空間受限的應(yīng)用以及散熱的挑戰(zhàn)

在高性能、大功率電源設(shè)計(jì)不斷需要更多功率的同時(shí)，它們?cè)诳捎秒娐钒蹇臻g上變得越來(lái)越受到限制。此外，不管電源設(shè)計(jì)人員是否經(jīng)驗(yàn)豐富，功率密度都給他們帶來(lái)了極大的新挑戰(zhàn)。一般情況下，這些設(shè)計(jì)需要具有高于90%的轉(zhuǎn)換效率，以限制電源的功耗和溫升。因此，熱性能設(shè)計(jì)尤其重要，因?yàn)橛糜谏⒊?、由DC/DC電源轉(zhuǎn)換損耗和有限的空氣流動(dòng)產(chǎn)生的熱量的空間非常小。除此之外，這些電源必須有卓越的輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)還必須限制所需的外部電容以縮小電源設(shè)計(jì)的總體尺寸。

以服務(wù)器為例，在此類特殊的高功率系統(tǒng)中，足夠的散熱空間和冷卻是十分必要的。就任何POL轉(zhuǎn)換器而言，緊湊、高效并具有低靜態(tài)電流以滿足這些新綠色標(biāo)準(zhǔn)的要求極為重要。此外，很多微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器都需要內(nèi)核電源和輸入/輸出電源，它們?cè)趩?dòng)時(shí)必須進(jìn)行排序。設(shè)計(jì)工程師必須考慮在加電和斷電操作時(shí)對(duì)內(nèi)核和I/O電壓源的上電電壓進(jìn)行排序，以符合制造商的性能規(guī)格要求。如果沒(méi)有恰當(dāng)?shù)碾娫磁判颍涂赡墚a(chǎn)生閉鎖或者過(guò)大的電流，導(dǎo)致微處理器I/O端口或者存儲(chǔ)器、FPGA、PLD或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等器件的I/O端口損壞。

讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師煩擾的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是應(yīng)采用單級(jí)轉(zhuǎn)換還是兩級(jí)或者更多級(jí)轉(zhuǎn)換，比方說(shuō)從48V到1.xV，是一次轉(zhuǎn)換，還是從48V到12V中間總線架構(gòu)，然后再利用負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器從12V轉(zhuǎn)換到1.xV。具體采用何種架構(gòu)取決于很多因素，包括根據(jù)系統(tǒng)類型、采用的設(shè)計(jì)方法以及其他因素來(lái)決定。然而不管采用哪種架構(gòu)，電壓不斷下降的同時(shí)對(duì)電流有更高需求的應(yīng)用，持續(xù)推動(dòng)著很多這類大功率系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并推動(dòng)著對(duì)于電源IC技術(shù)的不斷改進(jìn)?？傮w來(lái)說(shuō)，在對(duì)電源轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生最小影響的前提下允許采用更高的開(kāi)關(guān)頻率，還可以依靠降低開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗來(lái)提高電源效率性能。分立式電源設(shè)計(jì)是將傳統(tǒng)的電源模塊和分立元件一起放置在一塊印刷電路板上，由于外形尺寸的影響而導(dǎo)致電氣性能和熱性能均受到限制。因此，關(guān)鍵是提供一個(gè)完全集成并提高電氣和散熱性能的電源解決方案，同時(shí)又能給工程師提供一個(gè)易于使用和靈活編程的緊湊型方案。

Altera旗下Enpirion品牌的PowerSoC采用獨(dú)特的MEMS電感集成技術(shù)和EDMOS開(kāi)關(guān)管集成技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)高功率密度和更高效率性能的目標(biāo)上大大前進(jìn)了一步。其能夠滿足高性能、大功率空間受限電源設(shè)計(jì)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

其實(shí)，大功率POL穩(wěn)壓器是空間受限電源設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的例子。這種類型的電源在大型系統(tǒng)板上一般放在非?？拷⑻幚砥?、FPGA或者ASIC的地方，為這些器件提供全部所必需的功率。大型數(shù)字器件常常需要范圍為幾安培至100安培以上的電流。大型系統(tǒng)板常常需要幾個(gè)這樣的POL電源，因此為這些電源設(shè)計(jì)中的每一個(gè)分配空間帶來(lái)了挑戰(zhàn)。除此之外，系統(tǒng)板的背面常常是高度受限的，一般不適合電源設(shè)計(jì)。分立電源轉(zhuǎn)換器一般會(huì)利用系統(tǒng)板的兩面實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)，而傳統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)由于其高度太高，將僅限于系統(tǒng)板正面。Altera新推出的一系列電源集成方案都實(shí)現(xiàn)更低的方案尺寸和器件高度，非常適合空間受限的大型功率應(yīng)用，例如可提供連續(xù)輸出電流30A的數(shù)字電源方案EM1130。該產(chǎn)品集成電感、開(kāi)關(guān)MOSFET、控制器和補(bǔ)償回路，整體器件尺寸只有11mm×17mm，高度僅有5mm，整個(gè)方案整體的占位面積小于360mm2，并有進(jìn)一步縮小方案尺寸的潛能。

另外一個(gè)引人注目的用于POL DC/DC轉(zhuǎn)換的IC是EC7401。該器件是一個(gè)4相同步降壓型開(kāi)關(guān)控制器，具有跟蹤功能，用于驅(qū)動(dòng)外部互補(bǔ)功率MOSFET。其具有MOSFET VDS檢測(cè)的恒定功率，電流模式架構(gòu)消除了對(duì)電流檢測(cè)電阻的需求，降低了成本并提高了工作效率。讓多個(gè)Powertrain ET4040以異相工作，最大限度地降低了由輸入電容器ESR引起的功率損耗和噪聲。EC7401+ET4040方案還極大地降低了輸入和輸出電源上的峰值輻射和傳導(dǎo)噪聲。這使符合國(guó)際EMI標(biāo)準(zhǔn)更加容易，100%占空比能力提供了低壓差工作性能。
由于在一個(gè)給定機(jī)箱內(nèi)的空間和冷卻受限，以及需要正確的電源跟蹤以改善系統(tǒng)可靠性等多種限制因素，用于大功率的POL DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)工程師面臨很多挑戰(zhàn)。盡管市場(chǎng)上產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期在日益縮短，因?yàn)锳ltera的PowerSoC系列產(chǎn)品易于使用，所以可以縮短產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)至上市的時(shí)間，并最大程度地降低了設(shè)計(jì)難度。
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需要滿足更嚴(yán)苛的電氣性能

電氣系統(tǒng)節(jié)能在全球的勢(shì)頭正在增強(qiáng)，就產(chǎn)生和消耗而言，成本節(jié)省太具有吸引力了。迎接這一挑戰(zhàn)的是電源管理IC供應(yīng)商，他們正在采用新的設(shè)計(jì)方法，以在其產(chǎn)品中對(duì)數(shù)十安培負(fù)載電流實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換。同時(shí)，他們還在IC置于備用或者停機(jī)模式的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的靜態(tài)電流。

設(shè)計(jì)工程師需要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)是，滿足所有系統(tǒng)內(nèi)核中不斷增加的高性能DSP和ASIC電氣性能要求。主要性能問(wèn)題包括電壓穩(wěn)壓、電流瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲。

穩(wěn)壓和電流瞬態(tài)響應(yīng)密切相關(guān)。為了在解決方案尺寸越來(lái)越小且功耗越來(lái)越低的情況下獲得更高的性能，要使用所需電壓也不斷降低的更小晶體管工藝來(lái)制造數(shù)字半導(dǎo)體?，F(xiàn)在低于1V的內(nèi)核電壓要求將成為標(biāo)準(zhǔn)的電壓要求。除了低壓以外，對(duì)電壓容差的要求也越來(lái)越高。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)是：線路（輸入電壓變化）、負(fù)載（負(fù)載電流微小變化）、時(shí)間、溫度和電流瞬變等造成的總電壓容差不超過(guò)3%。這樣，電源設(shè)計(jì)人員就只有30mV的電壓空間來(lái)滿足所有的數(shù)字系統(tǒng)要求。線路、負(fù)載、時(shí)間和溫度等DC參數(shù)還要占用大約一半（15mV）的容差預(yù)算。剩余的15mV則用于處理計(jì)算或數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載帶來(lái)的突發(fā)電流變化（1個(gè)至3個(gè)時(shí)鐘周期）。

如果內(nèi)核電壓超過(guò)規(guī)定容差極限，那么數(shù)字IC可能會(huì)開(kāi)始復(fù)位，否則就會(huì)產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤。為了防止這一情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)人員需要特別注意所使用的POL模塊的瞬態(tài)性能。數(shù)字負(fù)載（例如最新的Altera Arria10）要求極為快速的瞬態(tài)響應(yīng)和極低的電壓偏離。為了達(dá)到這些目標(biāo)，許多附加的輸出電容器通常會(huì)被添加到DC/DC轉(zhuǎn)換器中，以提供直到其反饋環(huán)路能夠響應(yīng)的保持時(shí)間。從而構(gòu)成完整的電源解決方案。

多年來(lái)，電容技術(shù)不斷發(fā)展，容積效率不斷提高，即便使用更高的容積效率，整個(gè)電源解決方案也會(huì)超過(guò)單個(gè)電源模塊體積的兩倍。這就要求占用PCB較大的空間。然而，在今天更為小型化的系統(tǒng)中通常不能提供這樣大的空間。另外，在計(jì)入電容器成本的情況下，電源材料的整體成本也會(huì)超出電源模塊成本許多。

隨著DC/DC電源模塊技術(shù)的不斷創(chuàng)新，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以在使用更少輸出電容的同時(shí)，獲得更快的瞬態(tài)響應(yīng)、更小的電壓偏離。Altera推出的更新版本Cyclone V SoC的電源參考設(shè)計(jì)，便是一個(gè)典型的例子。這些高度集成的電源解決方案可以使得輸出電容的數(shù)量減少一半（10個(gè)減為5個(gè)），極大程度地幫助用戶簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)難度和成本。影響POL轉(zhuǎn)換器性能的另一個(gè)決定性因素是噪聲。開(kāi)關(guān)式POL運(yùn)行在不同頻率上并共享一個(gè)共有輸入總線時(shí)，由此產(chǎn)生的不同頻率及其差異會(huì)造成拍頻問(wèn)題，對(duì)EMI濾波造成困難。Enpirion的EM1130模塊具有Sync同步特性，該特性使得設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒍鄠€(gè)EM1130模塊的開(kāi)關(guān)頻率與特定頻率同步，從而消除拍頻，并使得EMI濾波更加輕松，而同時(shí)又不會(huì)增加任何的系統(tǒng)額外成本。

數(shù)字電源的發(fā)展趨勢(shì)

10多年前，當(dāng)數(shù)字電源產(chǎn)品第一次出現(xiàn)時(shí)，大多數(shù)的電源設(shè)計(jì)工程師都對(duì)利用DSP的數(shù)字電源控制器代替模擬的PWM控制器的概念持懷疑態(tài)度，因?yàn)槿藗內(nèi)菀讓?shù)字電源和軟件故障或者是因?yàn)橄到y(tǒng)死機(jī)引起的電源爆炸事故聯(lián)系在一起。在包含了數(shù)字通信和控制復(fù)雜的功率系統(tǒng)所必需的全部功能性產(chǎn)品面世之前，這些基本概念是通過(guò)高成本的DSP或者性能有限的FPGA得到驗(yàn)證的。雖然數(shù)字電源技術(shù)已被證實(shí)具有提高功率系統(tǒng)性能的能力，但業(yè)界還不能接受利用數(shù)字技術(shù)處理原來(lái)一直通過(guò)模擬方式完成的工作。在過(guò)去的幾年間，數(shù)字電源技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，市場(chǎng)分析人士以及投資者對(duì)其未來(lái)增長(zhǎng)潛力非常樂(lè)觀。

首先，我們要了解一下當(dāng)前數(shù)字電源市場(chǎng)有哪些不同的解決方案，先了解清楚數(shù)字電源究竟意味著什么是很重要的。功率系統(tǒng)監(jiān)視、監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)和數(shù)據(jù)記錄是“數(shù)字電源管理”的一個(gè)重要方面，其可以通過(guò)價(jià)廉的微控制器、FPGA或者PLD實(shí)現(xiàn)，而時(shí)基要求比較低。不過(guò)，數(shù)字電源更具有挑戰(zhàn)性的例子是“數(shù)字控制電源”，其中有一個(gè)或多個(gè)電源控制環(huán)路，以高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和微控制器、狀態(tài)機(jī)或DSP控制算法為基礎(chǔ)。

根據(jù)半導(dǎo)體市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IMS估計(jì)，全球數(shù)字功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將從2012年的27億美元增長(zhǎng)到2017年的124億美元。服務(wù)器現(xiàn)在是數(shù)字電源的最大單一市場(chǎng)，預(yù)計(jì)2013年占到整體營(yíng)業(yè)收入的33%。2012-2017年該領(lǐng)域的復(fù)合年度增長(zhǎng)率將達(dá)44.8%。增長(zhǎng)最快的數(shù)字電源應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹钦彰?，預(yù)計(jì)2012至2017年，該領(lǐng)域的復(fù)合年度增長(zhǎng)率將達(dá)146%。其中來(lái)自LED照明解決方案的使用不斷增長(zhǎng)，尤其是需要滿足切相調(diào)光解決方案適合采用數(shù)字電源控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同相位調(diào)光器的兼容性。同時(shí)，筆記本與平板電腦中的PFC數(shù)字電源的復(fù)合年度增長(zhǎng)將分別達(dá)99%和82%。主要家用電器中數(shù)字電源將增長(zhǎng)76%，手機(jī)中數(shù)字電源將增長(zhǎng)52%。從中可以看出，未來(lái)幾年內(nèi)數(shù)字電源的營(yíng)收增長(zhǎng)勢(shì)頭將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)模擬電源。

迄今為止市場(chǎng)上出現(xiàn)的專用數(shù)字控制器中，大多數(shù)是隔離DC/DC和AC/DC功率因數(shù)校正（PFC），它們之所以在市場(chǎng)上獲得更多認(rèn)可的原因，主要是在于最近幾年市場(chǎng)上蓬勃發(fā)展的智能手機(jī)/平板快速充電的需求日益提高，和更加節(jié)能綠色的LED照明替換傳統(tǒng)照明的大勢(shì)所趨。此外，市場(chǎng)上對(duì)非隔離DC/DC功率轉(zhuǎn)換（例如電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）和POL轉(zhuǎn)換器）的數(shù)字化需求也日益增加。

數(shù)字PFC控制器的功能性要求與POL控制器截然不同。PFC穩(wěn)壓器對(duì)于負(fù)載調(diào)節(jié)精度要求較低，而且工作在更低的開(kāi)關(guān)頻率和更低的控制環(huán)路帶寬下，容易帶來(lái)量化誤差以及ADC分辨率下降等設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。此外，PFC控制器存在獨(dú)特的設(shè)計(jì)問(wèn)題，需要豐富的系統(tǒng)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。AC/DC電源一般需要能夠降低諧波失真和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓所產(chǎn)生噪聲的電磁干擾（EMI）濾波器。數(shù)字PFC穩(wěn)壓器可以整合功能以降低對(duì)EMI濾波器的要求，可以使得EMI濾波器更小更高效。根據(jù)所采用的控制算法和工作模式（比如不連續(xù)傳導(dǎo)模式、連續(xù)傳導(dǎo)模式或者邊界傳導(dǎo)模式）的不同，模擬PFC控制器可以分為好幾類。每一種PFC工作模式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在不同功率級(jí)更為顯著。數(shù)字PFC控制器可以被分配在任一種PFC控制模式下。

不論是對(duì)PFC應(yīng)用，還是POL應(yīng)用，一個(gè)可以配置在許多OEM（原始設(shè)備制造商）產(chǎn)品平臺(tái)上的控制器有助于加快開(kāi)發(fā)速度，并減少需維護(hù)的元件庫(kù)存，以提高更高的價(jià)值。
數(shù)字電源更適合于更大功率的應(yīng)用，因?yàn)檫@類應(yīng)用需要一個(gè)或多個(gè)PFC（功率因數(shù)校正）穩(wěn)壓器、多個(gè)隔離和非隔離的電源軌，以及復(fù)雜的冷卻溫度曲線。服務(wù)器電源系統(tǒng)就是數(shù)字控制和電源管理在分布式電源架構(gòu)中提供性能和效率優(yōu)勢(shì)的實(shí)例之一。隨著越來(lái)越多的數(shù)字電源進(jìn)入到服務(wù)器和計(jì)算功率領(lǐng)域，其他大功率DPA（分布式電源架構(gòu)）系統(tǒng)（比如用于電信和數(shù)據(jù)通信的DPA系統(tǒng)）開(kāi)始采用數(shù)字電源解決方案。

POL轉(zhuǎn)換器一般為低電壓、大電流數(shù)字負(fù)載（如FPGA、微處理器、DSP及其他具有極高動(dòng)態(tài)特性的數(shù)字電路）提供電壓。保持電壓在1V左右的精確調(diào)節(jié)，同時(shí)利用純模擬控制技術(shù)來(lái)滿足近200A/ns的負(fù)載瞬態(tài)要求變得越來(lái)越困難。有些數(shù)字控制器能夠提供在同類模擬IC中難以實(shí)現(xiàn)的功能，例如非線性控制。事實(shí)上，幾乎所有的POL數(shù)字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬態(tài)響應(yīng)的控制技術(shù)。這些專用控制算法構(gòu)成了傳統(tǒng)模擬電源公司進(jìn)入數(shù)字電源開(kāi)發(fā)的門(mén)檻。Altera的電源事業(yè)部在去年成功收購(gòu)創(chuàng)新電源公司Enpirion的基礎(chǔ)上，成功于今年12月在市場(chǎng)上推出一系列高性能的全集成數(shù)字電源解決方案。其中，EM1130內(nèi)部采用數(shù)字內(nèi)核實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路，可以滿足極為嚴(yán)苛的瞬態(tài)要求，實(shí)現(xiàn)極低的紋波電壓（5mV峰峰值），以及在輸出電壓范圍（0.6V~1.5V）實(shí)現(xiàn)極高的精確穩(wěn)壓±0.5%。同時(shí)可以支持PMBus通信接口，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確的電流、電壓和溫度監(jiān)控。

不論是模擬還是數(shù)字方案，為市場(chǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的電源對(duì)于成本特別敏感。在對(duì)數(shù)字和模擬電源解決方案兩者的成本進(jìn)行比較時(shí)，必須從系統(tǒng)整體角度出發(fā)，包括設(shè)計(jì)成本、工藝開(kāi)發(fā)、測(cè)試、驗(yàn)證、制造、庫(kù)存控制、外圍元器件節(jié)省以及可靠性導(dǎo)致的維護(hù)成本等。

數(shù)字控制比模擬控制具有某些更好的性能、設(shè)計(jì)更靈活且在復(fù)雜的設(shè)計(jì)中更容易上手使用。如下總結(jié)的六個(gè)方面的性能決定了模擬電源被數(shù)字電源取代的主要原因。

(1)瞬態(tài)響應(yīng)：控制機(jī)制極大影響了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。例如，與電流模式相比，磁滯控制器的瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)有很大不同。每種控制模式都既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。數(shù)字解決方案能無(wú)縫地從一種模式轉(zhuǎn)換到另一種模式，從而提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應(yīng)。

(2)效率：許多應(yīng)用條件都會(huì)影響到效率，包括死區(qū)時(shí)間、開(kāi)關(guān)頻率、柵極驅(qū)動(dòng)等級(jí)、二極管仿真和相移等。針對(duì)這些因素，當(dāng)前數(shù)字控制所提供的數(shù)字控制算法在整個(gè)工作條件范圍內(nèi)進(jìn)行了優(yōu)化。因此，在某個(gè)工作點(diǎn)下，也許能將模擬控制器調(diào)整到很高的效率，但數(shù)字控制器卻可對(duì)所有的工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

(3)調(diào)節(jié)精度：一般來(lái)說(shuō)，調(diào)節(jié)精度是根據(jù)線電壓、負(fù)載和溫度來(lái)定義的，因?yàn)檫@些條件中的每一個(gè)都會(huì)影響調(diào)節(jié)精度。數(shù)字控制器可以監(jiān)視這些條件，并采取控制措施，在整個(gè)工作條件范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化。

(4)穩(wěn)定性：數(shù)字控制能夠提供比模擬方案更好的補(bǔ)償（更好地調(diào)用極點(diǎn)和零點(diǎn)），因此在穩(wěn)定性上的控制要好很多。另外，補(bǔ)償能夠隨著條件的變化而變化，使系統(tǒng)能在很寬范圍的條件下實(shí)現(xiàn)最佳的穩(wěn)定性。模擬控制器的補(bǔ)償是固定的，而數(shù)字控制可提供可調(diào)的甚至是自適應(yīng)的補(bǔ)償。

(5)故障響應(yīng)：數(shù)字電源控制器提供了大量故障響應(yīng)的選項(xiàng)。每種故障都有唯一的響應(yīng)特性，可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行調(diào)整。模擬控制器一般只有一個(gè)固定的故障響應(yīng)（如斷電/斷續(xù)/過(guò)載），用戶也只能選擇用或者不用。數(shù)字控制還能提供濾波器功能，降低虛假故障的可能。

(6)可靠性：減少元件數(shù)量和降低工作溫度（通過(guò)效率優(yōu)化）是數(shù)字電源提高系統(tǒng)可靠性的兩個(gè)途徑。此外，靈活的故障響應(yīng)和探測(cè)元器件參數(shù)微小變化的能力，可以大幅減少停機(jī)時(shí)間。
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如今，數(shù)字電源在市場(chǎng)上的普及正在加快。以通信基站系統(tǒng)舉例，如果能夠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，則可更好地管理系統(tǒng)性能，進(jìn)而提高系統(tǒng)可靠性?；鶐卧仨毦邆鋸?qiáng)大的信號(hào)處理能力，以處理大量數(shù)據(jù)和語(yǔ)音流量。上電/斷電期間，多路不同電流/電壓的電源必須按照正確的順序開(kāi)啟/關(guān)閉。需要對(duì)基帶工作過(guò)程中的電流和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保系統(tǒng)工作在容限范圍內(nèi)，并在必要時(shí)提供報(bào)警或故障指示信號(hào)。另外，遠(yuǎn)端控制功能和先進(jìn)的故障管理功能能夠確?；緦?shí)現(xiàn)更高的可靠性。如果采用模擬方案，這些功能將需要多個(gè)器件和電源管理的支持。而數(shù)字方案則可降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，只需獨(dú)立的電源管理芯片。基站電源往往要求非常復(fù)雜的電源管理控制器，每項(xiàng)功能需要多個(gè)分立元件配合。設(shè)計(jì)方案的總電路板面積和復(fù)雜度也相應(yīng)增長(zhǎng)。另外，由于基站工作在極端溫度條件下，設(shè)計(jì)方案必須在較寬的工作溫度范圍內(nèi)保持可靠。對(duì)于傳統(tǒng)的模擬電源方案，只能在單一工作條件下設(shè)置補(bǔ)償，而又必須解決寬工作范圍問(wèn)題。同時(shí)，無(wú)源器件（例如電感和電容）的差異也加劇了電源補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜度。

數(shù)字電源可作為更好的替代方案，數(shù)字架構(gòu)中能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，并有利于優(yōu)化帶寬。更大頻寬的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)有助于改善系統(tǒng)容限或省掉輸出電容，從而縮小系統(tǒng)尺寸。此外，由于無(wú)源器件參數(shù)隨著溫度的變化而發(fā)生變化，自動(dòng)補(bǔ)償功能能夠自適應(yīng)調(diào)整，適應(yīng)條件的變化，從而在整個(gè)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

在提高效率方面，數(shù)字電源的作用也非常大。在正確實(shí)現(xiàn)時(shí)，數(shù)字控制有可能通過(guò)占空比優(yōu)化和自適應(yīng)直通控制，在滿足瞬態(tài)要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更低的開(kāi)關(guān)頻率、關(guān)鍵時(shí)序的實(shí)時(shí)適應(yīng)（比如同步整流或者諧振死區(qū)時(shí)間）、切相以及根據(jù)負(fù)載電流變換工作模式等等，在一定程度上提高效率。由于系統(tǒng)功率根據(jù)負(fù)載要求進(jìn)行更有效的管理，故數(shù)字控制能夠提高總體效率。這里，不得不再次提到EM1130和Altera的Gen10 FPGA合作降低系統(tǒng)靜態(tài)功耗的成功案例。通過(guò)SmartVID雙向通信接口應(yīng)用，EM1130可以幫助Arria10的靜態(tài)功耗顯著降低——通過(guò)實(shí)際測(cè)試，可以幫助A10的靜態(tài)功耗降低多達(dá)40%，且不會(huì)影響FPGA本身的工作性能表現(xiàn)。這個(gè)產(chǎn)品將極大地幫助Altera及其他PFGA/ASIC廠家實(shí)現(xiàn)高性能和低功耗的顯著設(shè)計(jì)目標(biāo)。

任何數(shù)字功率控制器獲得成功的基本要求之一是可行的，易于使用的圖形用戶界面（GUI）。許多功率設(shè)計(jì)工程師都很快認(rèn)同需要數(shù)字控制器來(lái)提供全面的設(shè)計(jì)靈活性。通過(guò)可編程命令來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活性，需要對(duì)軟件層、劃分、保護(hù)功能和命令分組進(jìn)行謹(jǐn)慎周密的考慮。GUI必需直觀，操作簡(jiǎn)單自然，最為重要的是，必須全天候工作。

電源行業(yè)開(kāi)始逐步向數(shù)字電源轉(zhuǎn)變。模擬控制器內(nèi)存在著組合邏輯、時(shí)鐘、計(jì)數(shù)器和定時(shí)器等數(shù)字內(nèi)容。隨著混合信號(hào)設(shè)計(jì)流程不斷進(jìn)步，這有望大大提高數(shù)字和模擬元件之間關(guān)系的優(yōu)化程度。根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的復(fù)雜情況，某些功能可能最好采用數(shù)字處理。而另一些功能更適合于模擬領(lǐng)域。大多數(shù)認(rèn)識(shí)到數(shù)字電源價(jià)值的資深電源設(shè)計(jì)人員都將相應(yīng)更新自己的設(shè)計(jì)技能，不管對(duì)采用時(shí)間點(diǎn)的看法如何不同，有一點(diǎn)是確定的：數(shù)字電源乃大勢(shì)所趨。

結(jié)語(yǔ)

能源短缺和能源價(jià)格不斷上升不僅是由資源供應(yīng)緊張?jiān)斐?，還在于人們對(duì)于不斷豐富的生活?yuàn)蕵?lè)，網(wǎng)絡(luò)信息和通訊的追求永無(wú)休止。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，整體功耗也成為產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的制勝因素。

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