功率转换及管理的数字控制

功率转换及管理的数字控制

本文将会广泛地讨论有关数字技术应用于功率转换及管理方面的技术性问题，以迎合市场趋势及不同市场领域的需求。我们还会谈到这种技术相对于模拟控制的应用和挑战。

　　功率转换属于功率系统 (反馈环路) 的运作，而功率管理则涵盖操作模式、起动/停机延迟的同步跟踪和边裕量以及针对并行操作和系统通信的锁相 (交错) 功能。

　　多年以来，“模拟”与“数字”的定义已变得有点模糊。为了避免混淆，本文中的“模拟”是指“连续可变的物理量”，而“数字”是指“离散变量”，全因为数字技术的特性，我们可以存储数据、进行运算和有效地通信。

　　直到现在，功率转换中电压和电流的实际处理，一直都属于模拟而非数字的领域，不过控制上则可以是模拟或数字。由于有关控制并非完全数字化，所以需要在反馈环路中设置模数换转器。那么数字技术能带来什么好处?

　　技术

　　数字技术在我们的日常生活中俯拾皆是。但只有在大约4年前开始，这种技术才被全面应用于功率转换及管理的范畴。

　　特点

　　数字技术最突出的优点在于存储器方面的应用，当中包括3个基本级别的访问：特别为包含了控制器内部校准数据及查表的寄存器而设的厂级访问 (不让用户自行访问);用来选择管理拓朴和控制模式 (电压、电流和混合式) 并提供不同故障保护功能设定的控制器配置 (用户可以通过密码来访问);以及监察和控制 (通过PMBus协议来自由访问)。完善的数据存储能力容许设计师把有关设计优化，甚至在不同项目上反覆使用。

　　数字技术在存储方面的强项衍生另一种优点 – 通信功能。通过I2C来实现的通信功能为控制器赋予校准和编程的能力，也可实时发挥不同功能，包括控制、监察、状态监控、远程识别和诊断。其他特点包括在传输过程中作不同的强度调整，包括分辨率 (数字多少)、校准 (模数转换、外置感应器)、输出电压/电流设定及保护限制 (电压、电流、温度)。

　　时间调整功能涵盖频率转换、延迟和相位调整。控制/管理功能包括操作模式转换 (起动/关机、脉冲串、脉冲跳行、脉冲频率调制、脉冲宽度调制、相位数)、自检验和输出电压转换 (边限)。时间调整和控制的灵活性皆有助于减少电磁干扰，这种特性在模拟应用环境中完全是可梦而不可即。

　　数字术技优点的多寡，或许会因为需要根据不同市场领域作出微调而有所不同，但在实施过程中都需要若干逻辑元素。

　　逻辑的类型

　　我们替某种应用选择合适的逻辑时，灵活性、速度/带宽及成本限制都成为了决定性因素。当中包括数字硬连接逻辑 (状态机器) PID控制及数字脉冲宽度调制 (PWM);数字硬连接逻辑PID控制及数字PWM + 非易失性存储器;混合式 = 模拟PWM + 数字接口 (一般称为“数字封装”);单片机(mC);数字信号处理 (DSP) 和数字控制处理 (DCP)，并且包含最佳DSP和mC的合并。

　大多数的数字集成电路都包含了功率转换控制及功率管理功能。当中的功率转换控制 (反馈环路) 可以工作于连续实时模拟及接近于实时(需要一些响应时间)的数字状态。其他功能会根据事件来触发、编排程序和休眠 (存储器)。硬连接逻辑可用于大批量的低功率应用 (<200W)，它们一般工作于较高的频率 (200kHz~2MHz) 和接近模拟控制速度成本也相对比较低。这样能够体现最坚固的结构，也不需要客户作出很大程度的编程，甚至可以完全省却 (接脚编程，或通过I2C 实现图像用户接口);而且又可以加快产品面市的速度。加入NVM能够在集成电路设计中体现更高的灵活性，但会增加检验和确认工作。

　　假如以一个模拟控制器，配合一个能够支持I2C通信、并有时用来支持VID控制的数字接口，就可以形成混合式逻辑了。它会与硬连接结构共用相同的空间，但灵活性会比较低一点，成本也会高一些。两者都主要用于直流-直流的领域。mC、DSP和DCP皆利用编码(汇编语言或C)来实现更高的灵活性和速度，但成本会更高，也需要更长的时间才能够推出市场。不过，灵活性的增加使电路结构也会变得更加复杂，所以检验和确认程序的成本也会更高。

　　硅工艺

　　实施这些逻辑类型时所作出的技术选择，一般都受到成本带动;而随着更低的亚微米技术 (0.15/0.18mm) 变得更经济实惠，数字技术无疑更为占优，也因而加快了模拟到数字技术的转型。到了某一个阶段，“以更低成本体现更多功能”将为成为新的价值观，取代“以相同成本体现更多功能”。在0.25mm的范围内，模拟与数字结构的芯片成本早已相同，但随着0.18mm范围下的芯片成本下降，研发成本增加了一倍以上。(见图1，来源ISSCC 2007 / SESSION 1 / PLENARY / 1.1)

　　在TSMC，0.15/0.18m m产品的生产量远远高于0.25mm产品(图1，来源ISSCC 2007/SESSION 1/PLENARY/1.1)。预期规模经济将会进一步促进有关的转换过程。

　分割与封装

　　“分割”是指把一个或多个集成电路中的功率转换部分的功能组合起来。有关选择应该基于控制环路的分层结构 (保护、电流、电压、热能)、功率水平，以及在效率和空间之间作出权衡。在讨论直流-直流技术的时候，我们会碰到一些像“分立解决方案”、“集成控制器及驱动器”、“集成功率级”等词汇，而IR的iPOWIR功能模块就是好例子。

　　分立解决方案是指拥有1至6相的分立控制器集成电路，当中的驱动器及场效应管都是分开的(见图3)。这项解决方案可以开放给替代供货来源，体现最大的灵活性及性能表现，成本更低，但占最多的电路板空间。模块制造商可以提供较为节省空间的分立解决方案模块，但需要牺牲其他来源的优点。不过，引脚对引脚的兼容性还可以保留。

　　集成控制器及驱动器是指在同一个集成电路内设有1至3相输出及相关的驱动器(图4)。它需要配合外置场效应管，又沒有替代供货来源，驱动能力也有限，但优点是比分立解决方案节省耗用更少空间。另外，由于集成电路的散热功能有限，所以只能设置3个驱动器，而且拉/灌电流也只能夠维持于它们最大的水平。

　　集成功率级是指同一个集成电路中单一相位的驱动器及场效应管。它比分立解决方案占用更小的空间，因此适合用于500kHz以上空间有限的应用。驱动器比较接近场效应管，所以能够在高频下高效率工作。只要配合一个合适的控制器，它就可以用于一至多个相位，但一般都没有替代供货来源。有关集成电路通常都根据特定的输出电流范围和占空比而作出优化，所以整个解决方案的成本往往高于分立解决方案。

　　这种器件一般都属于全集成的多芯片模块或MCM(把控制器、驱动器及场效应管全部装设于同一个集成电路中)。虽然它占用的电路板空间最少，但基于封装的热能限制，只适用于比较低的功率水平，而且一般都没有替代供货来源。封装的选择取决于芯片面积、引脚数量和散热需要。在大多数情况下，人们都会忽略了一个情况：原来把控制功能和功率级集成，通常都会造成未能充分善用功率级的现象，结果只能够在控制器的最大可用温度下操作，或由于需要强迫控制器在最大的功率级温度下操作，而对零件的可靠性打折扣。

　　一个较低的上下热阻封装比较适合所有结构的需要，但是零件价格比较高。当场效应管在更低的温度下操作，导通状态电阻会更低，只需要一个更小巧的场效应管就能够完成工作，或者能够改善效率、节省能源，更胜于采用更佳封装和加入额外散热设计需要付出的高昂成本。另一个优点是可靠性将大大提高。

　　由于拥有通信及引脚功能分配等额外功能，所以包含了数字控制器的系统解决方案需要更少的元件和控制器零件。不论在功能组合或封装选择方面，数字结构都比模拟结构优胜。

　　市场分布

　　市场分布方面，消费市场占50%以上，信息技术产业则降至45%以下，余下的5%属于政府用户。其中消费市场中出现了大量商机。尽管高端系统开始采用数字技术 (见图1)，但生产量和利润率偏低使市场难以维持。实际上，消费市场中能够有比较高的产量，仍然是由模拟产品主导，不论是在功率转换或管理领域也是一样。要推动数字技术，必须在高端和低端市场双管齐下：高端市场着重完善功能及超卓性能，但以低成本为目标;低端市场以模拟技术主导的裸机为重点，但着重更低的成本以吸纳市场份额。讽刺的是，最大份额属于功率及而不是控制器。因此市场预期，假如能够把两者合一，就可以相得益彰，同时提高产品的边际利润及营业额。市场还预期大量的模拟元件会被更小量可配置的数字元件所取代。借着“整修”(增/减) 来实现更精细的结构，将可以带来更大的优势。

　应用

　　市场上有多种不同级别的大批量功率转换器，按每瓦特成本由低至高依次为：直流-直流非隔离3~15W (蜂窝电话、PDA及手持式设备)、直流-直流非隔离15~250W (负载点及VRD/VRM) 嵌入式设备及模块、高至2000W 的隔离式交流-直流，以及隔离式直流-直流机板贴装式功率模块 (全调整、半调整和直流-直流变压器)。

　　低功率手持式设备主要采用模拟功率控制及数字功率管理。

　　数字功率控制及管理技术最早是用于高档电脑及图像处理领域 (VRM/VRD)，紧接其后的是网络通信 (数据通信及电信) 及存储系统。负载点 (PoL)、嵌入式设备或模块及隔离式直流-直流模块是网络通信中首选的解决方案，而存储系统则同时采用VRDs/VRM及PoL。这些应用皆采用数字硬连接或混合式逻辑结构。不同类型的交流-直流系统采用μC、DSP或DCP控制及功率管理技术，也有越来越多隔离式直流-交流反相器和隔离升压直流-直流转换器加以仿效。

　　不论是哪种应用，操作模式的改善都有助于提升低负载环境的运作效率。这包括相位的减少、脉冲跳行、更低栅驱动电压和更低的开关频率。至于在全负载的环境下，运作效率的提升则源于更低的导通状态电阻 (更完善的场效应管) 和革命性的拓朴技术。

　　要为数字结构创优增值，创造更大利润及提高生产量，企业必须超越“莫尔定律”。

　　挑战

　　外来挑战包括市场惯性的转变，包括工程师和硬件两方面。硬件的挑战基于用户量大但缺乏数字接口。另外，市场分割使营销人员难以为产品赋予定义，并且要求所有人都采用新技术;而市场对新技术的抗拒 (例如基于高价钱及“Z系列”的专有通信总线) 或因为害怕IP诉讼而延迟采用都带来挑战。与此同时，操作不便的图像用户接口、不完整的操作指引文件，都有可能增加客户及分销商的操作培训时间。另一方面，现有模拟技术的竞争相当激烈，各家厂商纷纷降价和推出新产品来争吃市场大饼，甚至制造种种的恐惧、不确定、怀疑现象以吸引用户。此外，购买量少和低利润往往对新用户造成了障碍。

　　内部挑战之多、严重性之高绝对不下于外来挑战。学习时间之长、设计上的限制，加上检验和确认程序的资源需求，都拖慢了产品面市的时间，甚至使产品损失市场份额。可配置数字控制器的设计检验程序理论上是无穷无限的，而检验和确认方法及工具不足够，也使问题进一步恶化。此外，模拟与数字工程资源更需要互相协调和配合。

　　最后，我们不应该忽略另一个重大的挑战，那就是企业文化往往影响了采用新技术的态度和想法。“我们的产品、资源、时间和市场不足够”这种观念绝对不应再成为限制因素。