非智能與智能：何時為電源增加智能功能才有意義

非智能與智能：何時為電源增加智能功能才有意義

Microchip Technology Inc.

模擬電源與接口產(chǎn)品部

資深產(chǎn)品營銷工程師

Fionn Sheerin

電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用無處不在。小到使用升壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)紐扣電池（電量逐漸減小）電壓的便攜式設(shè)備，大到進(jìn)行大量冗余AC-DC轉(zhuǎn)換的蜂窩基站：一切都需要電力。業(yè)界對數(shù)字電源的討論有很多；例如，將電源轉(zhuǎn)換移至軟件，最終用相應(yīng)軟件替代我們所有的電源硬件。現(xiàn)實(shí)情況要復(fù)雜得多，動態(tài)性也要差得多。大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換是（并將始終）在專用硬件中實(shí)現(xiàn)的。不過，隨著數(shù)字信號處理器（DSP）和數(shù)字配置控制器的功能越來越強(qiáng)大，對于精明的設(shè)計(jì)人員而言，可供其使用的選項(xiàng)和電源轉(zhuǎn)換功能也越來越多，更何況設(shè)計(jì)人員都不懼在固件編譯器方面挑戰(zhàn)一番。最大的問題是時機(jī)；何時在設(shè)計(jì)過程中增加固件是值得的，何時使用傳統(tǒng)的模擬電源轉(zhuǎn)換更好？答案與其所涵蓋的電源轉(zhuǎn)換一樣，是不固定的。目前推動數(shù)字電源轉(zhuǎn)換投資的主要因素有四個：報(bào)告、可靠性、動態(tài)負(fù)載管理和總擁有成本。

數(shù)據(jù)報(bào)告功能是數(shù)字化電源的主要優(yōu)勢之一。在許多系統(tǒng)中，了解處理器負(fù)載電流、電池電壓或功率大小是有利的。這些信息可用于節(jié)制風(fēng)扇速度、管理系統(tǒng)冷卻或向用戶報(bào)告狀態(tài)。在生成或獲取應(yīng)用程序時，該功能可以向中央系統(tǒng)報(bào)告本地發(fā)電情況，或在耗電情況下報(bào)告所需電能——這兩種情況均可使總體系統(tǒng)更為高效。今天，幾乎所有的備用電池或電池電源都使用某種形式的電量計(jì)量。在高性能計(jì)算應(yīng)用中，用戶可能希望看到系統(tǒng)電壓恰好能夠使微處理器超頻，或者數(shù)據(jù)中心可能只是想要監(jiān)測其（實(shí)質(zhì)）電源預(yù)算花費(fèi)在哪些方面。準(zhǔn)確的電壓報(bào)告比較常見，但準(zhǔn)確的電流或準(zhǔn)確的功率報(bào)告則比較困難。后兩者均需要良好的測量電路，通常圍繞系統(tǒng)中某處的模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)建。此外，無論是采用I2C(TM)、SMBus(TM)、PMBus(TM)、智能電池、SPI還是任何其他方法（標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ校?，都需要?bào)告測量數(shù)據(jù)。這種測量和報(bào)告需要數(shù)字電路，但實(shí)際上并不需要數(shù)字化的控制回路，因此可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，即使用監(jiān)控電路（可能使用PIC12F18xx系列單片機(jī)）來監(jiān)控模擬電壓轉(zhuǎn)換器。電壓轉(zhuǎn)換也可以在PIC? MCU的獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP）中完成，或者使用內(nèi)置MCU（例如MCP19xxx系列器件）的單片式模擬控制來完成。這些方法均可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字報(bào)告，而且不需要數(shù)字控制回路，這通?？杉涌煜到y(tǒng)設(shè)計(jì)。有了此類系統(tǒng)，為進(jìn)行報(bào)告而添加一定級別的數(shù)字電路就變得很容易，并且可以圍繞模擬電源構(gòu)建。

圖1：模擬電源的數(shù)字管理實(shí)現(xiàn)該方法比真正的數(shù)字控制回路更容易實(shí)現(xiàn)，同時還具備數(shù)字電源的眾多優(yōu)勢。使用現(xiàn)代控制器時，您會發(fā)現(xiàn)這些模塊集成在一個IC（例如MCP19119）中。

報(bào)告可提高系統(tǒng)的可靠性。硬件現(xiàn)在可以監(jiān)視異常行為，并進(jìn)行通告，可在導(dǎo)致硬件故障之前檢測到問題。這樣一來，便可延長數(shù)據(jù)中心等高可靠性系統(tǒng)的正常運(yùn)行時間。此外，還可使用數(shù)字控制回路進(jìn)一步提高可靠性。模擬控制回路的補(bǔ)償取決于隨時間發(fā)生偏移的無源模擬組件。數(shù)字計(jì)算始終是相同的。不過，更大的優(yōu)勢在于能夠處理故障和錯誤。與純模擬控制電路相比，智能固件能夠采取更多措施來減輕或標(biāo)記有問題的情況。更重要的是，它可以響應(yīng)這些錯誤。這可能意味著切換到冗余電源，或通知系統(tǒng)操作員設(shè)備需要修理。在系統(tǒng)層面上，這可以顯著提高可靠性。

使用數(shù)字通信接口時，應(yīng)用程序還能夠接收數(shù)字命令。這可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的負(fù)載管理。自適應(yīng)電壓調(diào)整、電壓裕度調(diào)整，甚至僅僅是復(fù)雜的負(fù)載都需要具備對電源操作進(jìn)行動態(tài)調(diào)整的能力。這些可以通過PMBus?標(biāo)準(zhǔn)或智能電池協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)化命令來實(shí)現(xiàn)；也可以通過I2C或SPI接口的專有命令實(shí)現(xiàn)。也可以根據(jù)環(huán)境溫度、輸入電壓或負(fù)載功率變化等環(huán)境測量值進(jìn)行操作更改——無需任何外部通信。如果純模擬電源檢測到掉電并鎖定處理器電源，則數(shù)字控制器可能會降低輸出電壓，向處理器發(fā)出減慢速度的信號，然后減速處理，直到輸入恢復(fù)（緩慢的響應(yīng)優(yōu)于無響應(yīng)）。系統(tǒng)也可以實(shí)時調(diào)整工作頻率，提高各負(fù)載條件下的效率，同時仍保持固定頻率操作的優(yōu)勢。與數(shù)據(jù)報(bào)告類似，這些都是數(shù)字電路的典型應(yīng)用，但是（取決于所需的確切性能變化）它們并不總是需要數(shù)字電源控制。例如，Microchip的MIC24045模擬電源控制器可以使用I2C接口進(jìn)行管理。除此之外，該器件可以動態(tài)調(diào)整輸出電壓或電流限值以適應(yīng)不斷變化的要求。

最終決定通常取決于能否能降低總擁有成本。如果因數(shù)字電源所帶來的優(yōu)勢降低的總擁有成本高于所增加的系統(tǒng)成本（就開發(fā)時間和硬件而言），則數(shù)字電源明顯勝出。隨著數(shù)字控制變得越來越普遍，更優(yōu)異的設(shè)計(jì)工具使得數(shù)字控制設(shè)計(jì)變得越來越容易，數(shù)字控制變得越來越便宜和輕松。Microchip的軟件支持套件包括用于配置MCU的Microchip代碼配置器的圖形界面，以及用于生成代碼以仿真可輕松實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的極點(diǎn)-零點(diǎn)放置的數(shù)字電源控制工具。這減少了創(chuàng)建數(shù)字電源控制所需的投資，數(shù)字解決方案在越來越多的應(yīng)用中起到關(guān)鍵作用。與此同時，隨著數(shù)字信號處理器速度的提高，瞬態(tài)響應(yīng)和操作變化也越來越快。通過不斷調(diào)整電源操作以適應(yīng)當(dāng)前的負(fù)載條件和溫度，數(shù)字電源可以在各種負(fù)載條件下保持較高的平均效率。這種效率優(yōu)勢直接轉(zhuǎn)化為發(fā)電應(yīng)用（例如太陽能逆變器）的利潤，也可以降低耗電應(yīng)用（例如數(shù)據(jù)中心或基站）的開銷成本。

圖2：模擬和數(shù)字控制回路實(shí)現(xiàn)對比（框圖層面）。如果電源滿足應(yīng)用需求，用戶始終不會了解其中的差別。

無論控制回路是模擬的還是數(shù)字的，只要其正常工作，用戶便不會了解其中的差別。如果應(yīng)用優(yōu)勢不存在，則使用數(shù)字控制回路或數(shù)字化控制器可能是沒有意義的。在這些情況下，有許多模擬電源解決方案可以滿足電路更小巧、更易于實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用要求。電源模塊（包含硅控制器、功率MOSFET和磁性元件的集成封裝）正在提供振奮人心的集成選項(xiàng)，幾乎完全省去了電源設(shè)計(jì)工作。例如，MIC45404模塊只需使用兩個外部電容即可執(zhí)行12V至3.3V的轉(zhuǎn)換，輸出電流高達(dá)5A。與數(shù)字電源解決方案相比，這是一種非常精確的電源轉(zhuǎn)換，而所需的惟一設(shè)計(jì)工作是電路板布線。在許多應(yīng)用中，這種簡單的方法將有助于產(chǎn)品更快上市，同時還能提供有效的DC-DC轉(zhuǎn)換。

能力越大，責(zé)任越大。與先前的模擬產(chǎn)品相比，數(shù)字控制回路，帶數(shù)字接口的混合PWM控制器或基于CIP的單片機(jī)解決方案均可以實(shí)現(xiàn)更多的配置。這為設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性，但是它要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員花時間編寫固件來配置相應(yīng)的附加參數(shù)。在許多情況下，結(jié)果是值得的——但模擬控制將始終是電源轉(zhuǎn)換的主要方案。

注：Microchip名稱和徽標(biāo)組合、Microchip徽標(biāo)及PIC均為Microchip Technology美國及其他國家或地區(qū)的注冊商標(biāo)。在此提及的所有其他商標(biāo)均為各持有公司所有。