模拟电源VS.数字电源——唇齿相依还是水火不容?

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模拟电源还是数字电源?两种技术哪个更有前景?一种技术会不会以压倒性优势取代另一种?两大阵营你来我往,好不热闹。从用户的角度看,很难确定哪一种方式更好。因为不断提高的系统复杂度为数字电源铺平了道路,而已经存在了几十年的模拟电源又有着诸多的固然优势。如何取舍?本文试图评判一下。

数字电源处理负载与效率时更有优势?

对于数字电源,用户有哪些期待?随着产品的性能不断提升,数字电源首先需要能够实现更复杂、更先进的算法;其次,随着电子设备内的晶体管技术越来越先进,用户对于开关频率的要求也更高;此外,用户还希望能有更多的性能提升空间,需要更多的独立控制环或更多输出,以及更多的差异化功能。

Microchip 16位单片机部门产品营销经理Tom Spohrer表示,在应对负载与效率的关系时,数字电源技术更胜一筹。他通过CSCI效率要求(下图)比较了两者的差距。图中纵轴代表效率,横轴代表负载,三条曲线分别代表钛金标准、铂金标准和黄金标准。如果想达到最高等级的钛金标准的话,就必须要在负载达到50%的时候,效率达到96%。当然更为困难的是,在10%的时候,效率达到90%。要想实现第二个目标,模拟技术几乎很难,所以很多客户转用数字技术,能够实现负载10%的时候效率达到90%。

 

模拟电源VS.数字电源——唇齿相依还是水火不容?


为了在不同的负载条件下提升效率,一种方式是通过自适应算法,包括切相、死区调节、可变开关频率、可变高电压来实现,但是这样对计算资源的要求会更高。当处理瞬态响应时,模拟电源更快,但有时效率不够高,而数字电源的优势在于当负载发生巨大变化,没有达到预计输出功率时,可以进行实时系数调整,以适应全新的负载的情况。此外,如果使用预测算法的话,数字电源无需采用控制环阻尼控制来进行脉宽调制,可以在最大值和最小值之间找到一个合理值,从而使得功率输出达到一定的目标。

模拟电源在工业领域仍大有可为?

Intersil公司工业电源市场与应用总监Lokesh Duraiappah认为,数字控制器最重要的是PMBus遥测功能,例如计算、通信、服务器等应用领域,可通过该功能监测每一个负载的温度、过电、过压功能,因此主要应用于基础设施行业中对于功率顺序和电压余量要求较高的场合。他举例,现在越来越多高功率应用中都有FPGA,它有多个电压轨,因此功率的顺序就非常重要,这时数字控制器的灵活性要优于模拟控制器。

工业用途的集成电路往往不需特别高的功率,也不是特别复杂,对于PMBus遥测功能也没有非常严格的要求,而是对占板空间、效率、解决负载点问题的需求很强烈,因此模拟控制器更为适合,而且工业市场的客户也更喜欢用模拟控制器。

那么,工业电源市场主要有哪些趋势和挑战?Lokesh Duraiappah表示,现在市场上对于消除中间级总线的呼声越来越高。一般来说从AC/DC有一个高压总线,一般是12V的中间总线,有的情况是8V或者9V,人们越来越多地都想消除中间转换器的中间总线。

至于消除中间总线能带来哪些好处,Lokesh Duraiappah解释,如果能够直接把高压(比如40V、36V、42V)转化为低压(包括3.3V、5V或者1V),可以带来很多好处。因为使用首先中间总线转换器本身就是一个成本因素,其次如果使用这样一个中间总线转换器,它的电流就会很高,这样在配电的过程中就会有更多的损失。如果能够把48V直接降到一个低电压的话就能够减少配电的损失。

除此之外,还有一些趋势就是随着FPGA、MCU、ASIC的复杂性日益上升,电压轨的数目随之增多,还有电压余量以及备用电池的使用等等。

 

模拟电源VS.数字电源——唇齿相依还是水火不容?


工业电源的众多挑战则在于现有的电源设计资源和专业知识仍需提高,需要更为可靠、易用的解决方案,需要通过增加电压余量来解决电源浪涌问题。

让数字电源设计更便捷

为了应对数字电源的设计挑战,Microchip多年前就提出DSC(数字信号控制器)的概念,它以MCU为中心并融合了DSP功能,支持单指令流,可以实现电源的全数字控制。日前,该公司进一步拓展其DSC产品,推出dsPIC33EP“GS”系列。据Tom Spohrer介绍,新系列产品可在开关频率更高的情况下实施更为复杂的非线性预测及自适应控制算法。这些高级算法可令电源设计实现更佳的能效和电源规格。此外,更高的开关频率使得设计人员能够以更低的成本开发出密度更高、体积更小的电源产品。相比上一代DSC产品,新型dsPIC33EP“GS”器件在应用于三极点三零点补偿器时其延迟可缩短一半时间,而且在任何应用中均可节省多达80%的能耗。

让数字电源设计更便捷

新产品具体技术细节如上图所示,采用70 MIPS 的全新dsPIC33EP内核。右侧棕色底的四个数字电源外设之间可以实现互操作性。比如,脉宽调制可以触发模数的转换器,并且是在脉宽调制的过程中触发模数转换器。模拟转换器也可以实现检测错误的功能。所有这些功能都不占用额外CPU的资源。新产品具备16KB~64KB闪存,2KB~8KB内存,工作温度最高可以达到125℃。

Tom Spohrer表示,新系列产品的性能之所以能够得到提升,有几个最为重要的原因:第一,功能最高达到70 MIPS的新内核,上一代产品只有50 MIPS;第二,整合入新内核中的一个全新寄存器级的功能;第三,较上一代速度提升了一倍的ADC(上一代是10位ADC)。

他进一步解释,这个现场选择的寄存器集几乎能够实现瞬时的现场切换,这种寄存器的设置方式之所以能够提升整体性能,是因为它能够提前将这些数据进行加载,而不用把新的值推送到现有的堆栈当中来进行计算,并且在这个过程中省去了很多内容保存的时间。补偿器速度最高能够提高达到50%,这也显著缩短了控制环的延迟,使得整个电源供应的性能得以大幅度提升。

此外,5个ADC总的转换速度最高达到16Msps,它们知道何时进行转换,因此能够提前进行中断,减少中断服务的开销。全新系列产品可以有最多22个的模拟输入,每一个模拟输入都有专用的结果寄存器,并且还有自主的数字比较器,通过将每一次转换结果和阈值电压进行比较,可在过压、欠压和超出范围等情况时产生中断,而这一过程无需CPU介入 ,性能更高。

GS系列的另一个新特性是及时更新的功能,无论系统处于什么状态,都能够对部件进行更新。增加这样功能的原因,也是基于客户对于高可容系统的需求与日俱增。Tom Spohrer举例说,比如在服务器供电领域的客户,就希望能够在不关掉服务器的前提下,对其部件进行更新。那么Microchip是怎样做到的呢? 答案是使用双闪存分区的方式。现有代码在第一个闪存分区运行,更新的那部分代码在第二闪存分区运行。两者之间的转换时间可以在300ns之内完成。这样的话就可以在PWM的中间实现。整个电力供应过程不受任何影响,代码更迭就已经完成了。

此外,Microchip还提供了一些非常完善的开发工具支持,其数字信号转换控制器针对数字电源进行了特别优化,代码间可无缝转换。

Tom Spohrer表示,凭借上述特性,dsPIC33EP“GS”系列产品可适用于电脑与电信(如AC / DC和DC/ DC电源)、工业(如太阳能逆变器、LED照明、HID照明、电池充电器、投影仪和电焊机)及汽车(如LED和HID前照灯及DC/DC转换器)等等。他特别强调,在大型服务器应用的场合,数字电源的应用就变得更为重要,因为通信电源更多需要远程观察,且从一个电源到另一个电源需要快速切换,多个电源的并联也要求更便捷,数字电源在这些应用场景都很有优势。