大勢所趨的數字電源設計方式

前言：早在十幾年前，諸如德州儀器、Microchip等公司就已經在傳統的模擬電源設計中，混入了數字化的零件，現今信息產品在要求上要有更小的體積、更低的成本以及更高的可靠性即可控制能力，傳統的模擬供電架構已經明顯不敷這方面的應用。

電源技術發展趨勢

圖說：交換式電源轉換系統。

信息產業往更小的制程發展，期望能為功耗問題帶來正面的解決方式，然而芯片整合的功能越來越多，速度越來越快，新制程所帶來的往往是更高的耗電與發熱。然而新一代的信息產品不是在外型上，便是在體積上大做文章，信息產品體積縮小有幾個好處，首先便是在大范圍應用方面，比如說企業機房內部，當服務器的體積能夠有效縮小，便能夠在同樣的單位面積之內，安裝更多的設備，并且提供更多的服務，換句話說，設備體積越小，企業便可以用更小的機房面積來取得同等的菜單現。只是設備體積的微縮，相對而言，電源供應系統也必須配合微縮，而且所能供給的電力負載還必須能維持甚至超越過去的水平，這對電源設計廠商來說是相當嚴苛的挑戰。

■數字電源設計有助縮小設備體積與增強管理能力

圖說：數字與模擬回路比較。

雖然機器的體積縮小了，但是隨著效能與功能的增加，這些相對小的設備在功耗方面卻不會有絲毫的減少，為了滿足這些設備的供電需求，而又要能將電源供應模塊塞進這些輕薄的機殼內，除了藉助絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、功率場效應晶體管(MOSFET)、智能IGBT功率模塊(IPM)、MOS柵控晶閘管(MCT)、靜電感應晶體管(SIT)、超過恢復二極管、無感電容器、無感電阻器、新型磁材料和變壓器、EMI濾波器等高效能組件以外，數字化PWM以及全數字化控制也都能夠有助于縮減電源供應模塊所占的體積。

數字電源就是采用數字接口具有可程序化(programmable)的電源轉換器，數字接口(digital interface)與可程序化是數字電源的重要特征，也是其簡化產品應用的重要利基。控制器的實現可以模擬電路方式或數字電路方式，數字電源系指采用數字控制方式實現交換式電源供應器的控制回路與接口。與此相較，傳統的交換式電源供應器主要采用模擬控制方式實現其控制回路與接口。

一般而言，采用全數字化控制技術，可以有效縮小電源體積，降低成本，并且提升設備的可靠性和對使用者的適應性。整個電源的訊號取樣、處理、控制(包括電壓電流等環節)、通訊等均采用DSP技術，可以獲得一致的穩定的控制參數。

數字化電源控制可以采用更加靈活的方式，比如說電源供應器可以在各種電壓、溫度下動態調整并最佳化電源的輸出，如降額保護、PFC數字控制諧波。利用DSP技術可以實現更簡單穩定的通訊和均流，并且獲得良好的EMC控制。數字組件可提供的智能化程度更高，因此諸如靈活的LED警示組合，自我監控能力以及遠程通訊機制都可以輕易達成。數字化設計也可以有效減少組件使用數量并提高模塊化的程度、以及提高功率密度。消除模擬控制技術的組件離散性和溫度飄移，保證每個模塊均達到最優指針，提高電源可靠性。模塊智能化程度更高，易于使用維護。

■手持式裝置電源管理趨向高度整合與數字化設計

而在手持式裝置上，對于電源管理的機制更是不斷的進步。原本手持式裝置所主打的行動便利性，卻逐漸被多功能、高效能導向口號所取代，在電池技術未得到突破性的發展之前，只能訴求更有效率的電源管理方式。

圖說：2G與3G手機的功耗分布比較。

目前主流的行動裝置通常都會整合視訊、音效、照相/錄像、檔案儲存/編輯等多種功能，比如PMP，能夠完成音效與視訊播放、錄像和檔案儲存等工作，手機能夠拍照、聽音樂甚至利用無線模塊進行上網動作。這些不同的功能通常都是透過相對應的組件來達成，然而這些組件需要不同的電壓供應才能正常動作，而且要求電壓質量穩定可靠、干凈、高效能，這也是設計電源管理所面臨的挑戰。在這些日趨復雜化電源管理系統中，1款產品可能會同時需要5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、0.9V和0.7V等多種電壓供給，如何有效地管理多種電壓，并且使之互不干擾，是電源設計中正面臨的一個難題。

以目前的發展而言，電源系統單芯片(power-system-on-a-chip)的整合是整個行動應用，甚至是產業界的長期趨勢，理所當然，手持式行動裝置的的電源供應設計也是遵循這個趨勢，并且朝向更高階的芯片整合度發展。

過去行動裝置的電源系統是由許多零散的模擬零件所組成，但是在新近的產品已經看不到這樣的過時設計。原先行動裝置電源供應模塊在功能方面的設計趨勢，主要是整合并盡量縮小這些離散模擬電源零件的體積，之后則是把這些零件整合至1顆或少數幾顆電源管理組件中。而這些電源零件開始加入越來越多的功能和智能管理能力，在應用范圍方面也逐漸普及到其它領域，并且進入各種不同類型的行動裝置的設計之中(比如說GPS、掌上型游樂器、PMP、行動電視等產品)。

芯片整合的理由對于整個電子產業都相同：把更多功能整合至更少零件后，產品成本即可大幅下降，因為制造這些產品所需的組件數目和電路板面積都會減少、產品的組裝和制造程序會更簡單，藉此可達到更高的系統可靠性并能大幅縮短測試時間。此外，更高的芯片整合度也能提高研發流程的效率，從而縮短制造商的新產品上市時間，對于提升產品競爭力而言有著莫大的幫助。

數字交換式電源的設計方式

一般實現交換式電源的數字控制主要有以下兩種方法：

第一種：單芯片控制器通過外接A/D轉換芯片進行取樣，取樣后對得到的數據進行運算和調節，再把結果通過數字/模擬(D/A) 轉換后傳送到PWM芯片中，從而達到單芯片控制器對交換式電源的電源間接控制。這種方法的技術目前已經比較成熟，設計方法容易掌握，而且對單芯片控制器的要求不高，成本比較低。但是控制電路由于要用多個芯片，電路比較復雜;而經過A/D和D/A轉換等步驟，會造成比較大的訊號延遲，這些延遲勢必影響電源的動態性能和穩壓精準度。有些單芯片控制器整合了 PWM輸出，但交換式電源往高頻化發展，一般單芯片控制器的頻率頻率有限，產生的PWM輸出頻率與精確度成反比，因此無法產生足夠頻率和精準度的PWM輸出訊號。