現代設計中電源子系統的創建(下)

數字管理或控制的電源采用一個普通模擬 PWM 回路，但與真正的數字控制建立聯系，而不是指多數控制器上普遍都有的數字關斷腳(圖 6)。數字管理的功率 IC 首先在電池充電器 IC 中找到用途。過去的化學電池(例如鉛酸電池)經常使用一組穩壓 IC，為每節電池提供 2.3V ~ 2.36V 電壓，這要取決于應用能否承受較高的充電電壓。即使這些簡單的充電器也經常增加環境溫度檢測、時間限制器，或電池溫度檢測功能，以調整充電電壓。鎳金屬氫電池及更廣泛使用的鋰離子化學電池需要更多的數字監控。系統設計者可能要根據溫升或電壓上升而終止充電周期。如果電池已報廢，就不應起動全功率的充電。當發生這種情況時，充電器 IC 必須以“打嗝”方式向電池送入一個小電流，并進行監控，直到電壓升高到足以接受全功率充電。如果電池已經充了幾小時，仍然沒有到達終止點，則 IC 應結束充電周期。環境溫度故障和很多其它變量也可能有關系。美國國家半導體公司的應用工程師 Mary Kao 說：“我們不再把電池充電器 IC 看作一個帶有一些邏輯的 PWM 電路。我們認為它現在是帶模擬 PWM 的一個微控制器。”

一旦電池充電器 IC 道路被鋪平，很多其它應用也需要對模擬 PWM 回路的大量數字控制。例如，Xilinx FPGA 需要嚴格的上電順序和控制。有一家供應商 Cradle 制作了一個多核 DSP IC。由于它是一個 0.13 μm的CMOS 器件，使用了 DDR SDRAM，因此電源系統的設計就成為挑戰。需求包括 I/O 的 3.3V、內核的 1.2V、DDR-SDRAM I/O 的 2.5V、用于 DDR-SDRAM 阻抗電壓的 1.25V 陷流源、DRAM 電壓基準，以及用于另一 IC 的 1.8V。Cradle 工程師 Tapeng Huang 和 Craig Calder 與 Intersil 的 Mike Cheong 一起，用單只多通道控制器重新設計了五個獨立的電源輸出。他們使用了兩個 DC/DC 控制器、兩個專用的 DDR 輸出，以及兩個獨立的低壓差穩壓器。在一個更熟悉的領域中，大多數 PC 機用

戶都知道處理器和內存的供電電壓是采用數字控制的。手持設備可能有復雜的控制需求，以節省電池能量和延長運行時間。

數字電源采用 DSP 而不是模擬 PWM 回路，通過算術運算保持回路的穩定(圖 7)。這種方案可以提供回路補償的靈活性，但這種靈活性是有代價的。Elandesigns 的主管 Dave Mathis 指出：“如果你準備修改補償，就必須根據變化而檢測一些東西。在采集時間和錯誤條件下，這是自找麻煩。”當然，有經驗的控制系統工程師都知道，性能良好的系統通常有一個優勢的部分。然而，德州儀器、Silicon Labs 和 Primarion 都制造數字電源設備。Primarion 發表的文章中表示，未來所有電源都將是數字化的，模擬工程師要抵抗數字電源的實現，就只能保護自己的領地。Primarion 并不使用 DSP 管理控制回路。它使用了一個自由運行的狀態機，其功耗遠低于 DSP?？刂迫栽跀底只芈分?，而不是模擬 PWM 回路。德州儀器公司數字電源經理 Steven Bakota 指出：“數字電源不是什么新鮮東西。TI 已經銷售了 10 年數字電源……以庫的形式使用標準 DSP?，F在的差別是，我們有了自己的 Fusion 系列定制件，和一個軟件開發環境，可以簡化設計的實現。”

一片 DSP 中的 6 萬支晶體管為數字電源系統提供控制回路，而模擬方案只需要大約 100 支晶體管。數字電源迷們還吹噓說靜態功耗只有 7 mA。這個數字在一個刀片服務器中也許是可以接受的，因為它使用墻上電源工作，但依靠電池工作或便攜產品就難以承受這么大的功耗。而模擬方案可以工作在 1 mA 以下。設計者還應評估系統的瞬時功耗。如果在一次供電瞬時后，DSP 還要重新初始化，并運行用戶編寫的代碼，那么就可能不適合某些應用。最后還有一個警告，經理們希望把復雜的軟件開發工作放在產品設計周期的結尾，這通常是設計電源子系統的時間。經理們不要因設計的平淡無奇而放松警惕。如果設計簡單，可以使用低成本和靜態電流也較低的模擬 PWM 部分。要設法確認，一個數字管理的系統并不比全 DSP 數字控制回路更合適。