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數位電源設計的關鍵元件與精確度挑戰
 

【作者: 籃貫銘、施莉芸】   2018年12月17日 星期一

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是說,類比電源做得好好的,幹嘛要換成數位的?就好比音響迷聽真空管機,聽得好好的,幹嘛要換成晶片機,這其中一定有什麼誤會。


但這裡沒有誤會,很顯然,是它沒有「做得好好的」。因為人們希望裝置可以越來越輕、越來越薄、功能越來越強大、可以控制的東西越來越多,所以我們開始需要運用數位電源的設計。


但有個觀念必須先知道,就是這世上沒有完全「純數位」的電源系統架構,在一個裝置系統內,一定都是類比與數位彼此搭配使用,取決於在電路應用上的搭配和整體系統的功能規劃。但到了目前這個時代,數位電源方案的運用比例就開始越來越高,同時運用的範圍也越來越廣,漸漸成為了主流。


另一個重點,就是數位與類比各有優勢,沒有哪一個完全壓倒哪一個,還是取決於裝置應用的需求。比方,如果不計較成本、空間和電耗(但哪種事?),那類比為重的系統在精確度與控制功能上,可能完全不落下風;反過來,數位電源縱然看來可以上山下海,但其面對非線性的真實世界(頻率取樣),依然有很多的限制在。


所以,你不能忘記你是活在類比的世界,但更不能忽略數位的技術,同時還要熱情的擁抱它。


數位電源基礎運作模式

數位的世界是以2進位方式呈現,不過也常使用與2進位相容,且人們容易了解的16進位。2進位只使用數字0、1來表示數字,有時相對於0/1,會改使用L/H來標記。


以基礎運作模式而言,類比訊號透過取樣(Sampling)→量化(Quantization)→程式化(Coding)的一連串步驟,轉換成數位訊號。其中又分為「快閃型」、「管線式」、「連續漸近式」以及「ΔΣ型」四種。


在基本運作模式中,又以快閃型轉換速度最快,其取樣頻率可達1GHz以上,並且能夠一口氣將類比訊號轉換成數位訊號,因此不需取樣保持(Sample-and-Hold;S&H);快閃型A/D轉換器運作模式是先利用比較器(comparator),同時比較分壓成2N-1個的參考電壓和類比訊號,再經由編碼器,將比較結果轉換成數位訊號。


而ΔΣ型A/D轉換器解析度可達24位元,為四種基本運作模式之中最高;不過相對而言,在轉換速度上取樣頻率僅200kHz,且反應較慢,因此不適合用在輸入端接上多工器,需切換類比訊號的裝置上。


數位電源設計的關鍵元件

要著手數位電源設計,除了先知道基本觀念外,也要知道關鍵的元件與規範,如此才能更得心應手,以下就是幾個重要的元件和規範:


類比-數位轉換器:ADC

類比-數位轉換器,Analog-to-Digital Converter,是一個無論如何你都會用到的元件。因為電源設計本質上就是類比電路設計,因此只要是電子裝置就一定需要有可以把類比形式的連續訊號,轉換為數位形式的設備。


目前,ADC的功能有獨立提供的形式,也就是由單一顆元件來處理,但在強調多工整合的裝置上,通常都會透過整合型晶片(例如,DSP、MCU)來解決,尤其在數位當道的時代。


不過單一元件的ADC通常性能卓越,對於有需要較高解析度與精確度的應用來說,例如:自動化設備、測試設備、電池動力設備,它是非要不可的元件。圖1為ADI的AD4020,它是一款低雜訊,低功耗,高性能,具備20位元、1.8MSPS精密的SAR ADC。


至於,該如何選擇最適合的ADC,除了需要考慮到精密度及位元外,由於每種架構在各種資料擷取系統中都有其優缺點,因此還需考慮不同的ADC架構,並根據系統所需的準確度或精密度來選擇需要的位元數。


因此,在設計系統時,一定要選擇較原先需求更多的位元數,轉換器可達到的準確度一定會少於可用的總位元數,以應用需要10-bit準確度而言,就需挑選12-bit轉換器。一般來說,如果輸入訊號大小明顯低於ADC的滿刻度輸入範圍,就需要使用放大器。但是,選用較高解析度的ADC,就不需使用放大器。



圖1 : ADI的AD4020是一款低雜訊,低功耗,高性能的SAR ADC。
圖1 : ADI的AD4020是一款低雜訊,低功耗,高性能的SAR ADC。

直流-直流升降壓轉換器:DC/DC

在實際的電路設計中,鮮少會有一個電壓用到底的情況,因此勢必需要有對直流電壓做轉換的設備,這就是直流-直流轉換器,DC-to-DC converter的功能。尤其是目前電子設備的功能複雜,裏頭搭載的元件也很多元,因此DC/DC的重要性又更顯重要。


而在實際應用上,有些元件的電壓很大,有些元件的電壓很小,因此如何在這之間進行流暢的轉換是需要一定的功力,當然,這更牽涉到DC/DC元件本身的應對範圍和性能,如何達到最大的轉換性能,一直是設計師的挑戰。


就物理基礎來看,DC/DC轉換器是屬於至少有二個半導體元件(一個二極體和一個電晶體),和至少一個儲能元件(電感器)的開關電源。而為了降低電壓漣波,經常會在輸入端和輸出端,多加一個電容器進行濾波。


圖2為羅姆半導體(ROHM)的內建MOSFET的降壓型DC/DC轉換器「BD70522GUL」。它採用了羅姆獨創的Nano Energy技術,是專門針對物聯網設備所研發的超低功耗電源IC,擁有業界最廣輸出電流範圍內(10μA~500mA),也能實現90%以上的功率轉換效率。



圖2 : 羅姆半導體內建MOSFET的降壓型DC/DC轉換器「BD70522GUL」,採用Nano Energy技術。
圖2 : 羅姆半導體內建MOSFET的降壓型DC/DC轉換器「BD70522GUL」,採用Nano Energy技術。

微控制器與數位訊號處理器:MCU、DSP

具體來說,所謂的數位電源,其實是指在類比的電源設計基礎上,利用數位訊號處理器(DSP)、微控制器(MCU),甚至可程式邏輯閘(FPGA)來進行可程式化的電源管理。


因此,單純的數位控制電源,電源本身即為一個由DSP、MCU或FPGA等做自主控制的數位系統,從ADC、DC-DC及DAC等轉換輸出後,再進行像電壓脈衝調變(Pulse Width Modulation;PWM)、功因參數修正(Power Factor Correction;PFC)或其它更複雜的電壓、電源輸出的調整方式。


而在當前IC設計與半導體製造技術的帶動下,單一個MCU已可以整合非常多的功能,同時也可提供非常優異的性能。因此,通常一個還不錯的MCU就已經具備了非常高解析的ADC和DAC,而且也支援部分DSP的指令集,讓裝置的電路設計可以緊湊簡潔。


圖3為意法半導體的32位元微控制器「STM32H750xB」,該款微控制器除了搭載Arm Cortex-M7 400MHz的處理核心外,也內建128 KB Flash和1MB RAM,而且提供三個ADC和兩個DAC,以及兩個超低功耗比較器。



圖3 : 意法半導體的32位元微控制器「STM32H750xB」,提供三個ADC和兩個DAC,以及兩個超低功耗比較器。
圖3 : 意法半導體的32位元微控制器「STM32H750xB」,提供三個ADC和兩個DAC,以及兩個超低功耗比較器。

同樣的道理,現在的DSP元件也已整合許多的功能,來讓系統開發者可以有更靈活的設計彈性,而其中ADC幾乎已成標配。


圖4為Microchip的dsPIC33CH雙核心數位訊號控制器。這元件將兩個dsPIC DSC核心整合到單一晶片內。控制器內含包括四個12位元、3.5-Msps ADC,以及最多12個250ps解析度的高速PWM通道。此外還具有整合式電源開啟重置和降壓重置,提供三種低功耗管理模式,提高能源效率。



圖4 : Microchip的dsPIC33CH雙核心數位訊號控制器,內含包括四個12位元、3.5-Msps ADC。
圖4 : Microchip的dsPIC33CH雙核心數位訊號控制器,內含包括四個12位元、3.5-Msps ADC。

電源管理匯流排:PMBus

對電子系統設計而言,通訊介面和I/O對應是非常重要的一環,電源系統設計當然也是,因此,才有了電源管理匯流排(Power Management Bus;PMBus)的問世。


由於數位電源的持續發展,產業界意識到需要一個標準的通訊語言。於是當年Artesyn Technology號招了多家電源供應器商和半導體製造商,更同制定了一套標準的電源管理通訊協定,並在2005年3月公佈了名為「PMBus」的規範。


PMBus小組採用SMBus規格做為他們的資料傳輸方法,這項共通規格使Smart Battery Systems和PMBus成為共生關係,兩個組織也決定共同組成系統管理界面論壇(System Management Interface Forum;SMIF)。PMBus則成為SMIF的一部份。


PMBus是一種開放標準的數位電源管理協定,它透過定義傳輸和物理界面,以及命令語言等,來解決與電源轉換器和其他設備的通訊問題。此協定規範了兩個部份:第一部分為一般性要求、傳輸和電氣界面;第二部份則是命令語言。目前最新的版本是PMBus 1.3。



圖5 : PMBus 1.3的Logo
圖5 : PMBus 1.3的Logo

精確度有多重要?

數位電源的好處多多,其中一個優勢就是能夠準確的控制訊號,而這過程涉及許多的環節,要做到非常高效率,是需要下點功夫的,而且最關鍵的,通常是最起始的類比訊號的輸入端。


首先,要將連續的類比訊號轉化為離散的數位訊號的過程,稱之為取樣,而其質量將取決於解析度、測量的敏感度、準確度、精確度(或簡稱精度),以及雜訊大小等因素。


精確度(Precision)可以定義為儀器的穩定性,以及對同樣的輸入訊號一再產生同樣測量結果的能力;而準確度(Accuracy)則是儀器正確指出受測訊號的值的能力,這個性質與解析度無關,但是它絕對無法高於儀器的解析度。


精確度和準確度都是工程量測中的重要概念,但兩者有所不同。簡言之,準確度是指測得之值與實際值的接近程度,而精確度則意指個別量測之間的相似度。


而套到電源設計上,以ADC為例,當ADC查覺到類比電壓時,其工作便是在指定時間內將類比電壓轉換成二進位碼。這表示,ADC會在一瞬間對類比電壓進行取樣,然後決定如何在ADC的輸出端以二進位值表示。此元件每秒所取樣的樣本數會記錄在文件中。


然而,當ADC的取樣率不夠高時,便會難以精確重現輸入訊號而導致混疊,在此情況下,訊號之間會開始變得無法判別,或彼此混疊。為了避免這種情況,必須確保取樣率比需要傳輸的最高頻率高出至少兩倍,這個比例稱為奈奎斯特速率。


使用較高的取樣率能讓元件更加準確,但並非控制準確度的唯一方法。由於這類元件是將類比訊號轉換成二進位碼,離散步階的數量有限,可用來表示某個時間點的電壓,可用來表示這個數字的位元數,稱之為解析度。因此,在選擇A/D轉換器產品時,可先視所應用之環境,選擇適合之解析度、取樣頻率及介面等。


在DC/DC轉換器上,則要留心「脈寬調變(Pulse-Width Modulation,PWM)」,PWM的主要目標,在於以數位方式進行類比訊號準位的編碼,只要為對應至類比訊號準位的特定工作週期建立方形波,即可為這些訊號完成數位編碼。


而要做好訊號數位編碼,就需要透過高解析度計數器來完成。若能將電壓或電流提供給上下波動的脈波波形負載,就能成功建立數位PWM訊號。建立完這些脈波後,DC電源供應器就會呈開啟或關閉狀態,並以此呈現數位訊號。


結語:視應用選出你的最佳方案

總體而言,在目前以輕薄為主流,又強調智慧多工的裝置設計帶動下,以數位電源為核心的系統與元件將會持續的發展下去,而其發展的趨勢將會朝向更高的功能整合度前進,也就是單一晶片的概念。會由一顆高性能IC,可能是MCU、DSP或FGPA就解決了多數的需要,若要更多的變化與應用,則可擴增在DC/DC元件的採用,或者再放入另一顆輔助的MCU或者其他IC。然而,最終決定整體系統架構的輕重與方向,成本應該會是重要的參考指標。


而就開發者的角度來看,當各項類比和數位電源轉換與控制元件的技術日漸成熟後,其可採用的方案就將會更加的多元與靈活,因此電源系統設計的方向除了追求「精準」和「準確」外,也可依據產品實際的應用場景的需求,來顧及使用介面、設計簡化、成本與功耗等,讓裝置有更多的可能性。


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