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類比、數位還是混合型電源:何時為電源增加智慧功能才有意義
 

【作者: Fionn Sheerin】   2018年11月06日 星期二

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電源轉換應用無處不在。小到鈕扣電池所使用的升壓轉換器來調整(電量逐漸減小)電壓的可?式設備,大到進行大量備用AC-DC轉換的行動電話基地台,一切都需要電力。業界對數位電源的討論有很多;例如,將電源轉換移至軟體,最終用相應軟體替代我們所有的電源硬體。現實情況要複雜得多,動態性也要差得多。


大多數電源轉換是(並將始終)在專用硬體中實現的。不過,隨著數位訊號處理器(DSP)和數位配置控制器的功能越來越強大,對於精明的設計人員而言,可供其使用的選項和電源轉換功能也越來越多,更何況設計人員並不畏懼在韌體編譯器方面挑戰一番。


最大的問題是時機;何時在設計過程中增加韌體是值得的,何時是使用傳統的類比電源轉換最佳時機?答案與其所涵蓋的電源轉換一樣,是不固定的。目前推動數位電源轉換投資的主要因素有四個:回報、可靠性、動態負載管理和總體擁有成本。


資料回報功能是數位化電源的主要優勢之一。在許多系統中,瞭解處理器負載電流、電池電壓或功率大小是有利的。這些資訊可用於節制風扇速度、管理系統冷卻或向使用者回報狀態。在生成或獲取應用程式時,該功能可以向中央系統回報本地發電情況,或在耗電情況下回報所需電能—這兩種情況均可使總體系統更為高效。


今日幾乎所有的備用電池或電池電源都使用某種形式的電量計量。在高效能計算應用中,使用者可能希望看到系統電壓恰好能夠使微處理器超頻,或者資料中心可能只是想要監測其(實質)電源預算花費在哪些方面。準確的電壓回報比較常見,但準確的電流或準確的功率回報則比較困難。後兩者均需要良好的測量電路,通常圍繞系統中某處的類比數位轉換器構建。


此外,無論是採用I2C、SMBus、PMBus、智慧電池、SPI還是任何其他方法(標準或專有),都需要回報測量資料。這種測量和回報需要數位電路,但實際上並不需要數位化的控制迴路,因此可單獨實現,即使用監控電路(可能使用PIC12F18xx系列微控制器)來監控類比電壓轉換器。電壓轉換也可以在PIC MCU的核心獨立周邊(CIP)中完成,或者使用內建MCU(例如MCP19xxx系列元件)的單晶片式類比控制來完成。


這些方法均可以實現數位回報,而且不需要數位控制迴路,這通常可加快系統設計。有了此類系統,為進行回報而添加一定級別的數位電路就變得很容易,並且可以圍繞類比電源構建。



圖1 : 類比電源的數位管理實現該方法比真正的數位控制迴路更容易實現,同時還具備數位電源的眾多優勢。使用現代控制器時,您會發現這些模組整合在一個IC(例如MCP19119)中。
圖1 : 類比電源的數位管理實現該方法比真正的數位控制迴路更容易實現,同時還具備數位電源的眾多優勢。使用現代控制器時,您會發現這些模組整合在一個IC(例如MCP19119)中。


回報可提高系統的可靠性。硬體現在可以監視異常行為,並進行通報,可在導致硬體故障之前檢測到問題。這樣一來,便可延長資料中心等高可靠性系統的正常執行時間。此外,還可使用數位控制迴路進一步提高可靠性。類比控制迴路的補償取決於隨時間發生偏移的被動類比元件。數位計算始終是相同的。不過,更大的優勢在於能夠處理故障和錯誤。與純類比控制電路相比,智慧韌體能夠採取更多措施來減輕或標記有問題的情況。更重要的是,它可以回應這些錯誤。這可能意味著切換到備用電源,或通知系統操作員設備需要修理。在系統層面上,這可以顯著提高可靠性。


使用數位通訊介面時,應用程式還能夠接收數位命令。這可以實現更精細的負載管理。自我調整電壓調整、電壓裕度調整,甚至僅僅是複雜的負載都需要具備對電源操作進行動態調整的能力。這些可以通過PMBus標準或智慧電池協議等標準化命令來實現;也可以通過I2C或SPI介面的專有命令實現。或可以根據環境溫度、輸入電壓或負載功率變化等環境測量值進行操作更改——無需任何外部通訊。


如果純類比電源檢測到掉電並鎖定電源輸出到處理器,則數位控制器可能會降低輸出電壓,向處理器發出降速的信號,讓處理器進入降速的運作,直到輸入恢復(緩慢的回應優於無回應)。系統也可以即時調整工作頻率,提高各負載條件下的效率,同時仍保持固定頻率操作的優勢。與資料回報類似,這些都是數位電路的典型應用,但是(取決於所需的確切性能變化)它們並不總是需要數位電源控制。例如,Microchip的MIC24045類比電源控制器可以使用I2C介面進行管理。除此之外,該元件可以動態調整輸出電壓或電流限值以適應不斷變化的要求。


最終決定通常取決於能否能降低總體擁有成本。如果因數位電源所帶來的優勢降低的總體擁有成本高於所增加的系統成本(就開發時間和硬體而言),則數位電源明顯勝出。隨著數位控制變得越來越普遍,更優異的設計工具使得數位控制設計變得越來越容易,數位控制變得越來越便宜和輕鬆。


Microchip的軟體支援套件,包括用於配置MCU的Microchip程式產生器的圖形介面,以及用於生成程式以類比可輕鬆實現閉環的極點-零點放置的數位電源控制工具。這減少了開發數位電源控制所需的投資,數位解決方案在越來越多的應用中扮演了關鍵作用。


與此同時,隨著數位訊號處理器速度的提高,瞬態回應和操作變化也越來越快。通過不斷調整電源操作,以適應當前的負載條件和溫度,數位電源可以在各種負載條件下保持較高的平均效率。這種效率優勢直接轉化為發電應用(例如太陽能逆變器)的利潤,也可以降低耗電應用(例如資料中心或基地台)的開銷成本。



圖2 : 類比和數位控制迴路實現對比(框圖層面)。如果電源滿足應用需求,用戶始終不會瞭解其中的差別。
圖2 : 類比和數位控制迴路實現對比(框圖層面)。如果電源滿足應用需求,用戶始終不會瞭解其中的差別。

無論控制迴路是類比的還是數位的,只要其正常工作,用戶便不會瞭解其中的差別。如果應用優勢不存在,則使用數位控制迴路或數位化控制器可能是沒有意義的。


在這些情況下,有許多類比電源解決方案可以滿足電路更小巧、更易於實現的應用要求。使用電源模組(包含半導體控制器、功率MOSFET和磁性元件的整合封裝)正在提供振奮人心的整合選項,幾乎完全省去了電源設計工作。例如,MIC45404模組只需使用兩個外部電容即可執行12V至3.3V的轉換,輸出電流高達5A。與數位電源解決方案相比,這是一種非常精確的電源轉換,而所需的惟一設計工作是電路板佈線。在許多應用中,這種簡單的方法將有助於產品更快上市,同時還能提供有效的DC-DC轉換。


能力越大,責任越大。與先前的類比產品相比,數位控制迴路,帶數位介面的混合PWM控制器或基於CIP的微控制器解決方案,均可以實現更多的配置。這為設計提供了更大的靈活性,但是它要求系統設計人員花時間編寫韌體來配置相應的附加參數。在許多情況下,結果是值得的——旦類比控制,將始終是電源轉換的主要方案。


(本文作者Fionn Sheerin為Microchip類比電源與介面產品部資深產品行銷工程師)


**刊頭圖(source:integrate-expo.com)


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