解决方案。 POL转换器一般为低电压、大电流数字负载（如FPGA、微处理器、DSP及其他具有极高动态特性的数字电路）提供电压。保持电压在1V左右的精确调节，同时利用纯模拟控制技术来满足近200A/ns的负载瞬态要求变得越来越困难。有些数字控制器能够提供在同类模拟IC中难以实现的功能，例如非线性控制。事实上，几乎所有的POL数字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬态响应的控制技术。这些专用控制算法构成了传统模拟电源公司进入数字电源开发的门槛。Altera的电源事业部在去年成功收购创新电源公司Enpirion的基础上，成功于今年12月在市场上推出一系列高性能的全集成数字电源解决方案。其中，EM1130内部采用数字内核实现控制环路，可以满足极为严苛的瞬态要求，实现极低的纹波电压（5mV峰峰值），以及在输出电压范围（0.6V~1.5V）实现极高的精确稳压±0.5%。同时可以支持PMBus通信接口，可以实现远程精确的电流、电压和温度监控。 不论是模拟还是数字方案，为市场应用开发的电源对于成本特别敏感。在对数字和模拟电源解决方案两者的成本进行比较时，必须从系统整体角度出发，包括设计成本、工艺开发、测试、验证、制造、库存控制、外围元器件节省以及可靠性导致的维护成本等。 数字控制比模拟控制具有某些更好的性能、设计更灵活且在复杂的设计中更容易上手使用。如下总结的六个方面的性能决定了模拟电源被数字电源取代的主要原因。 (1)瞬态响应：控制机制极大影响了系统的瞬态响应。例如，与电流模式相比，磁滞控制器的瞬态响应会有很大不同。每种控制模式都既有优点，也有缺点。数字解决方案能无缝地从一种模式转换到另一种模式，从而提供最优的瞬态响应。 (2)效率：许多应用条件都会影响到效率，包括死区时间、开关频率、栅极驱动等级、二极管仿真和相移等。针对这些因素，当前数字控制所提供的数字控制算法在整个工作条件范围内进行了优化。因此，在某个工作点下，也许能将模拟控制器调整到很高的效率，但数字控制器却可对所有的工作点进行优化。 (3)调节精度：一般来说，调节精度是根据线电压、负载和温度来定义的，因为这些条件中的每一个都会影响调节精度。数字控制器可以监视这些条件，并采取控制措施，在整个工作条件范围内进行优化。 (4)稳定性：数字控制能够提供比模拟方案更好的补偿（更好地调用极点和零点），因此在稳定性上的控制要好很多。另外，补偿能够随着条件的变化而变化，使系统能在很宽范围的条件下实现最佳的稳定性。模拟控制器的补偿是固定的，而数字控制可提供可调的甚至是自适应的补偿。 (5)故障响应：数字电源控制器提供了大量故障响应的选项。每种故障都有唯一的响应特性，可根据用户的需求进行调整。模拟控制器一般只有一个固定的故障响应（如断电/断续/过载），用户也只能选择用或者不用。数字控制还能提供滤波器功能，降低虚假故障的可能。 (6)可靠性：减少元件数量和降低工作温度（通过效率优化）是数字电源提高系统可靠性的两个途径。此外，灵活的故障响应和探测元器件参数微小变化的能力，可以大幅减少停机时间。 如今，数字电源在市场上的普及正在加快。以通信基站系统举例，如果能够监测系统参数，则可更好地管理系统性能，进而提高系统可靠性。基带单元必须具备强大的信号处理能力，以处理大量数据和语音流量。上电/断电期间，多路不同电流/电压的电源必须按照正确的顺序开启/关闭。需要对基带工作过程中的电流和温度进行监测，以确保系统工作在容限范围内，并在必要时提供报警或故障指示信号。另外，远端控制功能和先进的故障管理功能能够确保基站实现更高的可靠性。如果采用模拟方案，这些功能将需要多个器件和电源管理的支持。而数字方案则可降低设计复杂度，只需独立的电源管理芯片。基站电源往往要求非常复杂的电源管理控制器，每项功能需要多个分立元件配合。设计方案的总电路板面积和复杂度也相应增长。另外，由于基站工作在极端温度条件下，设计方案必须在较宽的工作温度范围内保持可靠。对于传统的模拟电源方案，只能在单一工作条件下设置补偿，而又必须解决宽工作范围问题。同时，无源器件（例如电感和电容）的差异也加剧了电源补偿的复杂度。 数字电源可作为更好的替代方案，数字架构中能够实现自动补偿，并有利于优化带宽。更大频宽的负载瞬态响应有助于改善系统容限或省掉输出电容，从而缩小系统尺寸。此外，由于无源器件参数随着温度的变化而发生变化，自动补偿功能能够自适应调整，适应条件的变化，从而在整个温度范围内实现最优设计。 在提高效率方面，数字电源的作用也非常大。在正确实现时，数字控制有可能通过占空比优化和自适应直通控制，在满足瞬态要求的同时，实现更低的开关频率、关键时序的实时适应（比如同步整流或者谐振死区时间）、切相以及根据负载电流变换工作模式等等，在一定程度上提高效率。由于系统功率根据负载要求进行更有效的管理，故数字控制能够提高总体效率。这里，不得不再次提到EM1130和Altera的Gen10 FPGA合作降低系统静态功耗的成功案例。通过SmartVID双向通信接口应用，EM1130可以帮助Arria10的静态功耗显著降低——通过实际测试，可以帮助A10的静态功耗降低多达40%，且不会影响FPGA本身的工作性能表现。这个产品将极大地帮助Altera及其他PFGA/ASIC厂家实现高性能和低功耗的显著设计目标。  图3 EM1130的SmartVID有助FPGA显著降低静态功耗 任何数字功率控制器获得成功的基本要求之一是可行的，易于使用的图形用户界面（GUI）。许多功率设计工程师都很快认同需要数字控制器来提供全面的设计灵活性。通过可编程命令来实现灵活性，需要对软件层、划分、保护功能和命令分组进行谨慎周密的考虑。GUI必需直观，操作简单自然，最为重要的是，必须全天候工作。  图4 易于使用的GUI提供全面的设计灵活性 电源行业开始逐步向数字电源转变。模拟控制器内存在着组合逻辑、时钟、计数器和定时器等数字内容。随着混合信号设计流程不断进步，这有望大大提高数字和模拟元件之间关系的优化程度。根据目标应用的复杂情况，某些功能可能最好采用数字处理。而另一些功能更适合于模拟领域。大多数认识到数字电源价值的资深电源设计人员都将相应更新自己的设计技能，不管对采用时间点的看法如何不同，有一点是确定的：数字电源乃大势所趋。  图5 FPGA供电解决方案的未来发展趋势 结语 历史总是在不断重复，在我们的科技世界内也是一样。能源短缺和能源价格不断上升不仅是由资源供应紧张造成，还在于人们对于不断丰富的生活娱乐，网络信息和通讯的追求永无休止。在现代电子系统设计中，整体功耗也成为产品竞争的制胜因素。试想一下，拥有运行着成千上万个网站的服务器会将所有电子商务信息和串流视频发送出去。假如机房中每个服务器能够节省10瓦的电量，那么每年就可以节省175万千瓦时的电力。如果再加上节省的空调成本，那便可很快抵消采用高能效设备所增加的成本。 通过降低电气系统消耗的功率，增加发电厂的需求减少了。这意味着，需要更少的土地来建发电厂了。更少的燃料为发电厂提供动力，更低的辐射排放到环境中，因此也减少了污染。所有这些节能降低功耗的努力都会全社会带来益处。所以，我们正在共同使地球成为一个对下一代更美好的地方。 |
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