功率轉(zhuǎn)換及管理的數(shù)字控制

功率轉(zhuǎn)換及管理的數(shù)字控制

本文將會(huì)廣泛地討論有關(guān)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換及管理方面的技術(shù)性問題，以迎合市場(chǎng)趨勢(shì)及不同市場(chǎng)領(lǐng)域的需求。我們還會(huì)談到這種技術(shù)相對(duì)于模擬控制的應(yīng)用和挑戰(zhàn)。

　　功率轉(zhuǎn)換屬于功率系統(tǒng) (反饋環(huán)路) 的運(yùn)作，而功率管理則涵蓋操作模式、起動(dòng)/停機(jī)延遲的同步跟蹤和邊裕量以及針對(duì)并行操作和系統(tǒng)通信的鎖相 (交錯(cuò)) 功能。

　　多年以來(lái)，“模擬”與“數(shù)字”的定義已變得有點(diǎn)模糊。為了避免混淆，本文中的“模擬”是指“連續(xù)可變的物理量”，而“數(shù)字”是指“離散變量”，全因?yàn)閿?shù)字技術(shù)的特性，我們可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、進(jìn)行運(yùn)算和有效地通信。

　　直到現(xiàn)在，功率轉(zhuǎn)換中電壓和電流的實(shí)際處理，一直都屬于模擬而非數(shù)字的領(lǐng)域，不過(guò)控制上則可以是模擬或數(shù)字。由于有關(guān)控制并非完全數(shù)字化，所以需要在反饋環(huán)路中設(shè)置模數(shù)換轉(zhuǎn)器。那么數(shù)字技術(shù)能帶來(lái)什么好處?

　　技術(shù)

　　數(shù)字技術(shù)在我們的日常生活中俯拾皆是。但只有在大約4年前開始，這種技術(shù)才被全面應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換及管理的范疇。

　　特點(diǎn)

　　數(shù)字技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)在于存儲(chǔ)器方面的應(yīng)用，當(dāng)中包括3個(gè)基本級(jí)別的訪問：特別為包含了控制器內(nèi)部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及查表的寄存器而設(shè)的廠級(jí)訪問 (不讓用戶自行訪問);用來(lái)選擇管理拓樸和控制模式 (電壓、電流和混合式) 并提供不同故障保護(hù)功能設(shè)定的控制器配置 (用戶可以通過(guò)密碼來(lái)訪問);以及監(jiān)察和控制 (通過(guò)PMBus協(xié)議來(lái)自由訪問)。完善的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力容許設(shè)計(jì)師把有關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化，甚至在不同項(xiàng)目上反覆使用。

　　數(shù)字技術(shù)在存儲(chǔ)方面的強(qiáng)項(xiàng)衍生另一種優(yōu)點(diǎn) – 通信功能。通過(guò)I2C來(lái)實(shí)現(xiàn)的通信功能為控制器賦予校準(zhǔn)和編程的能力，也可實(shí)時(shí)發(fā)揮不同功能，包括控制、監(jiān)察、狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程識(shí)別和診斷。其他特點(diǎn)包括在傳輸過(guò)程中作不同的強(qiáng)度調(diào)整，包括分辨率 (數(shù)字多少)、校準(zhǔn) (模數(shù)轉(zhuǎn)換、外置感應(yīng)器)、輸出電壓/電流設(shè)定及保護(hù)限制 (電壓、電流、溫度)。

　　時(shí)間調(diào)整功能涵蓋頻率轉(zhuǎn)換、延遲和相位調(diào)整。控制/管理功能包括操作模式轉(zhuǎn)換 (起動(dòng)/關(guān)機(jī)、脈沖串、脈沖跳行、脈沖頻率調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、相位數(shù))、自檢驗(yàn)和輸出電壓轉(zhuǎn)換 (邊限)。時(shí)間調(diào)整和控制的靈活性皆有助于減少電磁干擾，這種特性在模擬應(yīng)用環(huán)境中完全是可夢(mèng)而不可即。

　　數(shù)字術(shù)技優(yōu)點(diǎn)的多寡，或許會(huì)因?yàn)樾枰鶕?jù)不同市場(chǎng)領(lǐng)域作出微調(diào)而有所不同，但在實(shí)施過(guò)程中都需要若干邏輯元素。

　　邏輯的類型

　　我們替某種應(yīng)用選擇合適的邏輯時(shí)，靈活性、速度/帶寬及成本限制都成為了決定性因素。當(dāng)中包括數(shù)字硬連接邏輯 (狀態(tài)機(jī)器) PID控制及數(shù)字脈沖寬度調(diào)制 (PWM);數(shù)字硬連接邏輯PID控制及數(shù)字PWM + 非易失性存儲(chǔ)器;混合式 = 模擬PWM + 數(shù)字接口 (一般稱為“數(shù)字封裝”);單片機(jī)(mC);數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 和數(shù)字控制處理 (DCP)，并且包含最佳DSP和mC的合并。

　大多數(shù)的數(shù)字集成電路都包含了功率轉(zhuǎn)換控制及功率管理功能。當(dāng)中的功率轉(zhuǎn)換控制 (反饋環(huán)路) 可以工作于連續(xù)實(shí)時(shí)模擬及接近于實(shí)時(shí)(需要一些響應(yīng)時(shí)間)的數(shù)字狀態(tài)。其他功能會(huì)根據(jù)事件來(lái)觸發(fā)、編排程序和休眠 (存儲(chǔ)器)。硬連接邏輯可用于大批量的低功率應(yīng)用 (<200W)，它們一般工作于較高的頻率 (200kHz~2MHz) 和接近模擬控制速度成本也相對(duì)比較低。這樣能夠體現(xiàn)最堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，也不需要客戶作出很大程度的編程，甚至可以完全省卻 (接腳編程，或通過(guò)I2C 實(shí)現(xiàn)圖像用戶接口);而且又可以加快產(chǎn)品面市的速度。加入NVM能夠在集成電路設(shè)計(jì)中體現(xiàn)更高的靈活性，但會(huì)增加檢驗(yàn)和確認(rèn)工作。

　　假如以一個(gè)模擬控制器，配合一個(gè)能夠支持I2C通信、并有時(shí)用來(lái)支持VID控制的數(shù)字接口，就可以形成混合式邏輯了。它會(huì)與硬連接結(jié)構(gòu)共用相同的空間，但靈活性會(huì)比較低一點(diǎn)，成本也會(huì)高一些。兩者都主要用于直流-直流的領(lǐng)域。mC、DSP和DCP皆利用編碼(匯編語(yǔ)言或C)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的靈活性和速度，但成本會(huì)更高，也需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能夠推出市場(chǎng)。不過(guò)，靈活性的增加使電路結(jié)構(gòu)也會(huì)變得更加復(fù)雜，所以檢驗(yàn)和確認(rèn)程序的成本也會(huì)更高。

　　硅工藝

　　實(shí)施這些邏輯類型時(shí)所作出的技術(shù)選擇，一般都受到成本帶動(dòng);而隨著更低的亞微米技術(shù) (0.15/0.18mm) 變得更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，數(shù)字技術(shù)無(wú)疑更為占優(yōu)，也因而加快了模擬到數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)型。到了某一個(gè)階段，“以更低成本體現(xiàn)更多功能”將為成為新的價(jià)值觀，取代“以相同成本體現(xiàn)更多功能”。在0.25mm的范圍內(nèi)，模擬與數(shù)字結(jié)構(gòu)的芯片成本早已相同，但隨著0.18mm范圍下的芯片成本下降，研發(fā)成本增加了一倍以上。(見圖1，來(lái)源ISSCC 2007 / SESSION 1 / PLENARY / 1.1)

　　在TSMC，0.15/0.18m m產(chǎn)品的生產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.25mm產(chǎn)品(圖1，來(lái)源ISSCC 2007/SESSION 1/PLENARY/1.1)。預(yù)期規(guī)模經(jīng)濟(jì)將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)有關(guān)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

　分割與封裝

　　“分割”是指把一個(gè)或多個(gè)集成電路中的功率轉(zhuǎn)換部分的功能組合起來(lái)。有關(guān)選擇應(yīng)該基于控制環(huán)路的分層結(jié)構(gòu) (保護(hù)、電流、電壓、熱能)、功率水平，以及在效率和空間之間作出權(quán)衡。在討論直流-直流技術(shù)的時(shí)候，我們會(huì)碰到一些像“分立解決方案”、“集成控制器及驅(qū)動(dòng)器”、“集成功率級(jí)”等詞匯，而IR的iPOWIR功能模塊就是好例子。

　　分立解決方案是指擁有1至6相的分立控制器集成電路，當(dāng)中的驅(qū)動(dòng)器及場(chǎng)效應(yīng)管都是分開的(見圖3)。這項(xiàng)解決方案可以開放給替代供貨來(lái)源，體現(xiàn)最大的靈活性及性能表現(xiàn)，成本更低，但占最多的電路板空間。模塊制造商可以提供較為節(jié)省空間的分立解決方案模塊，但需要犧牲其他來(lái)源的優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)，引腳對(duì)引腳的兼容性還可以保留。

　　集成控制器及驅(qū)動(dòng)器是指在同一個(gè)集成電路內(nèi)設(shè)有1至3相輸出及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器(圖4)。它需要配合外置場(chǎng)效應(yīng)管，又沒有替代供貨來(lái)源，驅(qū)動(dòng)能力也有限，但優(yōu)點(diǎn)是比分立解決方案節(jié)省耗用更少空間。另外，由于集成電路的散熱功能有限，所以只能設(shè)置3個(gè)驅(qū)動(dòng)器，而且拉/灌電流也只能夠維持于它們最大的水平。

　　集成功率級(jí)是指同一個(gè)集成電路中單一相位的驅(qū)動(dòng)器及場(chǎng)效應(yīng)管。它比分立解決方案占用更小的空間，因此適合用于500kHz以上空間有限的應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)器比較接近場(chǎng)效應(yīng)管，所以能夠在高頻下高效率工作。只要配合一個(gè)合適的控制器，它就可以用于一至多個(gè)相位，但一般都沒有替代供貨來(lái)源。有關(guān)集成電路通常都根據(jù)特定的輸出電流范圍和占空比而作出優(yōu)化，所以整個(gè)解決方案的成本往往高于分立解決方案。

　　這種器件一般都屬于全集成的多芯片模塊或MCM(把控制器、驅(qū)動(dòng)器及場(chǎng)效應(yīng)管全部裝設(shè)于同一個(gè)集成電路中)。雖然它占用的電路板空間最少，但基于封裝的熱能限制，只適用于比較低的功率水平，而且一般都沒有替代供貨來(lái)源。封裝的選擇取決于芯片面積、引腳數(shù)量和散熱需要。在大多數(shù)情況下，人們都會(huì)忽略了一個(gè)情況：原來(lái)把控制功能和功率級(jí)集成，通常都會(huì)造成未能充分善用功率級(jí)的現(xiàn)象，結(jié)果只能夠在控制器的最大可用溫度下操作，或由于需要強(qiáng)迫控制器在最大的功率級(jí)溫度下操作，而對(duì)零件的可靠性打折扣。

　　一個(gè)較低的上下熱阻封裝比較適合所有結(jié)構(gòu)的需要，但是零件價(jià)格比較高。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管在更低的溫度下操作，導(dǎo)通狀態(tài)電阻會(huì)更低，只需要一個(gè)更小巧的場(chǎng)效應(yīng)管就能夠完成工作，或者能夠改善效率、節(jié)省能源，更勝于采用更佳封裝和加入額外散熱設(shè)計(jì)需要付出的高昂成本。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可靠性將大大提高。

　　由于擁有通信及引腳功能分配等額外功能，所以包含了數(shù)字控制器的系統(tǒng)解決方案需要更少的元件和控制器零件。不論在功能組合或封裝選擇方面，數(shù)字結(jié)構(gòu)都比模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)勝。

　　市場(chǎng)分布

　　市場(chǎng)分布方面，消費(fèi)市場(chǎng)占50%以上，信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)則降至45%以下，余下的5%屬于政府用戶。其中消費(fèi)市場(chǎng)中出現(xiàn)了大量商機(jī)。盡管高端系統(tǒng)開始采用數(shù)字技術(shù) (見圖1)，但生產(chǎn)量和利潤(rùn)率偏低使市場(chǎng)難以維持。實(shí)際上，消費(fèi)市場(chǎng)中能夠有比較高的產(chǎn)量，仍然是由模擬產(chǎn)品主導(dǎo)，不論是在功率轉(zhuǎn)換或管理領(lǐng)域也是一樣。要推動(dòng)數(shù)字技術(shù)，必須在高端和低端市場(chǎng)雙管齊下：高端市場(chǎng)著重完善功能及超卓性能，但以低成本為目標(biāo);低端市場(chǎng)以模擬技術(shù)主導(dǎo)的裸機(jī)為重點(diǎn)，但著重更低的成本以吸納市場(chǎng)份額。諷刺的是，最大份額屬于功率及而不是控制器。因此市場(chǎng)預(yù)期，假如能夠把兩者合一，就可以相得益彰，同時(shí)提高產(chǎn)品的邊際利潤(rùn)及營(yíng)業(yè)額。市場(chǎng)還預(yù)期大量的模擬元件會(huì)被更小量可配置的數(shù)字元件所取代。借著“整修”(增/減) 來(lái)實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的結(jié)構(gòu)，將可以帶來(lái)更大的優(yōu)勢(shì)。

　應(yīng)用

　　市場(chǎng)上有多種不同級(jí)別的大批量功率轉(zhuǎn)換器，按每瓦特成本由低至高依次為：直流-直流非隔離3~15W (蜂窩電話、PDA及手持式設(shè)備)、直流-直流非隔離15~250W (負(fù)載點(diǎn)及VRD/VRM) 嵌入式設(shè)備及模塊、高至2000W 的隔離式交流-直流，以及隔離式直流-直流機(jī)板貼裝式功率模塊 (全調(diào)整、半調(diào)整和直流-直流變壓器)。

　　低功率手持式設(shè)備主要采用模擬功率控制及數(shù)字功率管理。

　　數(shù)字功率控制及管理技術(shù)最早是用于高檔電腦及圖像處理領(lǐng)域 (VRM/VRD)，緊接其后的是網(wǎng)絡(luò)通信 (數(shù)據(jù)通信及電信) 及存儲(chǔ)系統(tǒng)。負(fù)載點(diǎn) (PoL)、嵌入式設(shè)備或模塊及隔離式直流-直流模塊是網(wǎng)絡(luò)通信中首選的解決方案，而存儲(chǔ)系統(tǒng)則同時(shí)采用VRDs/VRM及PoL。這些應(yīng)用皆采用數(shù)字硬連接或混合式邏輯結(jié)構(gòu)。不同類型的交流-直流系統(tǒng)采用μC、DSP或DCP控制及功率管理技術(shù)，也有越來(lái)越多隔離式直流-交流反相器和隔離升壓直流-直流轉(zhuǎn)換器加以仿效。

　　不論是哪種應(yīng)用，操作模式的改善都有助于提升低負(fù)載環(huán)境的運(yùn)作效率。這包括相位的減少、脈沖跳行、更低柵驅(qū)動(dòng)電壓和更低的開關(guān)頻率。至于在全負(fù)載的環(huán)境下，運(yùn)作效率的提升則源于更低的導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (更完善的場(chǎng)效應(yīng)管) 和革命性的拓樸技術(shù)。

　　要為數(shù)字結(jié)構(gòu)創(chuàng)優(yōu)增值，創(chuàng)造更大利潤(rùn)及提高生產(chǎn)量，企業(yè)必須超越“莫爾定律”。

　　挑戰(zhàn)

　　外來(lái)挑戰(zhàn)包括市場(chǎng)慣性的轉(zhuǎn)變，包括工程師和硬件兩方面。硬件的挑戰(zhàn)基于用戶量大但缺乏數(shù)字接口。另外，市場(chǎng)分割使?fàn)I銷人員難以為產(chǎn)品賦予定義，并且要求所有人都采用新技術(shù);而市場(chǎng)對(duì)新技術(shù)的抗拒 (例如基于高價(jià)錢及“Z系列”的專有通信總線) 或因?yàn)楹ε翴P訴訟而延遲采用都帶來(lái)挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，操作不便的圖像用戶接口、不完整的操作指引文件，都有可能增加客戶及分銷商的操作培訓(xùn)時(shí)間。另一方面，現(xiàn)有模擬技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)激烈，各家廠商紛紛降價(jià)和推出新產(chǎn)品來(lái)爭(zhēng)吃市場(chǎng)大餅，甚至制造種種的恐懼、不確定、懷疑現(xiàn)象以吸引用戶。此外，購(gòu)買量少和低利潤(rùn)往往對(duì)新用戶造成了障礙。

　　內(nèi)部挑戰(zhàn)之多、嚴(yán)重性之高絕對(duì)不下于外來(lái)挑戰(zhàn)。學(xué)習(xí)時(shí)間之長(zhǎng)、設(shè)計(jì)上的限制，加上檢驗(yàn)和確認(rèn)程序的資源需求，都拖慢了產(chǎn)品面市的時(shí)間，甚至使產(chǎn)品損失市場(chǎng)份額?？膳渲脭?shù)字控制器的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)程序理論上是無(wú)窮無(wú)限的，而檢驗(yàn)和確認(rèn)方法及工具不足夠，也使問題進(jìn)一步惡化。此外，模擬與數(shù)字工程資源更需要互相協(xié)調(diào)和配合。

　　最后，我們不應(yīng)該忽略另一個(gè)重大的挑戰(zhàn)，那就是企業(yè)文化往往影響了采用新技術(shù)的態(tài)度和想法。“我們的產(chǎn)品、資源、時(shí)間和市場(chǎng)不足夠”這種觀念絕對(duì)不應(yīng)再成為限制因素。