账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
剖析数位电源的理解误区
 

【作者: Microchip】2019年11月05日 星期二

浏览人次:【2265】
  

数十年来,类比电源转换器一直是行业中的主流电子器件,数位电源则是许多设计人员相对陌生的产品。公众对於此类产品的评价见仁见智,有人称其为电源转换技术的新一代产物,也有人将其视作难以普及的奢侈品。


现实情况是,数位电源转换技术可实现诸多新功能,极具系统优势,充分满足不同的设计需求。如果找到妥善合理的使用方式,数位电源能够发挥巨大作用,数位技术将使我们受益。为此,我们研究了常见的理解误区,希??帮助用户了解利用数位技术实现电源转换的正确方法,深度剖析挑战与优势。


误区1:交换式电源只能是单纯的类比电源或数位电源,不可并存。

交换式电源转换系统本身就是一种混合讯号系统。脉宽调变(PWM)讯号是数位讯号,回??讯号则属於类比讯号。A/D转换是连接这两种节点的桥梁,转换时脉精密准确。这种转换可能发生在基於放大器的控制网路判定开关时机後,也可能发生在回??讯号允许数位演算法决定何时进行开关时。



图一 :  MCP19118中的类比控制环数位管理。
图一 : MCP19118中的类比控制环数位管理。

类比控制晶片正在逐步应用提供外部控制功能的数位介面,而数位微控制器也在将实现电源控制功能的类比元件纳入其中,这种情况比过去更为普遍(见图一)。虽然电源中一直可以应用微控制器,但微控制器对於系统运行的影响力远高於以往。或者说,整个控制循环均可透过数位讯号控制器实现。


无论怎样,电源设计的灵活性与可调节性都会得到提升,能够更加敏锐地回应环境条件或外部输入。无论控制循环自身在数位环境还是类比环境中实现,都可以增加这些功能。如今,交换式电源已可根据应用需求增添数位逻辑元件。


误区2:数位功能需要数位控制循环

控制方法只是电源转换系统的一项功能。所有类比系统中均可使用微控制器,进而提升监控或管理能力,针对电源的监控或管理同样涵盖其中。根据历史经验,专用类比控制器件的动态可配置性非常有限,微控制器对类比控制循环的影响因此受限。


然而,与上一代器件相比,新型类比控制器件普遍采用数位介面,配置与程式设计能力更加优异。同理,带有微控制器的整合电源转换器产品应运而生,动态配置达到新的维度。利用智慧元件选取数位通讯介面,休眠模式、频移、同步、软启动、智慧故障保护或输出电压/电流变化全部可以在同一电源转换系统中以智慧方式实现,该系统可加入类比或数位控制循环中。


误区3:数位电源的稳健性不如类比电源

稳健性(Robustness)是一项复杂的系统功能,类比或数位电源的稳健性可透过诸多措施得到提升。根据具体实施情况,类比电源中欠压和过压比较器的反应更加迅速,提升了针对硬体故障的回应速度,真正实现逐周期的限流。然而,在数位控制电源中,或在一些采用专用类比结构的更加先进的数位控制晶片中,上述方案同样可以实现。数位控制器可以使用类比限流比较器。


此外,具备数位功能的电源(包括使用类比控制循环的电源)具备许多在真正全类比解决方案中难以达到的优势。数位程式码可提供客制化的故障或欠压回应,包括客制化软启动、软关闭、涓流充电、超时和重试方法,这些都是难以(或无法)透过类比控制器实现的功能。


数位控制循环或整合内建回??网路可减少对於外部被动元件的依赖性,後者通常随着时间推移发生变化或性能下降。最後,数位介面可提供诊断和报告资讯,用於识别未来可能出现的问题,避免硬体系统运行中断。加入这些功能後,可以创造出比简单的专用类比解决方案更为稳健的系统。


无论具体实施情况如何,所有电源均需要谨慎测试,确保产品拥有长久的使用寿命。然而,目前对数位电源系统并没有一个基本的可靠性限制标准,导致其效能看起来不及类比电源系统。


误区3:数位电源更加昂贵

设计人员可能认为数位控制电源比类比电源更加昂贵,但事实并非总是如此。如果在设计中使用精度稍逊一筹,但价格相对低廉的元件,数位电源的制造成本并不高昂。数位电源所需的元件数量较少,在有效降低成本的同时,还能缩减解决方案的尺寸。数位电源还能够削减总体拥有成本。在负载条件变化的应用中,设计人员可以实施非线性和自我调整演算法,使电源达到最高效率,不受工作条件影响。


数位电源运行成本较低的另一项原因是,它可以解决元件在电源生命周期内的老化问题。如需实施预防性维护,则会通知用户,避免出现灾难性的元件故障(以及损失惨重的意外停机事故)。


误区4:数位电源能效更高

数位控制电源可提升负载条件变化范围较大的应用的能效。它们可利用自我调整演算法,甚至采用换相等技术修改系统拓扑,以回应工作条件的变化。数位控制电源可以使用非线性演算法和预测演算法改进瞬态动态回应。从特定设计角度而言,类比电源的能效可能与数位电源毫无差别,但类比电源的挑战是,如果负载电流等条件偏离最优工作叁数,如何实现能效最大化。


另一方面,使用数位控制器的电源能效高於需要使用类比控制器的电源。数位控制器一般更适合功率较高的应用,因为数位技术支援更全面的控制演算法,进一步降低能耗,无疑可以抵消高功率应用中控制器的能耗损失。


误区5:数位控制器的延时对暂态反应产生不利影响

数位补偿系统主要面临两大延时问题:采样效应和计算时间。


对於所有电源转换,交叉频率(暂态反应)始终需要为相位边限(稳定性)做出一定让步。数位系统基本与之类似,但对数位控制系统进行采样。定期采样(每周期一次)在传递函数中增加了一个相位偏移。数位系统需要更低的交叉频率才能实现相同的相位边限,因此这个相位偏移难以补偿(如果使用同一补偿方法)。此外,处理器需要在一个开关周期内执行ADC读取和差值计算,否则计算时间中将额外产生延迟时段。


这些不利因素可透过先进的非线性控制方法和前??技术,以及在类比控制系统中难以(或无法)实施的演算法得到解决。缺点是针对处理性能的要求比较苛刻,需要找到平衡处理速度、开关频率、演算法复杂度和暂态反应的折衷方案。这些都是设计上的需求,并不代表采用数位控制必定会导致暂态反应变差。


误区6:无负载电流会导致问题

交换式电源通常以连续导通或非连续导通模式工作。在非连续导通工作模式下,电感电流在每个PWM周期结束时降为零。在连续导通工作模式下,电感中可保持持续的电流。连续导通的优点是,电感电流不必在每个PWM脉冲中从零斜升,可为每个PWM周期提供更高的电流。


然而,为了保持稳定性,误差放大器/环路滤波器必须拥有合适的极点和零点组合。很遗憾,如果连续导通设计中的电流回落为零,控制循环的稳定性就会受到影响。


为了应对这一问题,先前的设计中通常规定一个最低电流,或在输出电路中加入一个负载电阻(强制连续导通,FCC)来保证最低电流。令人欣慰的是,同时处理连续和非连续工作模式(PWM和PFM)的电源控制器已经问世,其可透过监控电路确定模式切换的正确时机。


因此,尽管模式切换曾是电源控制器设计的阻碍,但自动处理模式切换的新型控制器有效解决了这一问题,这种阻碍终究只是技术发展中的小??曲。


误区7:数位电源设计困难

数位控制电源的设计难度不一定高於类比电源,二者只是存在差别。这两种电源的功率传输系统设计非常相似。控制循环或补偿器设计在数位控制器韧体中实现,而非类比电路。器件的极点和零点位置可用於定义补偿器特性(与类比电源设计相同),但如果是数位补偿器,通常使用软体工具配置控制循环的最优回应。例如,Microchip的dsPIC数位讯号控制器系列产品使用高度优化的软体库,其中包括常见的2P2Z(II型)和3P3Z(III型)补偿器演算法,使用者可浏览Microchip网站免费下载。设计人员无需亲自编写软体来实现这些功能。



图二 : 上图为开关电源中数位控制环需要使用的硬体,下图则为等效的模拟控制环。
图二 : 上图为开关电源中数位控制环需要使用的硬体,下图则为等效的模拟控制环。

此外,根据透过设计工具汇出的系数,可针对特定功率传输系统调整这些演算法。


误区8:数位电源设计比类比电源设计容易 [因为前者只是软体]

数位电源使用软体控制演算法,但这无法显着简化设计。设计人员仍需全面了解控制系统,然後将功率传输系统的频率回应设计为能够正确配置所用的基於软体的补偿器。另一方面,与调整所需硬体来改变电源相比,使用软体调整电源运行以微调相关结果更加容易。


误区9:只需使用DSP,数位电源即可替代一切:

虽然许多权威人士推崇数位电源,将其视为解决所有问题的「灵丹妙药」,但其应用确实存在局限性。 例如,将所有处理能力集中到手掌大小的MP3播放机中,使用内置的锂离子电池供电,目的只是提升电源电压,这种做法毫无意义。另一方面,白金级伺服器电源需要利用数位电源转换器的功能,有效提供所需的电源输出,快速回应负载变化。


例如,手机基地台在发射器开启时电流消耗极大,但其耗电量在发射器关闭後显着下降。发射器的控制器控制发射器的开启时机,进而对电源转换器发出警报,调节平均电流的上升情况。因此,当发射器接通时,电流已经存在。此举可避免在发射器接通後,环路滤波器响应过程中产生压降。这是数位电源一项强大的功能,也从侧面证明了设计的复杂性有所增加。


另一方面,电源需求相对??定的系统可以使用设计相对简单、复杂性更低并且更加节约成本的类比系统。毕竟考虑到成本因素与设计简易性,基於ASIC的稳压器仍是用户首选,地位难以撼动。


误区10:软体定义电源将成主角

根据数年前的预测结果,软体无线电(SDR)将替代原有产品,逐渐成为无线接收器的主流设计方案。虽然具备诸多优势,但SDR一项主要缺陷严重限制了它的应用,即需要使用10到100 MIPS的处理器接收频率。即使系统利用类比混频器将射频(RF)讯号转换为频率较低的中频(IF)讯号,也依然需要达到10到100 MIPs。除了处理解调,处理器对其他问题束手无策。显而易见,该方案的性价比毫无优势。


目前软体定义电源(SDP)将成为行业主流产品的论断并不科学。线性稳压器的简易程度与价格的确优於其他任何产品。但是,即便能够以同等价格购买MIPS指标满足要求的处理器,仍需使用5V线性稳压器引导电源,以便处理器启动。尽管SDP在电源领域具有一定地位,但实际只达到了「物尽其用」,提供相关功能而已。无论过去还是未来,SDP都不会成为电源转换的通用解决方案。


结论

我们通常很难区分无意义的行销资讯与精准的分析资料,不断变化的市场形势(例如当今的电源市场)更是增加了监别资讯的难度。技术变革的宣导者对新兴技术带来的优势不吝赞美之词,但经常忽视将会面临的挑战。相反的,思维保守的人只关注技术难关,辩解说「切莫大费周章,弄巧成拙」。


当然,我们不会迈向任何一个极端。我们通常以折衷的思维进行设计和工作,挖掘新技术的优势,保留原有技术的精华,积极探索正确的技术组合,迎合当前设计需求。正因如此,Microchip提供广泛的电源解决方案组合,涵盖数位电源与传统类比电源。技术领域没有绝对的优劣之分,探索博采众长的解决方案才是理想的发展之路。


(本文作者Fionn Sheerin1、Keith Curtis2、Tom Spohrer3、Terry Cleveland4为Microchip公司1类比电源和介面产品部资深产品行销工程师、2 MCU8部门主管级技术工程师、3 MCU16部门产品行销经理、4类比电源和介面产品部经理)


相关文章
非挥发性记忆体暂存器:新一代数位温度感测器安全性和可靠性大跃进
强化学习:入门指南
强化学习:入门指南
从风洞到人行道:智慧型婴儿车电子动力系统开发
无刷直流马达控制应对新挑战
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
mbed
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Arduino
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Raspberry Pi
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
  相关新闻
» 医疗科技展各展实力 精准健康趋向势在必行
» 报告:2025年全球5G用户将达到26亿
» 2019未来科技展5日开幕 媒合商机逾10亿元
» MIC:实现智慧创新 独立式5G架构将扮演重要角色
» 杜邦微电路材料携手工研院 推出低温共烧陶瓷5G射频模组方案
  相关产品
» 浩亭Han DDD 以最低限度空间实现安全信号传输
» 二合一功能性家俱Frida采用igus轴承技术 将沙发和桌子融为一体
» 意法半导体超值系列MCU新增STM32WB无线微控制器
» TE推出散热桥解决方案 提供两倍热传导性能
» 大联大世平推出英特尔Movidius Myriad 2的 双目VSLAM空间定位方案
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw