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數字電源的理解誤區有哪些?

2019-01-31來源: EEWORLD 關鍵字:數字電源  誤區

作者:
Fionn Sheerin——模擬電源和接口產品部的資深產品營銷工程師
Keith Curtis——MCU8部門的主管級技術工程師
Tom Spohrer——MCU16部門的產品營銷經理
Terry Cleveland——模擬電源和接口產品部經理


數十年來,模擬電源轉換器一直是行業中的主流電子器件,數字電源則是許多設計人員相對陌生的產品。公眾對于此類產品的評價見仁見智,有人稱其為電源轉換技術的新一代產物,也有人將其視作難以普及的奢侈品。現實情況是,數字電源轉換技術可實現諸多新功能,極具系統優勢,充分滿足不同的設計需求。如果找到妥善合理的使用方式,數字電源能夠發揮巨大作用,數字技術將使我們受益。為此,我們研究了常見的理解誤區,希望幫助用戶了解利用數字技術實現電源轉換的正確方法,深度剖析挑戰與優勢。

 

誤區1:開關電源只能是單純的模擬電源或數字電源,不可并存。

 


開關電源轉換系統本身就是一種混合信號系統。脈寬調制(PWM)信號是數字信號,反饋信號則屬于模擬信號。A/D轉換是連接這兩種節點的橋梁,轉換時序精密準確。這種轉換可能發生在基于放大器的控制網絡判定開關時機后,也可能發生在反饋信號允許數字算法決定何時進行開關時。模擬控制芯片正在逐步應用提供外部控制功能的數字接口,而數字單片機也在將實現電源控制功能的模擬組件納入其中,這種情況比過去更為普遍(見圖1)。雖然電源中一直可以應用單片機,但單片機對于系統運行的影響力遠高于以往。或者說,整個控制環均可通過數字信號控制器實現。無論怎樣,電源設計的靈活性與可調節性都會得到提升,能夠更加敏銳地響應環境條件或外部輸入。無論控制環自身在數字域還是模擬域中實現,都可以增加這些功能。如今,開關電源內置眾多數字邏輯器件,充分滿足應用需求。

 

 

誤區2:數字功能需要數字控制環

 

控制方法只是電源轉換系統的一項功能。所有模擬系統中均可使用單片機,從而提升監控或管理能力,針對電源的監控或管理同樣涵蓋其中。根據歷史經驗,專用模擬控制器件的動態可配置性非常有限,單片機對模擬控制環的影響因此受限。然而,與上一代器件相比,新型模擬控制器件普遍采用數字接口,配置與編程能力更加優異。同理,帶有單片機的集成電源轉換器產品應運而生,動態配置達到新的維度。利用智能組件選取數字通信接口,休眠模式、頻移、同步、軟啟動、智能故障保護或輸出電壓/電流變化全部可以在同一電源轉換系統中以智能方式實現,該系統可加入模擬或數字控制環中。

 

誤區3:數字電源的穩健性不如模擬電源

 

穩健性(Robustness)是一項復雜的系統功能,模擬或數字電源的穩健性可通過諸多措施得到提升。根據具體實施情況,模擬電源中欠壓和過壓比較器的反應更加迅速,提升了針對硬件故障的響應速度,真正實現逐周期限流。在數控電源中,更加先進的數控芯片采用專用模擬結構,上述方案同樣可以實現。數字控制器可以使用模擬限流比較器。此外,具備數字功能的電源(包括使用模擬控制環的電源)獨具諸多優勢,但這些優勢難以在真正的全模擬解決方案中得到體現。數字程序代碼可提供定制的故障或欠壓響應,包括定制軟啟動、軟關斷、涓流充電、超時和重試方法,這些都是難以(或無法)通過模擬控制器實現的功能。數字控制環或集成片上反饋網絡可弱化對于外部無源組件的依賴性,后者通常隨著時間推移發生變化或性能下降。最后,數字接口可提供診斷和報告信息,用于識別未來可能出現的問題,避免硬件系統運行中斷。加入這些功能后,可以創造出比簡單的專用模擬解決方案更為穩健的系統。無論具體實施情況如何,所有電源均需要謹慎測試,確保產品擁有長久的使用壽命。然而,目前對數字電源系統并沒有一個基本的可靠性限制標準,導致其性能看起來不及模擬電源系統。

 

誤區3:數字電源更加昂貴

 

設計人員可能認為數控電源比模擬電源更加昂貴,但事實并非總是如此。如果在設計中使用精度稍遜一籌,但價格相對低廉的組件,數字電源的制造成本并不高昂。數字電源所需的組件數量較少,在有效降低成本的同時,還能縮減解決方案的尺寸。數字電源還能夠削減總體擁有成本。在負載條件變化的應用中,設計人員可以實施非線性和自適應算法,使電源達到最高效率,不受工作條件影響。數字電源運行成本較低的另一項原因是,它可以解決組件在電源生命周期內的老化問題。如需實施預防性維護,則會通知用戶,避免出現災難性的組件故障(以及損失慘重的意外停機事故)。

 

誤區4:數字電源能效更高

 

數控電源可提升負載條件變化范圍較大的應用的能效。它們可利用自適應算法,甚至采用切相等技術修改系統拓撲,以響應工作條件的變化。數控電源可以使用非線性算法和預測算法改進瞬態動態響應。從特定設計角度而言,模擬電源的能效可能與數字電源毫無差別,但模擬電源的挑戰是,如果負載電流等條件偏離最優工作參數,如何實現能效最大化。另一方面,使用數字控制器的電源能效高于需要使用模擬控制器的電源。數字控制器一般更適合功率較高的應用,因為數字技術支持更全面的控制算法,進一步降低能耗,無疑可以抵消高功率應用中控制器的能耗開銷。

 

誤區5:數字控制器的延時對瞬態響應產生不利影響

 

數字補償系統主要面臨兩大延時問題:采樣效應和計算時間。

 

對于所有電源轉換,交叉頻率(瞬態響應)始終需要為相位裕度(穩定性)做出一定讓步。數字系統基本與之類似,但對數控系統進行采樣。定期采樣(每周期一次)在傳遞函數中增加了一個相移。數字系統需要更低的交叉頻率才能實現相同的相位裕度,因此這個相移難以補償(如果使用同一補償方法)。此外,處理器需要在一個開關周期內執行ADC讀取和差值計算,否則計算時間中將額外產生延遲時段。

 

這些不利因素可通過先進的非線性控制方法和前饋技術以及在模擬控制系統中難以(或無法)實施的算法得到解決。缺點是針對處理性能的要求比較苛刻,需要找到平衡處理速度、開關頻率、算法復雜度和瞬態響應的折衷方案。這些都是設計上的需求,并不代表采用數字控制必定會導致瞬態響應變差。

 

誤區6:無負載電流會導致問題

 

開關電源通常以連續導通或非連續導通模式工作。在非連續導通工作模式下,電感電流在每個PWM周期結束時降為零。在連續導通工作模式下,電感中可保持持續的電流。連續導通的優點是,電感電流不必在每個PWM脈沖中從零斜升,可為每個PWM周期提供更高的電流。然而,為了保持穩定性,誤差放大器/環路濾波器必須擁有合適的極點和零點組合。很遺憾,如果連續導通設計中的電流回落為零,控制環的穩定性就會受到影響。

 

為了應對這一問題,先前的設計中通常規定一個最低電流,或在輸出電路中加入一個負載電阻(強制連續導通,FCC)來保證最低電流。令人欣慰的是,同時處理連續和非連續工作模式(PWM和PFM)的電源控制器已經問世,其可通過監控電路確定模式切換的正確時機。因此,盡管模式切換曾是電源控制器設計的阻礙,但自動處理模式切換的新型控制器有效解決了這一問題,這種阻礙終究只是技術發展中的小插曲。

 

誤區7:數字電源設計困難

 


數控電源的設計難度不一定高于模擬電源,二者只是存在差別。這兩種電源的功率傳輸系統設計非常相似。控制環或補償器設計在數字控制器固件中實現,而非模擬電路。器件的極點和零點位置可用于定義補償器特性(與模擬電源設計相同),但如果是數字補償器,通常使用軟件工具配置控制環的最優響應。例如,Microchip的dsPIC?數字信號控制器系列產品使用高度優化的軟件庫,其中包括常見的2P2Z(II型)和3P3Z(III型)補償器算法,用戶可訪問Microchip網站免費下載。設計人員無需親自編寫軟件來實現這些功能。此外,根據通過設計工具導出的系數,可針對特定功率傳輸系統調整這些算法。

 

 

 

誤區8:數字電源設計比模擬電源設計容易 [因為前者只是軟件]

 

數字電源使用軟件控制算法,但這無法顯著簡化設計。設計人員仍需全面了解控制系統,然后將功率傳輸系統的頻率響應設計為能夠正確配置所用的基于軟件的補償器。另一方面,與調整所需硬件來改變電源相比,使用軟件調整電源運行以微調相關結果更加容易。

 

誤區9:只需使用DSP,數字電源即可替代一切:

 

雖然許多權威人士推崇數字電源,將其視為解決所有問題的“靈丹妙藥”,但其應用確實存在局限性。  例如,將所有處理能力集中到手掌大小的MP3播放器中,使用內置的鋰離子電池供電,目的只是提升電源電壓,這種做法毫無意義。另一方面,白金級服務器電源需要利用數字電源轉換器的功能,有效提供所需的電源輸出,快速響應負載變化。

 

例如,手機信號塔在發射器開啟時電流消耗極大,但其耗電量在發射器關閉后顯著下降。發射器的控制器控制發射器的開啟時機,進而對電源轉換器發出報警,調節平均電流的上升情況。因此,當發射器接通時,電流已經存在。此舉可避免在發射器接通后,環路濾波器響應過程中產生壓降。這是數字電源一項強大的功能,也從側面證明了設計的復雜性有所增加。

 

另一方面,電源需求相對恒定的系統可以使用設計相對簡單、復雜性更低并且更加節約成本的模擬系統。畢竟考慮到成本因素與設計簡易性,基于ASIC的穩壓器仍是用戶首選,地位難以撼動。

 

誤區10:軟件定義電源將唱主角

 

根據數年前的預測結果,軟件無線電(SDR)將替代原有產品,逐漸成為無線接收器的主流設計方案。雖然具備諸多優勢,但SDR一項主要缺陷嚴重限制了它的應用,即需要使用10到100 MIPS的處理器接收頻率。即使系統利用模擬混頻器將射頻(RF)信號轉換為頻率較低的中頻(IF)信號,也依然需要達到10到100 MIPs。除了處理解調,處理器對其他問題束手無策。顯而易見,該方案的性價比毫無優勢。目前,軟件定義電源(SDP)將成為行業主流產品的論斷并不科學。線性穩壓器的簡易程度與價格的確優于其他任何產品。但是,即便能夠以同等價格購買MIPS指標滿足要求的處理器,仍需使用5V線性穩壓器引導電源,以便處理器啟動。盡管SDP在電源領域具有一定地位,但實際只達到了“物盡其用”,提供相關功能而已。無論過去還是未來,SDP都不會成為電源轉換的通用解決方案。

 

結論


我們通常很難區分無意義的營銷資訊與精準的分析數據,不斷變化的市場形勢(例如當今的電源市場)更是增加了甄別信息的難度。技術變革的倡導者對新興技術帶來的優勢不吝贊美之詞,但經常忽視將會面臨的挑戰。相反,思維保守的人只關注技術難關,辯解說“切莫大費周章,弄巧成拙”。當然,我們不會邁向任何一個極端。我們通常以折衷的思維進行設計和工作,挖掘新技術的優勢,保留原有技術的精華,積極探索正確的技術組合,迎合當前設計需求。正因如此,Microchip提供廣泛的電源解決方案組合,涵蓋數字電源與傳統模擬電源。  技術領域沒有絕對的優劣之分,探索博采眾長的解決方案才是理想的發展之路。我們希望竭誠為用戶服務,滿足所有電源需求。

 


關鍵字:數字電源  誤區

編輯:baixue 引用地址:http://www.xxmingchehui.com/dygl/2019/ic-news013128895.html
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