数字功率管理的优势成为设计人员争论热点

最近，在工程设计人员的词典中，数字功率和数字控制已上升成为最重要的术语。这是一件很奇怪的事，因为电源工程师接受的一般都是模拟技术方面的训练，而客户也是模拟支持者。因此功率控制方案提供商需要一种为模拟工程师架设通向数字领域桥梁的方法。

然而，真正需要数字控制吗？数字技术的拥戴者认为这种趋势是无可避免的，在经验丰富的模拟工程师缺乏时尤其如此，但模拟阵营却指出模拟设计成本更低。

“数字功率管理包括两种类型：数字控制功率转换和系统级数字功率管理，”美国国家半导体公司便携式电源系统先进技术总监Ravi Ambatipudi介绍说。他指出，传统上，功率转换器是和模拟控制环路以及模拟电路设计在一起的。而“在数字功率管理的最基本形式中，功率转换器是和完整的数字控制环路及数字电路设计在一起的。除了外部输出滤波器之外，没有别的模拟元件，”他解释道，“系统级数字功率管理涉及了系统级芯片设计技术，能够使用先进功率管理专用接口智能地控制电压调节器。”

ADI主张有两种方法定义数字功率控制：一是功率控制器的转换器具有串行总线端口时，或者是由控制环路本身定义。有些公司(包括ADI)提供的控制器能够进行完全环路控制并具有SMBus接口、数字通信报告和状态信息，但有一个以模拟形式被控制的环路。

既然定义无法达成一致，而且模拟也一直工作良好，那么，究竟是什么在驱动数字控制市场呢？

Silicon Laboratories公司市场总监Don Alfano 认为：“首先，现在的设备都日趋小巧，功能更加密集。这意味着有更多的电路，或电路数量相同但运行更快，从而产生更大的电流。由此一来，就存在空间和效率的问题，因为电流加大，器件往往产生过多的热量。而不断缩小的工艺尺寸导致了对极精确功率调节的需求。”

关于哪一种方案更好，并没有定论，Maxim公司业务经理Ahmad Ashrafzadeh指出，复杂系统的需求为考虑和研究数字方案以进行功率管理做好了铺垫，这似乎在不久之前还是不可能的。“不幸的是，正如所有新技术一样，该技术也存在着大肆渲染夸张的现象，一旦经过它的自然发展进程稳定下来，这种现象即会烟消云散，”他补充说。

“2004年，业界的嵌入式设计到达一个转折点，即投在功率管理上的时间、金钱和电路板空间比投在功率转换上的还要多，”Zilker Labs公司创始人兼市场副总裁 Jim Templeton表示，“对相关半导体企业而言，这成为一个非常有趣的问题。而现在，它是确保集成性的一大重要问题。”

这么做的第一步是把功率转换到数字领域，以支持结合功率管理和转换功能所需的逻辑密度。

Templeton表示，在功率环境中提及数字技术唯一有意义的时候是在谈论转换环路(控制功率调节的反馈环路)本身。“数字功率必须包括功率转换方面。在数字功率中，必须把信号转换到数字域，并在数字域对错误信号和补偿环路进行处理，然后再将其输出到关闭环路的PWM中，”他指出。

Primarion公司工程副总裁Steve Pullen则认为，对大多数功率客户而言，最棘手的问题只是如何找到时间和资源来开发能够解决复杂功率管理问题的解决方案。此外，他补充道：“在选择功率解决方案时应考虑到的前5个推动因素就是成本、成本、成本、成本和尺寸。”

国半的Ambatipudi认为工程师完成一个数字功率设计要面临的4大挑战是：

1. 把模拟输出电压转换到数字域。输出电压本质上是模拟的，要转换为精确的数字形式，需要高速、高分辨率的A/D转换器。

2. 把数字环路滤波器的数字数据转换为脉冲宽度调制信号，需要用到数字PWM。要获得所需的分辨率，需要消耗相当大的功率。数字PWM的分辨率必须大于输出电压A/D的分辨率以避免极限环振荡(limit-cycle oscillations)。

3. 只采用数字技术很难实现某些控制功能，比如输入电源电压前馈(feed-forward)，以及某些系统功能，如限流、振荡器，电压电流参考等。

4 .需要双电压硅工艺技术来同时支持面向密集数字电路的低电压与面向输出功率FET或驱动器的高电压。

图1：脉冲宽度调制是数字功率控制的关键所在

“便携式应用中客户面临的最大挑战之一节省能源，因为他们使用的是电池，”Summit Microelectronics公司应用工程主管Tom DeLurio表示，“他们需要关断某些功能并动态改变电压以停止电池的消耗。此外，客户还希望能够关断那些暂不需要的功能的不同供电电压，并把元件数目减至最少，以适应外形日益小巧的设备。”

究竟哪一个才是最好的设计，数字还是模拟？至今，答案很大程度上取决于应用。此外还取决于设计人员在数字和模拟领域的专业能力。必需考虑到需要集成的部分有哪些，以及哪些东西涉及到工艺技术。

目前市场上有大量数字解决方案推出。“最复杂的是基于DSP的解决方案，”Primarion公司的Pullen提及，“这些产品具有最大的灵活性，但很难使用。基于DSP的解决方案需要功率工程师来了解如何进行DSP内核编程，而功率工程师目前已经无暇分身。”

许多模拟产品供应商都正在他们的模拟控制器上增加“数字包装”，致使成本提高。其它过渡性的双芯片解决方案整合了一个单独的微控制器和一个传统的模拟控制器以提供总线监控。

图2：功率控制设计人员面临复杂的权衡取舍

若数字设计阶段的成本高于模拟，则有些人想知道数字技术怎样才能更加低廉。“我们提到的成本并不仅限于材料清单和创建并测试电源所需的开销，”Silicon Labs的Alfano指出，“成本是由从概念到供货包括安装整个过程来决定的。”

况且，他指出：“数字电源能够通过网络线接受配置和重配置，所以我们还应该看到这节省了从工厂或本地代表处派遣人员前往安装现场的费用。”

此外，数字技术本身存在一些颇具吸引力的功能。例如，数字技术让设计人员得以使用新的控制拓扑或算法，而在模拟技术中，这些拓扑和算法虽在理论上是可行的，实现起来却极为昂贵。数字控制则可以使用这些新概念，并以合理的成本予以实现。

“数字控制将越来越价廉，并将开拓出一片新的应用领域，”ADI公司功率及热管理高级设计工程师Anton Bakker表示，“它类似于数码摄影技术，后者也花了很长时间才被接受。在数码相机面世之初，所有的胶片相机或模拟相机也经历相同的事情。”

历史正在电源领域重演，Bakker称，客户必需着眼于那些他们能够从数字控制器的额外功能中获益的应用。目前这是指需要监控功能、定制化以及可编程性的高端应用，其成本只比模拟控制器稍高。而三到五年后，答案将会完全不同。

负载点产品设计人员面对的权衡之一是源于产品需要工作在2MHz，同时需从8V转换到1V，德州仪器功率管理产品应用经理Dave Freeman表示。为此需要一个亚纳秒占空比的分辨率和一个专门处理这一问题的数字产品，而非一般性的数字PWM。

2005年，只有少量相关产品推出，Freeman提到。而今年，各公司将开始习惯与数字设计打交道。而2007年，他预测，局面应该是各公司产品纷呈，选择充足，竞争激烈，数字功率设计开始真正起飞。

作者：Paul O'Shea