數(shù)字電源控制在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算中的優(yōu)勢(shì)

　　電源通常是系統(tǒng)開發(fā)中進(jìn)行的最后一項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)討論常常是這樣開始：“好吧，我們來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)電源，它的輸入電壓是這么大，多個(gè)輸出的電流是這么大，而且具有一個(gè)效率目標(biāo)，以控制散熱”。然而，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜。電源設(shè)計(jì)工程師知道好的電源（特別是功率高達(dá)數(shù)百瓦的電源）必須平衡經(jīng)常相互沖突的目標(biāo)。這些目標(biāo)包括輸出靈活性、動(dòng)態(tài)線路／負(fù)載性能、高負(fù)載和低負(fù)載效率、元件公差、散熱問(wèn)題和溫度系數(shù)、監(jiān)測(cè)和保護(hù)以及電壓或電流的動(dòng)態(tài)變化。

　　除了長(zhǎng)期致力于開發(fā)各種解決方案，以滿足最新負(fù)載要求的電源專家以外，設(shè)計(jì)高性能電源的困難并未得到全面認(rèn)識(shí)。這在為構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)（IoT）云計(jì)算和電信基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)器和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)電源的挑戰(zhàn)中得到例證。一度被歸于高性能CPU的性能要求，現(xiàn)在也延伸到中型甚至小型的負(fù)載中。

　　模擬控制拓?fù)涞陌l(fā)展趨緩

　　為滿足這些要求，設(shè)計(jì)工程師開發(fā)了許多創(chuàng)新的模擬控制回路和技術(shù)，例如恒定導(dǎo)通時(shí)間或滯后控制，以及典型的電壓和電流模式方案等等。盡管這些設(shè)計(jì)具有不少特性，但它們都已經(jīng)沒(méi)法滿足用戶的要求。在采用PWM控制器情況下，諸如誤差放大器、比較器和斜坡發(fā)生器等功能塊受到其設(shè)計(jì)約束和變量的限制。它們受到信號(hào)鏈中的時(shí)移和相移，以及在為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)選擇元件時(shí)的噪聲注入和大信號(hào)響應(yīng)問(wèn)題的影響（見(jiàn)圖1）。

　　圖1． 模擬PWM電源控制器

　　（英文 中文翻譯：Analog PWM Controller 模擬PWM控制器；Error Amp 誤差放大器；Comp 比較器；Ramp Generator 斜坡發(fā)生器；Latch 鎖存器；Driver 驅(qū)動(dòng)器）

　　這些設(shè)計(jì)的性質(zhì)（必須按照具體應(yīng)用需求對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，確保對(duì)性能的妥協(xié)降到最低）意味著信號(hào)控制器無(wú)法提供最新系統(tǒng)要求的靈活性。這種限制已導(dǎo)致模擬控制器的性能和使用停滯不前。好在，數(shù)字電源控制（亦稱“數(shù)字電源”）提供了一種更好的替代方案。

　　數(shù)字電源控制是什么？對(duì)一些人而言，它仍然是一個(gè)模擬控制回路，但有些參數(shù)可以通過(guò)數(shù)字接口進(jìn)行調(diào)整。例如，可以通過(guò)PMBus接口發(fā)出命令來(lái)改變輸出電壓。但這種說(shuō)法并沒(méi)有提到數(shù)字控制以及數(shù)字電源能給市場(chǎng)帶來(lái)什么好處。

　　數(shù)字電源來(lái)救場(chǎng)

　　基于PWM DC／DC控制器的真正數(shù)字電源控制遠(yuǎn)不只是對(duì)內(nèi)部模擬回路的管理。相反，實(shí)際閉環(huán)反饋路徑完全是在數(shù)字域內(nèi)執(zhí)行的，起點(diǎn)是反饋電壓的模／數(shù)轉(zhuǎn)換。一旦所有信息都在數(shù)字域內(nèi)，就可以應(yīng)用新的先進(jìn)控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理。例如，根據(jù)負(fù)載的條件改變狀態(tài)和算法，以便在不斷變化的條件下也能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的響應(yīng)（見(jiàn)圖 2）。

　　圖2． 數(shù)字電源控制器的實(shí)現(xiàn)

　　（英文 中文翻譯：Digital－DC Controller 數(shù)字DC控制器；Power Management 電源管理；Serial Interface 串行接口；Multi level comp 多級(jí)比較器；Digital PID Filter 數(shù)字PID濾波器；Driver 驅(qū)動(dòng)器）

　　數(shù)字控制的好處不只是先進(jìn)的控制策略和實(shí)現(xiàn)的靈活性。算法能夠適應(yīng)變化，從而克服了以前在模擬電源中出現(xiàn)的局限性，例如由于溫度上升、公差甚至老化而產(chǎn)生的元件變異。請(qǐng)注意，有些無(wú)源元件（如電感和電容）的初始公差可輕松達(dá)到±20％甚至更高，使用公差更小的元件會(huì)顯著增加設(shè)計(jì)成本。數(shù)字電源控制器不再需要捉襟見(jiàn)肘地平衡復(fù)雜設(shè)計(jì)中的眾多無(wú)源和模擬元件，并為其表現(xiàn)不理想負(fù)責(zé)。借助先進(jìn)的數(shù)字控制算法，回路穩(wěn)定性挑戰(zhàn)也不再是個(gè)問(wèn)題。

　　數(shù)字方案幫助工程師成功

　　雖然數(shù)字控制可能對(duì)有些設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)是新鮮的，而且好得難以令人置信，實(shí)際情況其實(shí)很不一樣，正如Intersil的ZL880x系列DC／DC步降控制器所證明的，該系列是創(chuàng)新的第4代混合信號(hào)電源轉(zhuǎn)換電源管理IC系列。圖3顯示的是ZL8802雙通道雙相控制器，它集成了一個(gè)用于廣泛電源應(yīng)用的高性能步降轉(zhuǎn)換器。它消除了為保證穩(wěn)定性而進(jìn)行回路補(bǔ)償?shù)男枰?，同時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)帶寬。

　　圖3． ZL8802框圖顯示了其內(nèi)部復(fù)雜度，其中大部分對(duì)設(shè)計(jì)工程師是透明的

　　因此，ZL880x系列控制器已被多個(gè)廠商的已發(fā)布OEM電源所采用，包括CUI的NDM3Z系列數(shù)字DC／DC POL模塊。它們是高性能器件，旨在滿足要求最嚴(yán)苛的中間總線電源系統(tǒng)的需求。

　　CUI 高級(jí)副總裁Mark Adams表示：“我們?yōu)槲覀兊腘DM3ZS－60數(shù)字POL模塊選擇了ZL8800控制器，因?yàn)槲覀冇X(jué)得它提供了市場(chǎng)上最先進(jìn)的功能集。只是將一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)電壓對(duì)我們的客戶不再適用?，F(xiàn)在的需求是在任何時(shí)間和所有條件下都能進(jìn)行完美的電壓轉(zhuǎn)換。數(shù)字IC技術(shù)幫我們實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)。”

　　該 IC內(nèi)部的自適應(yīng)算法可自動(dòng)改變工作狀態(tài)，以提高效率和整體性能，無(wú)需用戶的干預(yù)。該器件的全數(shù)字回路可實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源轉(zhuǎn)換過(guò)程的精準(zhǔn)控制，無(wú)需借助于軟件，從而使其成為非常靈活和易于使用的器件?？刂扑惴ㄓ糜陧憫?yīng)單個(gè)PWM開關(guān)周期內(nèi)的輸出電流變化，從而以小于傳統(tǒng)PWM控制器的輸出容值實(shí)現(xiàn)更小的總輸出電壓變化。

　　該器件有助于設(shè)計(jì)工程師通過(guò) PMBus接口完全控制和監(jiān)測(cè)每個(gè)電源軌，以最大限度提高可靠性。其專有的單線式DDC（數(shù)字DC）串行總線允許多個(gè)ZL880x器件與其他 Intersil數(shù)字電源IC通信，以實(shí)現(xiàn)IC間的相電流平衡、時(shí)序控制和故障擴(kuò)散，從而消除了需要使用外圍分立元件的附加復(fù)雜電源管理器設(shè)計(jì)。

　　ZL8802包括電路保護(hù)功能，可持續(xù)地防止器件和負(fù)載由于意外系統(tǒng)故障而損壞。它能持續(xù)監(jiān)測(cè)輸入電壓和電流、輸出電壓和電流，包括逐周期輸出過(guò)流保護(hù)、內(nèi)部溫度及兩個(gè)外圍熱二極管的溫度。監(jiān)測(cè)參數(shù)還能進(jìn)行預(yù)配置，以提供針對(duì)具體條件的警報(bào)。

　　數(shù)字調(diào)制技術(shù)

　　ZL8802的關(guān)鍵要素是專有數(shù)字調(diào)制技術(shù)的集成。先進(jìn)的數(shù)字控制器需要滿足三個(gè)關(guān)鍵要求：應(yīng)當(dāng)支持足夠高的帶寬；理想條件下應(yīng)當(dāng)無(wú)需補(bǔ)償；應(yīng)當(dāng)支持固定頻率開關(guān)操作。ZL8802的數(shù)字電壓模式控制能夠使用其具有專利的ChargeMode控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高帶寬。

　　傳統(tǒng)上，電壓或電流模式滯環(huán)控制器已經(jīng)提供了最佳回路響應(yīng)，但伴隨著以可變頻率進(jìn)行開關(guān)操作的缺點(diǎn)。使用數(shù)字電源控制器的最新電信設(shè)備要求固定的工作頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)最終用戶應(yīng)用中的噪聲頻譜的嚴(yán)格控制。ZL8802利用其獨(dú)特的數(shù)字調(diào)制器和補(bǔ)償技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)。

　　其數(shù)字調(diào)制技術(shù)允許控制器對(duì)單個(gè)PWM開關(guān)周期中的電壓變化做出反應(yīng)。ZL8802在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可以多次進(jìn)行誤差采樣并計(jì)算調(diào)制信號(hào)，這可顯著減少群延遲并因此支持非常高帶寬的操作。

　　厲害的是，ZL8802無(wú)需知道實(shí)際輸出電容值。相反，它依靠數(shù)字算法來(lái)進(jìn)行正確的調(diào)整，以及確保穩(wěn)定性。這樣做的結(jié)果是減小了支持具體應(yīng)用所需的容值，同時(shí)提供了一種無(wú)補(bǔ)償設(shè)計(jì)。控制器的響應(yīng)確保任何瞬態(tài)條件均可得到滿足，同時(shí)保持穩(wěn)定性并將振鈴或過(guò)沖最小化。這種方案的系統(tǒng)級(jí)好處是不再限制設(shè)計(jì)工程師對(duì)電源元件的選擇。同時(shí)，該控制器還消除了元件老化或環(huán)境變化的影響，因?yàn)閿?shù)字回路可對(duì)變化進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和負(fù)責(zé)。

　　配置、驗(yàn)證和監(jiān)測(cè)

　　全數(shù)字式閉環(huán)控制方案的另一個(gè)好處是它與易于使用和強(qiáng)大的圖形用戶界面（GUI）相兼容。

　　PowerNavigator 軟件可以使用帶有USB接口的PC就能對(duì)多個(gè)器件進(jìn)行配置、驗(yàn)證和監(jiān)測(cè)。這使得易于使用簡(jiǎn)單的GUI來(lái)變更數(shù)字電源設(shè)計(jì)的所有特性和功能。使用這一工具，工程師能夠設(shè)置電源架構(gòu)，定義電壓軌以及均流操作，建立基于事件或基于時(shí)間的時(shí)序控制，監(jiān)測(cè)硬件和故障，以及保存項(xiàng)目和配置文件。

　　結(jié)論

　　在為物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算服務(wù)器和電信設(shè)備中采用的先進(jìn)FPGA、處理器和ASIC設(shè)計(jì)電源時(shí)，工程師最關(guān)心的問(wèn)題是功率密度、瞬態(tài)響應(yīng)和效率。諸如ZL8802等數(shù)字PWM DC／DC控制器提供優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)性能和無(wú)補(bǔ)償設(shè)計(jì)，有助于電源設(shè)計(jì)工程師獨(dú)立自主地在動(dòng)態(tài)性能與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間取持續(xù)性的平衡。