電源與電源管理技術發展趨勢

 
Mansour Izadinia
Maxim公司副總裁

未來的DC-DC轉換器采用何種技術—模擬還是數字？

　　未來的電源管理系統對效率和可靠性的要求越來越高，電源管理產品的設計專家就如何提高系統效率和可靠性的問題產生了許多爭議。許多專家提議借助數字系統改善效率和可靠性。這無疑對傳統的模擬方案提出了挑戰，模擬設計人員為了維護模擬設計的地位也提出了不同的觀點。我們相信在數字DC-DC轉換技術發展成熟之前，有關數字和模擬DC-DC轉換器的爭議還會持續一段時間。

　　了解數字電源管理不可混淆的兩個方面非常重要，一方面是數字電源管理技術，另一方面是輸出電壓調節反饋環路的離散時間控制。許多設計人員沒有分清這兩方面的問題，因而也混淆了真正的“數字電源”的含義。我們認為一個“數字電源”系統可以利用傳統的模擬架構實現主調節環路。典型的數字電源系統具有一個系統控制器和一個或多個帶有通信接口(例如PMBusTM)的器件，通信接口有三個作用：首先可以實現對PMBus器件的監測，通過檢測輸出電壓、輸出電流、溫度等參數獲得有助于系統管理的信息，最終達到器件控制的目的。系統控制是數字電源的第二個主要功能。第三個主要功能是系統配置，系統配置主要發生在上電或系統裝載時。系統配置有多種不同目的，例如：Intel VRM規范要求通過配置VRM獲得為Intel CPU供電的精確輸出電壓。在PWM控制器中一般通過引腳設置達到這一目的，Intel要求通過不同的電源配置改善CPU的工作速率。總而言之，電源管理系統為我們提供了三個功能：監測、控制和配置。當然，為了實現這三個功能，我們還需要連接系統和器件的串口或并口。

　　推動數字控制技術實現DC-DC轉換器的動力由多種因素，最主要的一個因素是：能夠實現更有效的電源管理，通過對系統工作模式進行高層管理達到提高系統效率目標。例如，在服務器中按照數據吞吐量控制DC-DC的工作模式 ，絕大多數大電流服務器電源采用多相架構，當系統工作在輕載時，可以關閉一相或多相DC-DC轉換器，從而改善系統在輕載條件下的工作效率。在交換機/路由器，系統控制器可能只需要改變DC-DC轉換器的工作模式，動態控制系統時鐘，從而達到降低ASIC及其他相關電路功耗的目的。另外一個更有效的電源管理途徑是動態控制DC-DC開關頻率或輸出電壓。例如：為了降低系統在大電流條件下的功耗，系統控制器可以降低輸出電壓。Intel的VRM規范既是一個成功的應用范例。

　　但是，構建最佳的數字DC-DC轉換器，其性能受限于模擬電路，例如：電壓基準或A/D轉換器。

　　高速數字PWM的定時問題實際上是其內核電路的模擬問題，可以通過數字和模擬方案的相互配合解決這一問題。基于這一考慮，若干年內，DC-DC轉換器將是一個模擬技術和數字技術的混合架構。

　　設計人員需要針對具體設計的系統選擇最適合的方案，關于采用數字技術還是模擬技術的爭議最終取決于對性能和成本的合理折衷。■

 
Madhu Rayabhari
Microsemi，VP of Business Development

幾個有關電源和電源管理方面的關鍵技術動向：

　　.　趨向于獲得更高的效率；
　　.　趨向于減小尺寸和降低重量；
　　.　具有更低的待機功率容量；
　　.　綠色的電源；
　　.　遵守制訂的規章；
　　.　趨向于數字化控制的電源和電源管理集成電路 。

　　全世界各地的人對功率的需求在不斷地增加。而功率的產生和分配并沒有跟上這個需求。因此，能夠提高電源的效率，并使之具有更低待機功率的電源和電源管理集成電路逐漸成為起決定性作用的關鍵產品。

　　建立綠色系統的潮流也影響到了電源和電源管理集成電路產品。綠色的系統消耗更少的功率，并且不使用危害環境的材料。一些這樣的要求是通過立法來規定的。因此，對于電源的設計者而言，遵守制訂的規章也是起決定性的關鍵。另外，按照諸如WEEE對環境考慮的要求，計劃要減少電子廢棄物，也會影響到設計師設計和制作新的電源集成電路產品的理念和方式方法。

　　智能化電源管理集成電路提供了包括數字控制和監測功能在內的顯著提高，因而能夠完成上述的其他目標。事實上，由于集成電路所具有的數字能力，所以能夠執行效率非常高的控制方法；既監測正在運行的功率消耗，又監測待機的功率消耗；還能自適應的調整電源的工作， 以獲得非常好的效率。另外，數字性能使得電源能夠達到一個很高的集成度，因而潛在地致使系統成本下降。這也有可能致使系統減輕重量。

　　降低和減小電源的重量和尺寸是從以下幾個方面來著手進行的。采用工作頻率較高的技術能夠減小系統中無源元件的尺寸，從而降低重量和減小尺寸，而且還去除了某些原來需要使用的無源元件。

　　Microsemi是一個領先的集成電路和分立器件的供應商, 其產品的目標市場是電源的管理和實現。
 
　　我們在分立器件部分最新推出的產品是Power MOS 8TM。與上一代的器件相比較，該新系列的高速、高電壓N-溝道開關模式功率晶體管能夠給設計者提供的好處是更低的EMI 和更低的成本。而這個新系列的成員 --  MOSFET/FREDFET對典型額定值 500W以上的、高頻率、高電壓應用中的硬開關和軟開關都做了優化。FREDFET具有一個快恢復體二極管的特性，可用在 ZVS電路中，提供高的抗換向dv/dt 的能力和高的可靠性。

　　近來，Microsemi推出的其他重要產品是業界第一個為以太網應用供電的多端口PSE 控制器，該控制器符合IEEE802.3at 標準的1.0版本草案的要求。PD69012 和PD69008控制器給設計者提供一個水平非常高的數字控制和電源管理，因而使用以太網電纜的基本設施就能夠得到非常高效率的功率使用和分配 。

　　由于認識到在諸如數字圖像框、小型和便攜式DVD播放器等應用中，能夠高效率地為使用冷陰極熒光燈的小形狀因子顯示器提供背光照明的電路的需求，Microsemi推出LX6512，它給設計者提供一個多種拓撲的選擇，以及較低的BOM成本，這是該類價格敏感應用的關鍵所在。
 
　　另外，還認識到業界采用LED背光照明的發展趨勢，最近又推出了相當重要的LX1996和DAZL 系列控制器，給設計者提供 許多性能，以實現高能效的、高性能的LED背光照明。LX1996實現使用白色LED的背光照明，DAZL給使用者提供用于RGB LED背光照明的非常先進的數字處理能力。采用LED作為背光照明源可以免除使用通常用于熒光燈的汞。

新的應用

1.不斷上升的金屬銅的價格將會驅使開關頻率的增加，以及新拓撲和有源濾波器技術的出現。

2.通常，新拓撲的開發將提高效率。但是，它們也許會更復雜，尤其是它們的控制電路。更多增加的效率將是開發所需求的控制和可能的新控制器芯片的驅動力。

　　在直接變頻器中，采用背-背晶體管來阻斷和開導兩極，不再需要一個整流的步驟。
　　三電平變換器使得原先拓撲所需要用的1200V器件可以使用600V的器件。
　　兩-開關無橋式電路的功率因數正器。
       Vienna整流器。
       諧振拓撲應用的擴展。

3. 電源和電源管理的新產品有：

      . 太陽能逆變器專用功率模塊；
      . 帶有內置電流和溫度傳感的功率模塊，用作DC固態繼電器和電子負載的預制構件；
      . 諧振模式IGBT Combis，用于相-移諧振全橋電路；
      . 高頻MOSFET用于無線電通信和其他次千兆赫的大功率應用；
      . 線性模式MOSFET用于DC固態繼電器和電子負載。