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类比、数位还是混合型电源:何时为电源增加智慧功能才有意义
 

【作者: Fionn Sheerin】2018年11月06日 星期二

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电源转换应用无处不在。小到钮扣电池所使用的升压转换器来调整(电量逐渐减小)电压的可?式设备,大到进行大量备用AC-DC转换的行动电话基地台,一切都需要电力。业界对数位电源的讨论有很多;例如,将电源转换移至软体,最终用相应软体替代我们所有的电源硬体。现实情况要复杂得多,动态性也要差得多。


大多数电源转换是(并将始终)在专用硬体中实现的。不过,随着数位讯号处理器(DSP)和数位配置控制器的功能越来越强大,对於精明的设计人员而言,可供其使用的选项和电源转换功能也越来越多,更何况设计人员并不畏惧在韧体编译器方面挑战一番。


最大的问题是时机;何时在设计过程中增加韧体是值得的,何时是使用传统的类比电源转换最隹时机?答案与其所涵盖的电源转换一样,是不固定的。目前推动数位电源转换投资的主要因素有四个:回报、可靠性、动态负载管理和总体拥有成本。


资料回报功能是数位化电源的主要优势之一。在许多系统中,了解处理器负载电流、电池电压或功率大小是有利的。这些资讯可用於节制风扇速度、管理系统冷却或向使用者回报状态。在生成或获取应用程式时,该功能可以向中央系统回报本地发电情况,或在耗电情况下回报所需电能这两种情况均可使总体系统更为高效。


今日几??所有的备用电池或电池电源都使用某种形式的电量计量。在高效能计算应用中,使用者可能希??看到系统电压恰好能够使微处理器超频,或者资料中心可能只是想要监测其(实质)电源预算花费在哪些方面。准确的电压回报比较常见,但准确的电流或准确的功率回报则比较困难。後两者均需要良好的测量电路,通常围绕系统中某处的类比数位转换器构建。


此外,无论是采用I2C、SMBus、PMBus、智慧电池、SPI还是任何其他方法(标准或专有),都需要回报测量资料。这种测量和回报需要数位电路,但实际上并不需要数位化的控制??路,因此可单独实现,即使用监控电路(可能使用PIC12F18xx系列微控制器)来监控类比电压转换器。电压转换也可以在PIC MCU的核心独立周边(CIP)中完成,或者使用内建MCU(例如MCP19xxx系列元件)的单晶片式类比控制来完成。


这些方法均可以实现数位回报,而且不需要数位控制??路,这通常可加快系统设计。有了此类系统,为进行回报而添加一定级别的数位电路就变得很容易,并且可以围绕类比电源构建。



图1 : 类比电源的数位管理实现该方法比真正的数位控制??路更容易实现,同时还具备数位电源的众多优势。使用现代控制器时,您会发现这些模组整合在一个IC(例如MCP19119)中。
图1 : 类比电源的数位管理实现该方法比真正的数位控制??路更容易实现,同时还具备数位电源的众多优势。使用现代控制器时,您会发现这些模组整合在一个IC(例如MCP19119)中。


回报可提高系统的可靠性。硬体现在可以监视异常行为,并进行通报,可在导致硬体故障之前检测到问题。这样一来,便可延长资料中心等高可靠性系统的正常执行时间。此外,还可使用数位控制??路进一步提高可靠性。类比控制??路的补偿取决於随时间发生偏移的被动类比元件。数位计算始终是相同的。不过,更大的优势在於能够处理故障和错误。与纯类比控制电路相比,智慧韧体能够采取更多措施来减轻或标记有问题的情况。更重要的是,它可以回应这些错误。这可能意味着切换到备用电源,或通知系统操作员设备需要修理。在系统层面上,这可以显着提高可靠性。


使用数位通讯介面时,应用程式还能够接收数位命令。这可以实现更精细的负载管理。自我调整电压调整、电压裕度调整,甚至仅仅是复杂的负载都需要具备对电源操作进行动态调整的能力。这些可以通过PMBus标准或智慧电池协议等标准化命令来实现;也可以通过I2C或SPI介面的专有命令实现。或可以根据环境温度、输入电压或负载功率变化等环境测量值进行操作更改无需任何外部通讯。


如果纯类比电源检测到掉电并锁定电源输出到处理器,则数位控制器可能会降低输出电压,向处理器发出降速的信号,让处理器进入降速的运作,直到输入恢复(缓慢的回应优於无回应)。系统也可以即时调整工作频率,提高各负载条件下的效率,同时仍保持固定频率操作的优势。与资料回报类似,这些都是数位电路的典型应用,但是(取决於所需的确切性能变化)它们并不总是需要数位电源控制。例如,Microchip的MIC24045类比电源控制器可以使用I2C介面进行管理。除此之外,该元件可以动态调整输出电压或电流限值以适应不断变化的要求。


最终决定通常取决於能否能降低总体拥有成本。如果因数位电源所带来的优势降低的总体拥有成本高於所增加的系统成本(就开发时间和硬体而言),则数位电源明显胜出。随着数位控制变得越来越普遍,更优异的设计工具使得数位控制设计变得越来越容易,数位控制变得越来越便宜和轻松。


Microchip的软体支援套件,包括用於配置MCU的Microchip程式产生器的图形介面,以及用於生成程式以类比可轻松实现闭环的极点-零点放置的数位电源控制工具。这减少了开发数位电源控制所需的投资,数位解决方案在越来越多的应用中扮演了关键作用。


与此同时,随着数位讯号处理器速度的提高,瞬态回应和操作变化也越来越快。通过不断调整电源操作,以适应当前的负载条件和温度,数位电源可以在各种负载条件下保持较高的平均效率。这种效率优势直接转化为发电应用(例如太阳能逆变器)的利润,也可以降低耗电应用(例如资料中心或基地台)的开销成本。



图2 : 类比和数位控制??路实现对比(框图层面)。如果电源满足应用需求,用户始终不会了解其中的差别。
图2 : 类比和数位控制??路实现对比(框图层面)。如果电源满足应用需求,用户始终不会了解其中的差别。

无论控制??路是类比的还是数位的,只要其正常工作,用户便不会了解其中的差别。如果应用优势不存在,则使用数位控制??路或数位化控制器可能是没有意义的。


在这些情况下,有许多类比电源解决方案可以满足电路更小巧、更易於实现的应用要求。使用电源模组(包含半导体控制器、功率MOSFET和磁性元件的整合封装)正在提供振奋人心的整合选项,几??完全省去了电源设计工作。例如,MIC45404模组只需使用两个外部电容即可执行12V至3.3V的转换,输出电流高达5A。与数位电源解决方案相比,这是一种非常精确的电源转换,而所需的惟一设计工作是电路板布线。在许多应用中,这种简单的方法将有助於产品更快上市,同时还能提供有效的DC-DC转换。


能力越大,责任越大。与先前的类比产品相比,数位控制??路,带数位介面的混合PWM控制器或基於CIP的微控制器解决方案,均可以实现更多的配置。这为设计提供了更大的灵活性,但是它要求系统设计人员花时间编写韧体来配置相应的附加叁数。在许多情况下,结果是值得的旦类比控制,将始终是电源转换的主要方案。


(本文作者Fionn Sheerin为Microchip类比电源与介面产品部资深产品行销工程师)


**刊头图(source:integrate-expo.com)


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