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功率技術/新能源  

數位電源管理引發設計工程師激烈爭論

上網時間: 2006年10月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:數位電源  數位控制  PWM  ADI  Maxim 

最近,數位電源數位控制已成為工程設計人員詞典中最重要的術語。這相當奇特,因為電源工程師一般接受的都是類比技術訓練,而客戶也是類比支援者。因此功率控制廠商需要一種為類比工程師架設通向數位領域橋樑的方法。

然而,數位控制真有其必要性嗎?數位技術的擁戴者認為這種趨勢是無可避免的,特別是缺乏經驗豐富的類比工程師,但類比陣營卻指出,類比設計的成本事實上更低。

“數位電源管理必須包含兩種設計:數位控制功率轉換和系統級數位電源管理,”美國國家半導體公司可攜式電源系統先進技術總監Ravi Ambatipudi說。傳統上,功率轉換器與類比控制迴路及類比電路設計在一起。而“在數位電源管理的最基本形式中,功率轉換器是與完整的數位控制迴路及數位電路設計在一起的。除了外部輸出濾波器之外,沒有別的類比元件,”他解釋道,“系統級數位電源管理涉及了系統單晶片設計技術,能夠使用先進功率管理專用介面智慧地控制電壓調節器。”

ADI聲稱,可用兩種方法定義數位電源控制:一是當功率控制器轉換器具有通訊用的串列匯流排埠時;其二是由控制迴路本身來定義。部份公司(包括ADI)提供的控制器能進行完全迴路控制並具有SMBus介面、數位通訊報告和狀態資訊,但仍具有一個以類比形式控制的迴路。

既然無法達成共識,且類比的工作一直相當良好,那麼,究竟是什麼在驅動數位控制市場呢?

Silicon Laboratories公司行銷總監Don Alfano認為:“首先,現在的設備都日趨小巧,功能更加密集。這意味著有更多的電路,或電路數量相同但執行更快,因而產生更大的電流。這將衍生空間和效率問題,因為電流加大,元件往往產生過多熱量。而不斷縮小的製程尺寸則導致了對極精確功率調節的需求。”

目前關於哪一種方案更好仍無定論,Maxim整合產品部業務經理Ahmad Ashrafzadeh指出,複雜系統的需求成為了研發數位電源管理方案的主要考量,在不久之前,這似乎還是不可能的任務。“不幸的是,正如所有新技術一樣,該技術也存在著大肆渲染的現象,一旦經過自然發展過程穩定下來後,這種現象即會煙消雲散,”他補充說。

“2004年,業界的嵌入式設計歷經了一次轉折,即投注在功率管理上的時間、金錢和電路板空間比投入功率轉換上的還要多,”Zilker Labs公司創始人兼行銷副總裁Jim Templeton表示,“對相關半導體廠商而言,這成為一個非常有趣的問題。而現在,它是確保整合性的一大重要問題。”

首先要做的是把功率轉換到數位域,以支援結合功率管理和轉換功能所需的邏輯密度。

Templeton表示,在功率環境中提及數位技術時,唯一有意義的是轉換迴路(控制功率調節的反饋迴路)本身。“數位電源必須包括功率轉換。在數位電源中,必須把訊號轉換到數位域,並在數位域對錯誤訊號和補償迴路進行處理,然後再將其輸出到關閉迴路的PWM中,”他指出。

Primarion公司工程副總裁Steve Pullen則認為,對大多數功率客戶而言,最棘手的問題只是如何找到時間和資源來開發能解決複雜功率管理問題的方案。此外,他補充道:“在選擇功率解決方案時應考慮到的前5個推動因素就是成本、成本、成本、成本和尺寸。”


圖1:脈寬調變是數位電源控制的關鍵,適用於功率為關鍵因素的手持系統

美國國家半導體的Ambatipudi認為,完成一項數位電源設計要面臨的4大挑戰分別為:

1. 把類比輸出電壓轉換到數位域。輸出電壓本質上是類比的,要轉換為精確的數位形式,需要高速、高解析度的A/D轉換器。

2. 需利用數位PWM把來自數位迴路濾波器的數位數據轉換為脈寬調變訊號。要獲得所需的解析度,需消耗相當大的功率。數位PWM的解析度必須大於輸出電壓A/D的解析度以避免極限環振盪(limit-cycle oscillations)。

3. 只採用數位技術很難實現某些控制功能,如輸入電源電壓前饋(feed-forward),以及某些系統功能,如限流、振盪器,電壓電流參考等。

4. 需要雙電壓矽製程技術同時支援針對密集數位電路的低電壓,以及針對輸出功率FET或驅動器的高電壓。

“可攜式應用面臨的最大挑戰之一是節省能源,因為他們使用電池,”Summit Microelectronics公司應用工程總監Tom DeLurio表示,“他們必須切斷某些功能並動態改變電壓以停止電池消耗。此外,客戶還希望能夠切斷那些暫時不需要的功能的不同供電電壓,並把元件數目減至最少,以適應外形日益小巧的設備。”

究竟哪一個才是最好的設計,數位還是類比?目前這個答案在很大程度上仍取決於應用。此外還取決於設計人員在數位和類比領域的專業能力。必須考慮到需要整合的部份有哪些,以及哪些東西涉及到製程技術。


圖2:功率控制設計人員面臨複雜的權衡取捨,正確的方案取決於應用需求

目前市場上有大量數位解決方案推出。“最複雜的是基於DSP的解決方案,”Primarion公司的Pullen提及,“這些產品具有最大的靈活性,但很難使用。基於DSP的解決方案需要功率工程師來瞭解如何進行DSP核心編程,而功率工程師目前已分身乏術。”

許多類比產品供應商都在他們的類比控制器上增加了‘數位包裝’,以致提高了成本。其它過渡性的雙晶片解決方案整合了一個獨立微控制器和一個傳統類比控制器以提供匯流排遙測功能。

有些人想知道,若數位設計成本高於類比,那麼數位技術如何才能更便宜。“我們提到的成本並不僅限於材料清單和製作並測試電源所需的開銷,”Silicon Labs的Alfano指出,“成本是由從概念到供貨包括安裝的整個過程來決定。”

況且,他指出:“數位電源能夠透過網路線接受配置和重配置,所以我們還應該看到這節省了從工廠或區域代表處派遣人員前往安裝的現場費用。”

此外,數位技術本身存在一些頗具吸引力的功能。例如,數位技術讓設計人員得以使用新的控制拓樸或演算法,而在類比技術中,這些拓樸和演算法雖在理論上是可行的,實現起來卻極為昂貴。數位控制則可以使用這些新概念,並以合理的成本實現。

“數位控制將越來越廉價,並將開拓出新應用領域,”ADI公司功率及熱管理資深設計工程師Anton Bakker表示,“它類似數位攝影技術,後者也花了很長時間才被接受。在數位相機問市之初,所有的底片相機或類比相機也經歷相同的過程。”

歷史在正電源領域重演,Bakker表示,客戶必須著眼於那些他們能夠從數位控制器的額外功能中獲益的應用。目前這意味著需要監控功能、定製化以及可程式性的高階應用,其成本只比類比控制器稍高。而三到五年後,答案將會完全不同。

負載點產品設計人員面對的權衡之一是源於產品需要工作在2MHz,同時需從8V轉換到1V,德州儀器功率管理產品應用經理Dave Freeman表示。為此需要一個次奈秒工作週期的解析度和一個專門處理此一問題的數位產品,而非一般的數位PWM。

2005年,只有少量相關產品問世,Freeman說。而今年,各公司將開始習慣與數位設計打交道。而到2007年,他預測,局面應該是各公司產品紛呈,選擇充足,競爭激烈,數位電源設計開始真正起飛。

作者:Paul O'Shea




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