模拟电源VS.数字电源——唇齿相依还是水火不容？
发布时间：2015-6-10 10:44
发布者：designapp
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模拟电源还是数字电源？两种技术哪个更有前景？一种技术会不会以压倒性优势取代另一种？两大阵营你来我往，好不热闹。从用户的角度看，很难确定哪一种方式更好。因为不断提高的系统复杂度为数字电源铺平了道路，而已经存在了几十年的模拟电源又有着诸多的固然优势。如何取舍？本文试图评判一下。 数字电源处理负载与效率时更有优势？ 对于数字电源，用户有哪些期待？随着产品的性能不断提升，数字电源首先需要能够实现更复杂、更先进的算法；其次，随着电子设备内的晶体管技术越来越先进，用户对于开关频率的要求也更高；此外，用户还希望能有更多的性能提升空间，需要更多的独立控制环或更多输出，以及更多的差异化功能。 Microchip 16位单片机部门产品营销经理Tom Spohrer表示，在应对负载与效率的关系时，数字电源技术更胜一筹。他通过CSCI效率要求（下图）比较了两者的差距。图中纵轴代表效率，横轴代表负载，三条曲线分别代表钛金标准、铂金标准和黄金标准。如果想达到最高等级的钛金标准的话，就必须要在负载达到50%的时候，效率达到96%。当然更为困难的是，在10%的时候，效率达到90%。要想实现第二个目标，模拟技术几乎很难，所以很多客户转用数字技术，能够实现负载10%的时候效率达到90%。  为了在不同的负载条件下提升效率，一种方式是通过自适应算法，包括切相、死区调节、可变开关频率、可变高电压来实现，但是这样对计算资源的要求会更高。当处理瞬态响应时，模拟电源更快，但有时效率不够高，而数字电源的优势在于当负载发生巨大变化，没有达到预计输出功率时，可以进行实时系数调整，以适应全新的负载的情况。此外，如果使用预测算法的话，数字电源无需采用控制环阻尼控制来进行脉宽调制，可以在最大值和最小值之间找到一个合理值，从而使得功率输出达到一定的目标。 模拟电源在工业领域仍大有可为？ Intersil公司工业电源市场与应用总监Lokesh Duraiappah认为，数字控制器最重要的是PMBus遥测功能，例如计算、通信、服务器等应用领域，可通过该功能监测每一个负载的温度、过电、过压功能，因此主要应用于基础设施行业中对于功率顺序和电压余量要求较高的场合。他举例，现在越来越多高功率应用中都有FPGA，它有多个电压轨，因此功率的顺序就非常重要，这时数字控制器的灵活性要优于模拟控制器。 工业用途的集成电路往往不需特别高的功率，也不是特别复杂，对于PMBus遥测功能也没有非常严格的要求，而是对占板空间、效率、解决负载点问题的需求很强烈，因此模拟控制器更为适合，而且工业市场的客户也更喜欢用模拟控制器。 那么，工业电源市场主要有哪些趋势和挑战？Lokesh Duraiappah表示，现在市场上对于消除中间级总线的呼声越来越高。一般来说从AC/DC有一个高压总线，一般是12V的中间总线，有的情况是8V或者9V，人们越来越多地都想消除中间转换器的中间总线。 至于消除中间总线能带来哪些好处，Lokesh Duraiappah解释，如果能够直接把高压（比如40V、36V、42V）转化为低压（包括3.3V、5V或者1V），可以带来很多好处。因为使用首先中间总线转换器本身就是一个成本因素，其次如果使用这样一个中间总线转换器，它的电流就会很高，这样在配电的过程中就会有更多的损失。如果能够把48V直接降到一个低电压的话就能够减少配电的损失。 除此之外，还有一些趋势就是随着FPGA、MCU、ASIC的复杂性日益上升，电压轨的数目随之增多，还有电压余量以及备用电池的使用等等。  工业电源的众多挑战则在于现有的电源设计资源和专业知识仍需提高，需要更为可靠、易用的解决方案，需要通过增加电压余量来解决电源浪涌问题。 让数字电源设计更便捷 为了应对数字电源的设计挑战，Microchip多年前就提出DSC(数字信号控制器)的概念，它以MCU为中心并融合了DSP功能，支持单指令流，可以实现电源的全数字控制。日前，该公司进一步拓展其DSC产品，推出dsPIC33EP“GS”系列。据Tom Spohrer介绍，新系列产品可在开关频率更高的情况下实施更为复杂的非线性预测及自适应控制算法。这些高级算法可令电源设计实现更佳的能效和电源规格。此外，更高的开关频率使得设计人员能够以更低的成本开发出密度更高、体积更小的电源产品。相比上一代DSC产品，新型dsPIC33EP“GS”器件在应用于三极点三零点补偿器时其延迟可缩短一半时间，而且在任何应用中均可节省多达80%的能耗。  新产品具体技术细节如上图所示，采用70 MIPS 的全新dsPIC33EP内核。右侧棕色底的四个数字电源外设之间可以实现互操作性。比如，脉宽调制可以触发模数的转换器，并且是在脉宽调制的过程中触发模数转换器。模拟转换器也可以实现检测错误的功能。所有这些功能都不占用额外CPU的资源。新产品具备16KB~64KB闪存，2KB~8KB内存，工作温度最高可以达到125℃。 Tom Spohrer表示，新系列产品的性能之所以能够得到提升，有几个最为重要的原因：第一，功能最高达到70 MIPS的新内核，上一代产品只有50 MIPS；第二，整合入新内核中的一个全新寄存器级的功能；第三，较上一代速度提升了一倍的ADC（上一代是10位ADC）。 他进一步解释，这个现场选择的寄存器集几乎能够实现瞬时的现场切换，这种寄存器的设置方式之所以能够提升整体性能，是因为它能够提前将这些数据进行加载，而不用把新的值推送到现有的堆栈当中来进行计算，并且在这个过程中省去了很多内容保存的时间。补偿器速度最高能够提高达到50%，这也显著缩短了控制环的延迟，使得整个电源供应的性能得以大幅度提升。 此外，5个ADC总的转换速度最高达到16Msps，它们知道何时进行转换，因此能够提前进行中断，减少中断服务的开销。全新系列产品可以有最多22个的模拟输入，每一个模拟输入都有专用的结果寄存器，并且还有自主的数字比较器，通过将每一次转换结果和阈值电压进行比较，可在过压、欠压和超出范围等情况时产生中断，而这一过程无需CPU介入 ，性能更高。 GS系列的另一个新特性是及时更新的功能，无论系统处于什么状态，都能够对部件进行更新。增加这样功能的原因，也是基于客户对于高可容系统的需求与日俱增。Tom Spohrer举例说，比如在服务器供电领域的客户，就希望能够在不关掉服务器的前提下，对其部件进行更新。那么Microchip是怎样做到的呢? 答案是使用双闪存分区的方式。现有代码在第一个闪存分区运行，更新的那部分代码在第二闪存分区运行。两者之间的转换时间可以在300ns之内完成。这样的话就可以在PWM的中间实现。整个电力供应过程不受任何影响，代码更迭就已经完成了。 此外，Microchip还提供了一些非常完善的开发工具支持，其数字信号转换控制器针对数字电源进行了特别优化，代码间可无缝转换。 Tom Spohrer表示，凭借上述特性，dsPIC33EP“GS”系列产品可适用于电脑与电信（如AC / DC和DC/ DC电源）、工业（如太阳能逆变器、LED照明、HID照明、电池充电器、投影仪和电焊机）及汽车（如LED和HID前照灯及DC/DC转换器）等等。他特别强调，在大型服务器应用的场合，数字电源的应用就变得更为重要，因为通信电源更多需要远程观察，且从一个电源到另一个电源需要快速切换，多个电源的并联也要求更便捷，数字电源在这些应用场景都很有优势。 工业开关电源的发展趋势 Lokesh Duraiappah通过下图介绍了工业开关电源的集成趋势。绿色区域表示现有完全集成式同步降压稳压器的技术，即所有的调制器、驱动器、功率MOSFET都集成在一个IC中。蓝色的则代表功率MOSFET和调制器分立的产品方案。他表示，十年前，绿色的区域要比蓝色的小得多，但是随着技术的发展，尤其是LDMOS技术的发展，会有越来越多集成的解决方案被开发出来。但是追求高输入电压和低电流的情况例外，只能选择控制器+外部功率MOSFET的解决方案来实现。  顺应上述趋势，Intersil通过开关稳压器来适应中低电压和负载应用，并用控制器+外置MOSFET来适应高电压和负载应用，以及通过电源模块提供现成的电源解决方案。Intersil最新推出的60V同步降压控制器ISL8117就属于高输入电压控制器，它针对工业市场特别设计，能够驱动功率非常高的MOSFET，满足工业领域的多种应用需求。该同步步降PWM控制器的低占空比（导通时间最小40纳秒）支持从48V到1V负载点的直接步降转换。这一创新使得工程师能够显著降低工业电子、医疗和通信基础设施应用的系统复杂性和解决方案成本。 据Lokesh Duraiappah介绍，在需要较低输出电压的高输入电压应用中，工程师通常依赖于会增加系统成本的模块，或者是会增加解决方案尺寸和复杂性的二级DC/DC解决方案。ISL8117控制器的推出，则为低输出电压/输入电压比（Vout/ Vin）的应用提供了经济而可靠的替代方案。ISL8117使用带有自适应斜坡补偿的谷值电流模式调制，来支持宽范围输入电压和输出电压组合的稳定工作，且无需外部补偿。系统工程师还能使用ISL8117最高2MHz的可调频率来优化电源成本、尺寸和效率。 创新的ISL8117在缩小解决方案尺寸和简化系统设计的同时并未牺牲性能。常用功能的默认设计值和ISL8117的宽输入电压和输出电压范围，使其需要的外围元件数量少于竞争解决方案。使用ISL8117，工程师能够设计只需10个元件（包括MOSFET和被动元件）的完整DC/DC降压转换解决方案，并实现最高98%的转换效率和达到1.5%的输出电压精度。ISL8117 的低引脚数量和易于布局的引脚结构还最大限度减少了重叠迹线的数量，进一步改善了电源性能。 Intersil亚太区销售副总裁何贤斌表示，大客户比如像谷歌、中兴、华为这样的企业有专门的电源设计部门，但是很多工业类的客户并没有专门的电源设计团队，甚至很多平台设计师也要负责电源设计，因此亟需易用、易于设计的产品。另外随着电池应用和备用电池的使用增加，也意味着电源设计不仅要应对电压输入的问题，还有不时出现的电源浪涌的问题，所以必须要用DC/DC转换器来解决这一问题。Intersil未来将开发更多易用的高性能、低 Iq 的产品，同时能够应对在工业应用中越来越多的电池、备用电池的使用。 工业4.0对电源有哪些要求？ 随着工业4.0时代势不可挡的到来，势必会对电源产生许多新的需求。《中国制造2025》的公布，也将给电源提供商带来许多新的机遇。对此，电源方案提供商该如何把握？电源IC设计又将走向何方？ 何贤斌表示，智能和绿色是两个基本的着眼点，智能化其实就是数字化，而绿色范围很广，首要是节能，使产品更加省电。此外，储能问题也将更受重视，现在电动车非常热门，电动车电池最大的瓶颈就是电池和电池之间不平衡、不匹配，未来需要把每一节电池的能量都最好地发挥出来。 《中国制造2025》号称中国版的工业4.0，在这一升级过程中，中国市场的情况将更为多样化。由于行业或企业发展的不均衡，一些行业/企业甚至正处于2.0向3.0的过渡阶段，这势必要求电源厂商能够给予更为灵活多样的技术支持。 对此，Lokesh Duraiappah认为，中国第一波的改革开放和之后的现代化，主要关注的是制造业、制造出口、ODM。但是在过去的几年时间里，这一关注点已经发生了变化，中国现在主要是希望通过工业化来不断提升人们的生活水平。在这个过程中会发生很多有意思的变化，比如重型机械的发展、工业自动化等等。这就要求很多工厂有非常大规模的研发投入，创建国内的研发中心。而这会导致电子行业在中国有非常大的扩散和发展，而且会是几何级的增长。他补充，各行各业的发展都需要用到电力和电源。一些工业应用会需要具有联网、通信、计算等非常复杂功能的数字控制器，而也有一些工业应用只需要模拟控制器，可靠、传统的DC/DC开关就能够非常好地满足他们的需求。Intersi希望针对中国市场开发出非常有效的解决方案，包括控制器、电源模块，以及完全集成式的解决方案。 但不论技术如何改进，对于电源产品来讲，效率还是重中之重。Lokesh Duraiappah表示，通过改善产品架构降低静态电流是未来的方向之一。另外针对FET技术和集成式控制器，也会进一步投资技术来降低RDS。还有在控制器方面有不同的fab工艺，比如说250微级、180微级、130微级、90微级等，Intersil也会顺应潮流不断创新，从而达到降低占板空间、提升效率的目的。 工程师如何选择电源控制器？ 说了这么多，真正的问题来了，工程师在进行电源设计时，该如何选择控制器？他该最先关注哪些功能或参数？ Lokesh Duraiappah认为很多参数都是值得考虑的，比如输入电压范围、输出电压范围，从控制器角度来讲，一个重要的因素是可以支持的最小接通时间，只有在最小接通时间非常低的情况下，才有可能实现大幅度调整。第二可以看栅极驱动，即它能驱动的功率MOSFET的最大是多少。第三则要看易用性，在默认设置上看搜索频率、软启动还有引脚数量是否满意。第四则是开关频率，在拥有很高的开关频率的情况下，对电流波、效率、电感尺寸的选择余地就非常大。他强调，对于工业客户来说，非常重要的一点就是这个技术是不是马上能投入使用，谁都不愿意从头再去对一个芯片做研究和探索。因此参考设计的使用也变得更为关键，它便于客户进行评估，然后直接用到实际应用中。 那么，再回到本文开头的问题，工程师在进行设计时，面对模拟电源和数字电源该如何选择？相信各位看官都已经找到了答案，选择的原则是“合适就好”。正如本文的受访者所介绍的，每种方案都有其固有的优势和劣势，而正确的系统分析有助于为具体的应用提供最合理的解决方案。新技术的出现并不会使旧有的技术消亡，而老的技术也不会永远一统江湖，这就是科技发展的独特魅力。 |
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