數字電源與模擬電源的比較與選擇

一種新技術的引入通常需要一個過渡過程，在這個過程中，用戶不斷地檢驗新技術中實際可行的因素和不切實際內容。本文旨在澄清模擬與數字電源管理之間的不同。從多方面考察兩種技術差異及其對系統性能的影響。表1、表2分別列出了各自的優、缺點。

從用戶的角度看，很難確定哪一種方式更好。不斷提高的系統復雜度為考慮使用數字電源管理方案的用戶鋪平了道路，雖然有些設想在不久以前還看起來難以逾越。但是，數字電源產品的應用案例及其相關的一些傳說表明，人們在某種程度上為數字系統所能處理的問題蒙上了一層不切實際的光環。隨著這項技術步入其自然的發展軌道，應該平息其所伴隨的神秘色彩以及不切實際的宣傳。用戶隨后所面臨的問題是：那一種方案最好?

總的來說，電源管理沒有純粹的數字或模擬方案。以模擬控制架構為例，其內部脈寬調制電路即包含了數字電路，例如：時鐘、門電路等(如Bob Mammano設計的SG1524)。三十年后，數字 脈寬調制(PWM)成電路同樣也包含了明顯的模擬電路，如：ADC、基準源、放大器等。因此，正確的方案選擇取決于電路功能的合理劃分，而正確的劃分又與當前可以利用的技術和系統需求有關。因此，當前的劃分標準可能不同于將來的標準。

目前，為了滿足系統誤差的要求，一個理想的系統應能提供較高精度，要求電源具有更小的體積，而且滿足高速通信、高速處理系統中微處理器或ASIC對電源容限的苛刻要求?；鶞示纫话銥?%，而最新的處理器、ASIC電源要求誤差不超過幾毫伏。工作在低壓狀態時，要求優于1%的精度，而且在高溫情況下也必須滿足這一精度要求，目前大多數系統的工作溫度范圍為0℃～85℃。

由于多處理器核或小尺寸處理器對應的I/O口對于不正確的壓差所引起的“閉鎖”現象非常敏感，電源的跟蹤與上電順序也非常關鍵。復雜的電路板需要多電源供電，因此對上電順序和跟蹤的要求也更加嚴格。這些功能利用模擬技術很難實現，而數字技術則可解決這一復雜問題，提供精確、簡單的方案。

表1

表2

高端系統要求近乎為零的故障時間，因此，對于冗余系統的監控也十分重要，以確保系統可靠工作。這就需要了解產生電源故障的原因和過程，在出現問題時采取迅速的解決措施。用模擬技術構建監控電路需要很多分離元件或專用電路。有些系統由于受體積、價格及復雜度的限制，不得不簡化了監控環節，導致較低的系統可靠性。對于數字系統來說，提供這種系統檢控幾乎不需要增加系統成本。在數字系統中，用于數字引擎操作的信息采用數字格式，可以很容易地增加通信容量。

為了快速占領市場、支持產品的需求，設計人員常常在很倉促情況下開發ASIC，甚至沒有經過完整的評估就投入使用。從而使產品在投放市場的過程中處于兩難境地，一方面可能需要昂貴的招回成本，修改工作電壓、監控電路及上電順序控制;另一方面可能忽視系統的可靠性，為系統的后續使用埋下隱患。這兩種情況都違背了零失效時間的系統要求，這時，比較明智的選擇可能是數字方案，對系統進行現場編程，對用戶來說實現方便、透明的系統升級。

基本數字處理功能，基于MAX8688數字控制/監測IC

可控制、監測4路電源的系統

方案的折中考慮

從目前的系統及不斷涌現的需求看，利用模擬方法解決所有問題顯然不能滿足發展的需求。目前，很多用戶在考慮數字方案時，比較關心的一個問題是“閉環問題”。對于大多數工程師來說，數字電源意味著一個能夠進行數據通信、讀寫信息、更改設置、無需改變硬件進行升級的系統，在數字域完成這些操作無需閉環反饋。

對于選擇數字電源還是模擬電源這個問題，其原則應該是“合適就好”。如上所述，數字或模擬方案都不能保證所用功能的最優化。每種方案都有其固有的優點和缺點，正確的系統分析有助于為具體的應用提供最合理的解決方案。

表3：模擬與數字電路分析

上表中的脈寬調制電路(PWM)可能最好保留模擬架構，它主要由基準、誤差放大器、比較器和電壓斜波電路組成，有些方案還包括滯回電路。任何情況下，保留這些基本的模擬電路單元都是比較理想的選擇，它占用更小的硅片面積，也更便宜。PWM控制IC包括許多其它單元(電壓調節、MOSFET驅動、遠端檢測放大器、欠壓鎖存電路及過壓、過流保護電路)，但大部分電路不受PWM電路形式(模擬或數字)的影響。

對保護電路的需求沒有改變，但要求電路在發生故障時做出快速響應，一般要求在幾個ns以內。采用最快的并行比較型ADC結構，可以提高數據量化的速度，但更多的響應時間由判決引擎(處理器或狀態機)決定。考慮到驅動鏈路固有的傳輸延時，所產生的總延時是難以接受的。因此，過流、過壓保護功能需要放在模擬電路側。

對于電流的測量，通常需要一個低失調、高線性度、高共模抑制比的差分放大器。這些要求不受量化數據的影響，只能通過高性能模擬電路才能滿足這一嚴格的要求。實際設計中，無論是否量化數據，電流和溫度的監測需采用模擬方案。

不管采用數字方案還是模擬方案，基準源都是必需的。在數字系統中，它為ADC提供參考電壓，從某種程度上講這也更傾向于模擬設計。ADC為數字輸出，但決定其精度與線性指標的是模擬電路。為此，我們把基準和ADC都放在了表3的左側。

顯然，通信電路屬于數字部分，非易失存儲器用于存儲電源設置。不管是處理器還是狀態機，都是數字方案的控制核心。DAC包含大部分模擬電路，但是，考慮到數字電路在DAC中的重要地位，我們將其置于表格右側。

另外一項有價值的數字技術是低速控制回路，可以進一步提高系統模擬輸出的精度。該任務不可能由模擬電路實現，而是依靠高性能ADC精確、復雜的校準過程來實現，由此我們可以看到一個真正的混合信號處理架構，是精密的模擬電路與靈活的數字電路的有機結合。這種機制中所需要的ADC與數字PWM中的ADC不同。PWM ADC要求擁有高分辨率和速率，而ADC不可能在同時擁有高速、高精度的同時保持低成本?？偟膩碚f，PWM ADC必須采用閃電式ADC提供必要的速率，而這種ADC拓撲在分辨率超過8位時就不太實用了，8位ADC與12位ADC相比精度降低了大約16倍，因此，比較可行的方案是選擇12位SAR ADC，能夠以較低的成本提供高精度和合理的轉換速率。

經過數字轉換后，用戶可以方便地設定多個門限檢測過壓、欠壓、過流、高溫等故障。為了在檢測到上述故障時做出快速的響應，有必要選擇模擬電路，但非常精確的門限檢測則需通過數字化實現。數字電路可以為上述檢測設定多種門限，并可以用不同方法實現。例如，告警和故障門限可以簡單地用標志位實現，也可以控制關閉輸出。

為大部分現有的模擬PWM架構增加數字功能的一種方法是結合專用IC，例如Maxim的MAX8688。該IC配合模擬PWM電路，可以實現一系列數字功能。這種方法有兩個優勢：一是所選擇的電源管理器件仍然可以作為主電源輸出;二是所有用于監控、跟蹤、裕量設置、基準設置的分立電路可以針對一個電源進行設置，結合一些附加的邏輯電路，我們的器件提供4×4 TQFN封裝。

利用檢流電阻、電感或電路板引線的直流電阻可以檢測不同的輸出電壓、電流，從而監視電源輸出。通過比較REFIN和反饋信號，直接控制PWM操作和輸出電壓設置。借助用戶可編程寄存器智能模塊，可以實現軟啟動、啟動延時、關閉延時、軟關閉、擺率控制等功能，同時也可以實現過壓、欠壓、過流、高溫保護。

作為輸出監控的附屬產品，裕量與電流分配等簡單功能不增加系統的任何成本。這樣，在考慮整個系統成本的情況下，MAX8688提供了一種簡單而又精準的數字電源管理方法