數字電源的大話

有關數字電源的夸大言論可追溯到十年前有關模糊邏輯的爭論。有些人認為，模糊邏輯將取代對模擬控制的需求。不過，看似模糊邏輯只在某些應用中優于模擬方案，并且，即使在這些應用中，也可以用一個PID（比例/積分/微分）控制器完成幾乎所有功能（參考文獻4）。有些推銷者還聲稱，數字回路的電源可以做自適應補償，即具有在快速瞬態響應和低噪聲之間切換的能力。這個特性迫使你去測量噪聲與瞬態響應，然后必須決定何時在兩者間切換。Powervation公司已成功完成了這個工作，但它要花費大量的處理能力。

數字電源專家們還炫耀了“非線性”控制方案，但這些回路卻讓你無法在數字電源芯片上連接網絡分析儀。非線性數字回路并不提供有效的增益與相位響應。于是芯片公司轉而讓工程師們在時域中評估穩定性，聲稱他們應給回路施加一個瞬態條件，并確保振鈴會在一個可接受的時間量內消失。不過，有經驗的控制系統工程師們都不喜歡非線性控制，而喜歡采用熟悉的增益與相位方法。

有些公司稱數字電源芯片可以在一個多相電源中，保持各相位之間有更緊密的電流匹配。不過，與一個30%失配的模擬電源作比較是不切實際的，并且，沒有一個負責的工程師會把這樣一種設計送去量產。

有些芯片公司還聲稱數字電源的效率高于模擬電源，但這種說法并不可靠。一只芯片關閉多相控制器中各個相的能力可表示為一種效率收益。在輕載時，它可提供相當不錯的效率，不過這種能力并非源于數字PWM回路。任何模擬芯片都可以完成這個功能。開關電源中的主要損耗是磁、開關以及銅損耗，一只控制芯片無法影響這些損耗。凌特技術公司的模擬式LTM4609降-升壓轉換模塊可得到98%的效率，幾乎優于所有數字芯片。

還有一種有關效率的說法是，數字芯片可提供更好的死區時間控制。換句話說，它們可以驅動同步與功率FET，因此沒有反向電流。然而，凌特技術公司擁有一個模擬方法的專利，能確保同步FET永遠不會反向導通，而美國國家半導體、Allegro與飛兆公司在多款芯片中采用了模擬的山谷模式（valley-mode）控制，實現了相同的效果。凌特技術公司工程副總裁兼首席技術官Bob Dobkin指出：“沒有理由說數字控制回路有更高的效率。用模擬方式可以做stage-shedding。穿通控制也不是問題了，我們一些較新的電路還有自適應穿通控制。”

折衷是不可避免的

實際上，一款芯片采用數字回路還是模擬控制回路并沒有什么關系。在選擇一種數字方案時，你只需要關心要做哪些折衷。例如，數字電源的靜態電流較高。盡管德州儀器公司的DSP有很高的功率效率和速度，但它們消耗的功率也大于狀態機芯片，而遠超過模擬芯片。在吸收的靜態電流方面，一只離散時間式采樣數據的PWM芯片總是高于低功耗模擬PWM芯片。因此，Summit Microelectronics公司以及其它公司便做出了“數字管理”的模擬電源。這種方案是圍繞模擬PWM區域，做出手持電子設備所需要的數字通信與控制功能。這些是準備用在電池工作設備上的器件，無法擁有高速ADC/DAC和DSP，因為它們的靜態電流都在毫安量級。Summit公司營銷與應用副總裁Abid Hussain說：“如果我帶一個靜態電流大于100 μA的芯片去見一個客戶，我肯定會受到嘲笑的?！?/p>

無論怎樣，如果你有了DSP，就可以增加一個軟件模塊，建立一個電源軌。注意DSP必須要引導，因此，如果這時有一個小差錯，則可能損失數字電源軌，直到器件裝入引導碼，開始運行時。另外，你的DSP最好是確定性的。如果它有太多的循環和中斷，那么就無法為數字電源代碼提供服務，電源軌循環就不會真正閉合。

你會發現，模擬器件也可以減少器件數量。例如，Power Integrations公司提供不需要光耦的低成本離線模擬器件，而凌特技術公司生產的LTC4278和其它模擬器件采用檢測線圈作電壓反饋，而不是光耦。它們未用數字電源也能提供這些功能，因此不需要一個數字PWM回路也可以消除負反饋電壓，而用反饋波形的適當部分作反饋控制。你關心的不應該是芯片公司采用了模擬PWM回路還是數字PWM回路，而應注意在沒有光耦情況下，器件是否可以提供嚴密的輸出調節。

數字電源芯片的制造還需要更昂貴的遮罩集，有較高的NRE（非重發性工程）成本。Exar XRP7740數字電源芯片充分利用了數字PWM回路的尺寸，提供了價格上可與模擬器件相競爭的低成本芯片。然而，這些芯片的遮罩集要貴得多，因此各家公司銷售這些芯片時都把變動做到最少，哪怕客戶訂量達數百萬片。片芯的低成本是對高成本精細CMOS遮罩集的一種折衷，因此制造商必須面向大批量應用。Cadence公司工程服務副總裁Time Henricks稱：“總歸是技術-經濟的問題?！彼赋?，在精細CMOS上置入大輸出或大驅動晶體管幾乎不一種有性價比的方案。一般來說，在廉價CMOS工藝下用較粗的線更有好處。另外，很多電源芯片必須工作的電壓都高于細線或寬線CMOS可以提供的電壓，因此雙極模擬芯片永遠會有其地位。

數字電源擅長于那些需要逐周期補償的應用，但很多公司更愿意采用一種簡單而耐用的模擬設計，對器件的壽命作適當的補償。數字電源自動補償仍然是一個發展中的技術。思科公司Thomas稱：“我們有一個傳統電源軌，在布局上有一些寄生電阻和電感。有家公司認為它的芯片可以補償它。當我們對芯片在此應用中作評估時，客戶的結論是，它的自動調整算法不能實現合理的余量?！蹦M芯片在設計中工作良好，不過設計者有意降低了其交叉頻率，以補償由于電路板上機械約束所致的非最優布局。

如果一家公司要制造輸入輸出電容未知的電源磚，一只能作自動補償的芯片也許很關鍵，但設計者通常是為特定應用開發電源。盡管為一個數字電源部件的補償作一次性調節很不錯，但模擬部件并不要求開發數字濾波器的因數。你只需要修改一個補償電容和電阻，就能改變回路的響應。Cadence公司的Henricks評論道：“模擬芯片只有一個基準、一個比較器、一個開關、一個單極濾波器和一些輸出電路，這種健壯性和簡單性很難被超越。”注意，擾動回路做實時補償的辦法并非數字電源域所專有。凌特技術公司剛發布了LT4180，它就是一個能夠檢測電源輸出阻抗的新穎模擬器件，還能調節供電，補償AC和DC電壓降。

模擬芯片也可以做余量調節，這種系統功能并不依賴于數字PWM回路。例如，Maxim公司的MAX16064監控與控制芯片可監視四個模擬開關電源轉換器（參考文獻6），而凌特技術公司的LTC2978監控與控制芯片則可監視八個模擬電源轉換器（參考文獻7）。

簡言之，數字電源在某些應用中有意義，而在其它應用中則相反。對一個系統工程師來說這無關緊要，他們不應關心半導體公司如何去閉合回路。系統工程師都應關注的是芯片工作情況，以及自己需要的功能。系統工程師需要的是價格、供貨，以及數據表。數字電源與模擬電源之爭是教授與IC設計者的事。你需要的是能在真實世界中解決問題的芯片與功能。除非它確實能滿足你的需求，否則就不應該為數字電源支付額外的費用。