類比與數位電源管理選擇及優勢分析

一種新技術的導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。本文旨在澄清類比與數位電源管理之間的不同。從多方面考量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。不斷提高的系統複雜度促使用戶開始考慮使用數位電源管理方案，雖然有些設想在不久前還看起來難以踰越。但是，數位電源產品的應用案例顯示，人們在某種程度上為數位系統所能處理的問題蒙上了一層不切實際的光環。隨著這項技術步入自然發展軌道，應該平息其所伴隨的神秘色彩以及不切實際的宣傳。用戶隨後所面臨的問題是：那一種方案最好？

整體而言，電源管理沒有純粹的數位或類比方案。以類比控制架構為例，其內部脈寬調變電路即包含了數位電路，例如：時脈、閘電路等(如Bob Mammano設計SG1524)。三十年後，數位脈寬調變(PWM)電路同樣也包含了明顯的類比電路，如：ADC、基準源、放大器等。因此，正確的方案選擇取決於電路功能的合理劃分，而正確的劃分又與目前可利用的技術和系統需求有關。因此，目前的劃分標準可能不同於將來的標準。

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密度，要求電源具有更小的體積，而且滿足高速通訊、高速處理系統中微處理器或ASIC對電源容限的苛刻要求。基準精密度一般為1%，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，要求優於1%的精密度，而且在高溫情況下也必須滿足這一精密度要求，目前大多數系統的工作溫度範圍為0℃～85℃。

由於多處理器核心或小尺寸處理器對應的I/O埠對於不正確壓差引起的‘閉鎖’現象非常敏感，電源的追蹤與上電順序也非常關鍵。複雜的電路板需要多電源供電，因此對上電順序和追蹤的要求也更加嚴格。這些功能利用類比技術很難實現，而數位技術則可解決這一複雜問題，提供精確、簡單的方案。

高階系統要求近乎為零的故障時間，因此，對冗餘系統的監控也十分重要，以確保系統可靠工作。這就必須瞭解產生電源故障的原因和過程，在出現問題時採取迅速的解決措施。用類比技術建構監控電路需要很多分離元件或專用電路。有些系統由於受體積、價格及複雜度的限制，不得不簡化監控環節，導致較低的系統可靠性。對數位系統來說，提供這種系統監控幾乎不需要增加系統成本。在數位系統中，用於數位引擎作業的資訊採用數位格式，可以很容易地增加通訊容量。

為了快速切入市場、支援產品需求，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。使產品在投放市場的過程中處於兩難境地，一方面可能需要昂貴的召回成本，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，為系統的後續使用埋下隱患。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位方案，對系統進行現場編程，為用戶實現方便、透明的系統升級。

表1

表2

方案的折衷考慮

從目前的系統及不斷湧現的需求來看，利用類比方法解決所有問題顯然不能滿足發展的需求。目前，很多用戶在考慮數位方案時，比較關心的是‘閉環問題’。對大多數工程師來說，數位電源意味著一個能夠進行數據通訊、讀寫資訊、更改設置、無需改變硬體進行升級的系統，在數位域完成這些作業無需閉環反饋。

對於選擇數位電源或類比電源這個問題，其原則應該是‘合適就好’。如上所述，數位或類比方案都不能保證所用功能的最佳化。每種方案都有其固有的優點和缺點，正確的系統分析有助於為具體應用提供最合理的解決方案。

表3中的脈寬調變電路(PWM)最好保留類比架構，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，保留這些基本的類比電路單元都是比較理想的選擇，它佔用的矽晶片面積更小，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)，但大部份電路不受PWM電路形式(類比或數位)的影響。

對保護電路的需求沒有改變，但要求電路在產生故障時做出快速響應，一般要求在幾個ns以內。採用最快的平行比較型ADC結構，可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遲，所產生的總延遲是難以接受的。因此，過流、過壓保護功能必須放在類比電路側。

對於電流的測量，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，只有透過高性能類比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，電流和溫度的監測都必須採用類比方案。

不管採用數位或類比方案，基準源都是必要的。在數位系統中，它為ADC提供參考電壓，某種程度上這也更傾向於類比設計。ADC為數位輸出，但決定其精密度與線性指標的是類比電路。為此，我們把基準和ADC都放在了表3的左側。

表3：類比與數位電路分析。

顯然，通訊電路屬於數位部份，非揮發性記憶體用於儲存電源設置。不管是處理器還是狀態機，都是數位方案的控制核心。DAC包含大部份類比電路，但是，考慮到數位電路在DAC中的重要地位，我們將其置於表格右側。

另外一項有價值的數位技術是低速控制迴路，可以進一步提高系統類比輸出的精密度。該任務不可能由類比電路實現，而是依靠高性能ADC精確、複雜的校準過程來實現，由此我們可看到一個真正的混合訊號處理架構，是精密的類比電路與靈活數位電路的有機結合。這種機制中所需要的ADC與數位PWM中的ADC不同。PWM ADC要求擁有高解析度和速率，而ADC不可能在擁有高速、高精密度的同時保持低成本。整體來說，PWM ADC必須採用ADC提供必要的速率，而這種ADC拓樸在解析度超過8位元時就不太實用了，8位元ADC與12位元ADC相較精密度降低了大約16倍，因此，比較可行的方案是選擇12位元SAR ADC，能夠以較低的成本提供高精密度和合理的轉換速率。

經過數位轉換後，用戶可以方便地設定多個閾值檢測過壓、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，有必要選擇類比電路，但非常精確的閾值檢測則需透過數位化實現。數位電路可以為上述檢測設定多種閾值，並可用不同方法實現。例如，警告和故障閾值可以簡單地用標誌位實現，也可以控制關閉輸出。

為大部份現有類比PWM架構增加數位功能的一種方法是結合專用IC，例如Maxim的MAX8688。該IC配合類比PWM電路，可實現一系列數位功能。這種方法有兩個優勢：一是所選擇的電源管理元件仍可作為主電源輸出；二是所有用於監控、追蹤、餘量設置、基準設置的分離電路可針對一個電源進行設置，結合一些附加的邏輯電路，該元件可提供4×4 TQFN封裝。

利用檢流電阻、電感或電路板接腳的直流電阻可檢測不同的輸出電壓、電流，監視電源輸出。透過比較REFIN和反饋訊號，直接控制PWM作業和輸出電壓設置。借助用戶可程式暫存器智慧模組，可實現軟啟動、啟動延遲、關閉延遲、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，餘量與電流分配等簡單功能不會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位電源管理方法。

圖1：基本數位處理功能，基於MAX8688數位控制/監測IC。