【導讀】節能環保如今已經成為大眾主流。電源系統則面臨著無數挑戰，首當其沖的就是環境的惡劣致使更為清潔的替代能源被提上日程。電子設備同樣也需要電源系統轉換效率的提升。如此可見，優化不同負載的功耗、新興綠色能源的研發，都勢在必行。
空間受限的應用以及散熱的挑戰
在高性能、大功率電源設計不斷需要更多功率的同時，它們在可用電路板空間上變得越來越受到限制。此外，不管電源設計人員是否經驗豐富，功率密度都給他們帶來了極大的新挑戰。一般情況下，這些設計需要具有高于90%的轉換效率，以限制電源的功耗和溫升。因此，熱性能設計尤其重要，因為用于散出、由DC/DC電源轉換損耗和有限的空氣流動產生的熱量的空間非常小。除此之外，這些電源必須有卓越的輸出紋波和瞬態響應，同時還必須限制所需的外部電容以縮小電源設計的總體尺寸。
以服務器為例，在此類特殊的高功率系統中，足夠的散熱空間和冷卻是十分必要的。就任何POL轉換器而言，緊湊、高效并具有低靜態電流以滿足這些新綠色標準的要求極為重要。此外，很多微處理器和數字信號處理器都需要內核電源和輸入/輸出電源，它們在啟動時必須進行排序。設計工程師必須考慮在加電和斷電操作時對內核和I/O電壓源的上電電壓進行排序，以符合制造商的性能規格要求。如果沒有恰當的電源排序，就可能產生閉鎖或者過大的電流，導致微處理器I/O端口或者存儲器、FPGA、PLD或者數據轉換器等器件的I/O端口損壞。
讓系統設計師煩擾的一個常見問題是應采用單級轉換還是兩級或者更多級轉換，比方說從48V到1.xV，是一次轉換，還是從48V到12V中間總線架構，然后再利用負載點（POL）轉換器從12V轉換到1.xV。具體采用何種架構取決于很多因素，包括根據系統類型、采用的設計方法以及其他因素來決定。然而不管采用哪種架構，電壓不斷下降的同時對電流有更高需求的應用，持續推動著很多這類大功率系統的開發，并推動著對于電源IC技術的不斷改進。總體來說，在對電源轉換效率產生最小影響的前提下允許采用更高的開關頻率，還可以依靠降低開關損耗和導通損耗來提高電源效率性能。分立式電源設計是將傳統的電源模塊和分立元件一起放置在一塊印刷電路板上，由于外形尺寸的影響而導致電氣性能和熱性能均受到限制。因此，關鍵是提供一個完全集成并提高電氣和散熱性能的電源解決方案，同時又能給工程師提供一個易于使用和靈活編程的緊湊型方案。
Altera旗下Enpirion品牌的PowerSoC采用獨特的MEMS電感集成技術和EDMOS開關管集成技術，在實現高功率密度和更高效率性能的目標上大大前進了一步。其能夠滿足高性能、大功率空間受限電源設計面臨的巨大挑戰。
其實，大功率POL穩壓器是空間受限電源設計的一個很好的例子。這種類型的電源在大型系統板上一般放在非常靠近微處理器、FPGA或者ASIC的地方，為這些器件提供全部所必需的功率。大型數字器件常常需要范圍為幾安培至100安培以上的電流。大型系統板常常需要幾個這樣的POL電源，因此為這些電源設計中的每一個分配空間帶來了挑戰。除此之外，系統板的背面常常是高度受限的，一般不適合電源設計。分立電源轉換器一般會利用系統板的兩面實現緊湊型設計，而傳統電源模塊設計由于其高度太高，將僅限于系統板正面。Altera新推出的一系列電源集成方案都實現更低的方案尺寸和器件高度，非常適合空間受限的大型功率應用，例如可提供連續輸出電流30A的數字電源方案EM1130。該產品集成電感、開關MOSFET、控制器和補償回路，整體器件尺寸只有11mm×17mm，高度僅有5mm，整個方案整體的占位面積小于360mm2，并有進一步縮小方案尺寸的潛能。
圖1 全集成的30A數字電源EM1130以及方案占位圖
另外一個引人注目的用于POL DC/DC轉換的IC是EC7401。該器件是一個4相同步降壓型開關控制器，具有跟蹤功能，用于驅動外部互補功率MOSFET。其具有MOSFET VDS檢測的恒定功率，電流模式架構消除了對電流檢測電阻的需求，降低了成本并提高了工作效率。讓多個Powertrain ET4040以異相工作，最大限度地降低了由輸入電容器ESR引起的功率損耗和噪聲。EC7401+ET4040方案還極大地降低了輸入和輸出電源上的峰值輻射和傳導噪聲。這使符合國際EMI標準更加容易，100%占空比能力提供了低壓差工作性能。由于在一個給定機箱內的空間和冷卻受限，以及需要正確的電源跟蹤以改善系統可靠性等多種限制因素，用于大功率的POL DC/DC轉換器的設計工程師面臨很多挑戰。盡管市場上產品設計周期在日益縮短，因為Altera的PowerSoC系列產品易于使用，所以可以縮短產品從開發至上市的時間，并最大程度地降低了設計難度。
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需要滿足更嚴苛的電氣性能
電氣系統節能在全球的勢頭正在增強，就產生和消耗而言，成本節省太具有吸引力了。迎接這一挑戰的是電源管理IC供應商，他們正在采用新的設計方法，以在其產品中對數十安培負載電流實現高效率轉換。同時，他們還在IC置于備用或者停機模式的同時實現更低的靜態電流。
設計工程師需要應對的挑戰是，滿足所有系統內核中不斷增加的高性能DSP和ASIC電氣性能要求。主要性能問題包括電壓穩壓、電流瞬態響應和噪聲。
穩壓和電流瞬態響應密切相關。為了在解決方案尺寸越來越小且功耗越來越低的情況下獲得更高的性能，要使用所需電壓也不斷降低的更小晶體管工藝來制造數字半導體。現在低于1V的內核電壓要求將成為標準的電壓要求。除了低壓以外，對電壓容差的要求也越來越高。目前常用的標準是：線路（輸入電壓變化）、負載（負載電流微小變化）、時間、溫度和電流瞬變等造成的總電壓容差不超過3%。這樣，電源設計人員就只有30mV的電壓空間來滿足所有的數字系統要求。線路、負載、時間和溫度等DC參數還要占用大約一半（15mV）的容差預算。剩余的15mV則用于處理計算或數據傳輸負載帶來的突發電流變化（1個至3個時鐘周期）。
如果內核電壓超過規定容差極限，那么數字IC可能會開始復位，否則就會產生邏輯錯誤。為了防止這一情況的發生，設計人員需要特別注意所使用的POL模塊的瞬態性能。數字負載（例如最新的Altera Arria10）要求極為快速的瞬態響應和極低的電壓偏離。為了達到這些目標，許多附加的輸出電容器通常會被添加到DC/DC轉換器中，以提供直到其反饋環路能夠響應的保持時間。從而構成完整的電源解決方案。
多年來，電容技術不斷發展，容積效率不斷提高，即便使用更高的容積效率，整個電源解決方案也會超過單個電源模塊體積的兩倍。這就要求占用PCB較大的空間。然而，在今天更為小型化的系統中通常不能提供這樣大的空間。另外，在計入電容器成本的情況下，電源材料的整體成本也會超出電源模塊成本許多。
隨著DC/DC電源模塊技術的不斷創新，系統設計人員現在可以在使用更少輸出電容的同時，獲得更快的瞬態響應、更小的電壓偏離。Altera推出的更新版本Cyclone V SoC的電源參考設計，便是一個典型的例子。這些高度集成的電源解決方案可以使得輸出電容的數量減少一半（10個減為5個），極大程度地幫助用戶簡化了電源設計難度和成本。影響POL轉換器性能的另一個決定性因素是噪聲。開關式POL運行在不同頻率上并共享一個共有輸入總線時，由此產生的不同頻率及其差異會造成拍頻問題，對EMI濾波造成困難。Enpirion的EM1130模塊具有Sync同步特性，該特性使得設計人員能夠將多個EM1130模塊的開關頻率與特定頻率同步，從而消除拍頻，并使得EMI濾波更加輕松，而同時又不會增加任何的系統額外成本。
圖2 降低輸出電容的數量簡化電源設計尺寸和成本
數字電源的發展趨勢10多年前，當數字電源產品第一次出現時，大多數的電源設計工程師都對利用DSP的數字電源控制器代替模擬的PWM控制器的概念持懷疑態度，因為人們容易將數字電源和軟件故障或者是因為系統死機引起的電源爆炸事故聯系在一起。在包含了數字通信和控制復雜的功率系統所必需的全部功能性產品面世之前，這些基本概念是通過高成本的DSP或者性能有限的FPGA得到驗證的。雖然數字電源技術已被證實具有提高功率系統性能的能力，但業界還不能接受利用數字技術處理原來一直通過模擬方式完成的工作。在過去的幾年間，數字電源技術取得了巨大進步，市場分析人士以及投資者對其未來增長潛力非常樂觀。
首先，我們要了解一下當前數字電源市場有哪些不同的解決方案，先了解清楚數字電源究竟意味著什么是很重要的。功率系統監視、監測、故障檢測和數據記錄是“數字電源管理”的一個重要方面，其可以通過價廉的微控制器、FPGA或者PLD實現，而時基要求比較低。不過，數字電源更具有挑戰性的例子是“數字控制電源”，其中有一個或多個電源控制環路，以高速模數轉換器（ADC）和微控制器、狀態機或DSP控制算法為基礎。
根據半導體市場研究機構IMS估計，全球數字功率半導體市場將從2012年的27億美元增長到2017年的124億美元。服務器現在是數字電源的最大單一市場，預計2013年占到整體營業收入的33%。2012-2017年該領域的復合年度增長率將達44.8%。增長最快的數字電源應用領域將是照明，預計2012至2017年，該領域的復合年度增長率將達146%。其中來自LED照明解決方案的使用不斷增長，尤其是需要滿足切相調光解決方案適合采用數字電源控制來實現對不同相位調光器的兼容性。同時，筆記本與平板電腦中的PFC數字電源的復合年度增長將分別達99%和82%。主要家用電器中數字電源將增長76%，手機中數字電源將增長52%。從中可以看出，未來幾年內數字電源的營收增長勢頭將遠遠超過模擬電源。
迄今為止市場上出現的專用數字控制器中，大多數是隔離DC/DC和AC/DC功率因數校正（PFC），它們之所以在市場上獲得更多認可的原因，主要是在于最近幾年市場上蓬勃發展的智能手機/平板快速充電的需求日益提高，和更加節能綠色的LED照明替換傳統照明的大勢所趨。此外，市場上對非隔離DC/DC功率轉換（例如電壓調節模塊（VRM）和POL轉換器）的數字化需求也日益增加。
數字PFC控制器的功能性要求與POL控制器截然不同。PFC穩壓器對于負載調節精度要求較低，而且工作在更低的開關頻率和更低的控制環路帶寬下，容易帶來量化誤差以及ADC分辨率下降等設計挑戰。此外，PFC控制器存在獨特的設計問題，需要豐富的系統知識和經驗。AC/DC電源一般需要能夠降低諧波失真和開關穩壓所產生噪聲的電磁干擾（EMI）濾波器。數字PFC穩壓器可以整合功能以降低對EMI濾波器的要求，可以使得EMI濾波器更小更高效。根據所采用的控制算法和工作模式（比如不連續傳導模式、連續傳導模式或者邊界傳導模式）的不同，模擬PFC控制器可以分為好幾類。每一種PFC工作模式都有其優缺點，在不同功率級更為顯著。數字PFC控制器可以被分配在任一種PFC控制模式下。
不論是對PFC應用，還是POL應用，一個可以配置在許多OEM（原始設備制造商）產品平臺上的控制器有助于加快開發速度，并減少需維護的元件庫存，以提高更高的價值。
數字電源更適合于更大功率的應用，因為這類應用需要一個或多個PFC（功率因數校正）穩壓器、多個隔離和非隔離的電源軌，以及復雜的冷卻溫度曲線。服務器電源系統就是數字控制和電源管理在分布式電源架構中提供性能和效率優勢的實例之一。隨著越來越多的數字電源進入到服務器和計算功率領域，其他大功率DPA（分布式電源架構）系統（比如用于電信和數據通信的DPA系統）開始采用數字電源解決方案。
POL轉換器一般為低電壓、大電流數字負載（如FPGA、微處理器、DSP及其他具有極高動態特性的數字電路）提供電壓。保持電壓在1V左右的精確調節，同時利用純模擬控制技術來滿足近200A/ns的負載瞬態要求變得越來越困難。有些數字控制器能夠提供在同類模擬IC中難以實現的功能，例如非線性控制。事實上，幾乎所有的POL數字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬態響應的控制技術。這些專用控制算法構成了傳統模擬電源公司進入數字電源開發的門檻。Altera的電源事業部在去年成功收購創新電源公司Enpirion的基礎上，成功于今年12月在市場上推出一系列高性能的全集成數字電源解決方案。其中，EM1130內部采用數字內核實現控制環路，可以滿足極為嚴苛的瞬態要求，實現極低的紋波電壓（5mV峰峰值），以及在輸出電壓范圍（0.6V~1.5V）實現極高的精確穩壓±0.5%。同時可以支持PMBus通信接口，可以實現遠程精確的電流、電壓和溫度監控。
不論是模擬還是數字方案，為市場應用開發的電源對于成本特別敏感。在對數字和模擬電源解決方案兩者的成本進行比較時，必須從系統整體角度出發，包括設計成本、工藝開發、測試、驗證、制造、庫存控制、外圍元器件節省以及可靠性導致的維護成本等。
數字控制比模擬控制具有某些更好的性能、設計更靈活且在復雜的設計中更容易上手使用。如下總結的六個方面的性能決定了模擬電源被數字電源取代的主要原因。
(1)瞬態響應：控制機制極大影響了系統的瞬態響應。例如，與電流模式相比，磁滯控制器的瞬態響應會有很大不同。每種控制模式都既有優點，也有缺點。數字解決方案能無縫地從一種模式轉換到另一種模式，從而提供最優的瞬態響應。
(2)效率：許多應用條件都會影響到效率，包括死區時間、開關頻率、柵極驅動等級、二極管仿真和相移等。針對這些因素，當前數字控制所提供的數字控制算法在整個工作條件范圍內進行了優化。因此，在某個工作點下，也許能將模擬控制器調整到很高的效率，但數字控制器卻可對所有的工作點進行優化。
(3)調節精度：一般來說，調節精度是根據線電壓、負載和溫度來定義的，因為這些條件中的每一個都會影響調節精度。數字控制器可以監視這些條件，并采取控制措施，在整個工作條件范圍內進行優化。
(4)穩定性：數字控制能夠提供比模擬方案更好的補償（更好地調用極點和零點），因此在穩定性上的控制要好很多。另外，補償能夠隨著條件的變化而變化，使系統能在很寬范圍的條件下實現最佳的穩定性。模擬控制器的補償是固定的，而數字控制可提供可調的甚至是自適應的補償。
(5)故障響應：數字電源控制器提供了大量故障響應的選項。每種故障都有唯一的響應特性，可根據用戶的需求進行調整。模擬控制器一般只有一個固定的故障響應（如斷電/斷續/過載），用戶也只能選擇用或者不用。數字控制還能提供濾波器功能，降低虛假故障的可能。
(6)可靠性：減少元件數量和降低工作溫度（通過效率優化）是數字電源提高系統可靠性的兩個途徑。此外，靈活的故障響應和探測元器件參數微小變化的能力，可以大幅減少停機時間。
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如今，數字電源在市場上的普及正在加快。以通信基站系統舉例，如果能夠監測系統參數，則可更好地管理系統性能，進而提高系統可靠性。基帶單元必須具備強大的信號處理能力，以處理大量數據和語音流量。上電/斷電期間，多路不同電流/電壓的電源必須按照正確的順序開啟/關閉。需要對基帶工作過程中的電流和溫度進行監測，以確保系統工作在容限范圍內，并在必要時提供報警或故障指示信號。另外，遠端控制功能和先進的故障管理功能能夠確保基站實現更高的可靠性。如果采用模擬方案，這些功能將需要多個器件和電源管理的支持。而數字方案則可降低設計復雜度，只需獨立的電源管理芯片。基站電源往往要求非常復雜的電源管理控制器，每項功能需要多個分立元件配合。設計方案的總電路板面積和復雜度也相應增長。另外，由于基站工作在極端溫度條件下，設計方案必須在較寬的工作溫度范圍內保持可靠。對于傳統的模擬電源方案，只能在單一工作條件下設置補償，而又必須解決寬工作范圍問題。同時，無源器件（例如電感和電容）的差異也加劇了電源補償的復雜度。
數字電源可作為更好的替代方案，數字架構中能夠實現自動補償，并有利于優化帶寬。更大頻寬的負載瞬態響應有助于改善系統容限或省掉輸出電容，從而縮小系統尺寸。此外，由于無源器件參數隨著溫度的變化而發生變化，自動補償功能能夠自適應調整，適應條件的變化，從而在整個溫度范圍內實現最優設計。
在提高效率方面，數字電源的作用也非常大。在正確實現時，數字控制有可能通過占空比優化和自適應直通控制，在滿足瞬態要求的同時，實現更低的開關頻率、關鍵時序的實時適應（比如同步整流或者諧振死區時間）、切相以及根據負載電流變換工作模式等等，在一定程度上提高效率。由于系統功率根據負載要求進行更有效的管理，故數字控制能夠提高總體效率。這里，不得不再次提到EM1130和Altera的Gen10 FPGA合作降低系統靜態功耗的成功案例。通過SmartVID雙向通信接口應用，EM1130可以幫助Arria10的靜態功耗顯著降低——通過實際測試，可以幫助A10的靜態功耗降低多達40%，且不會影響FPGA本身的工作性能表現。這個產品將極大地幫助Altera及其他PFGA/ASIC廠家實現高性能和低功耗的顯著設計目標。
任何數字功率控制器獲得成功的基本要求之一是可行的，易于使用的圖形用戶界面（GUI）。許多功率設計工程師都很快認同需要數字控制器來提供全面的設計靈活性。通過可編程命令來實現靈活性，需要對軟件層、劃分、保護功能和命令分組進行謹慎周密的考慮。GUI必需直觀，操作簡單自然，最為重要的是，必須全天候工作。
圖3 易于使用的GUI提供全面的設計靈活性
電源行業開始逐步向數字電源轉變。模擬控制器內存在著組合邏輯、時鐘、計數器和定時器等數字內容。隨著混合信號設計流程不斷進步，這有望大大提高數字和模擬元件之間關系的優化程度。根據目標應用的復雜情況，某些功能可能最好采用數字處理。而另一些功能更適合于模擬領域。大多數認識到數字電源價值的資深電源設計人員都將相應更新自己的設計技能，不管對采用時間點的看法如何不同，有一點是確定的：數字電源乃大勢所趨。
圖4 FPGA供電解決方案的未來發展趨勢
結語能源短缺和能源價格不斷上升不僅是由資源供應緊張造成，還在于人們對于不斷豐富的生活娛樂，網絡信息和通訊的追求永無休止。在現代電子系統設計中，整體功耗也成為產品競爭的制勝因素。
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