空間受限的應(yīng)用以及散熱的挑戰(zhàn)

在高性能、大功率電源設(shè)計不斷需要更多功率的同時，它們在可用電路板空間上變得越來越受到限制。此外，不管電源設(shè)計人員是否經(jīng)驗豐富，功率密度都給他們帶來了極大的新挑戰(zhàn)。一般情況下，這些設(shè)計需要具有高于90%的轉(zhuǎn)換效率，以限制電源的功耗和溫升。因此，熱性能設(shè)計尤其重要，因為用于散出、由DC/DC電源轉(zhuǎn)換損耗和有限的空氣流動產(chǎn)生的熱量的空間非常小。除此之外，這些電源必須有卓越的輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)，同時還必須限制所需的外部電容以縮小電源設(shè)計的總體尺寸。

以服務(wù)器為例，在此類特殊的高功率系統(tǒng)中，足夠的散熱空間和冷卻是十分必要的。就任何POL轉(zhuǎn)換器而言，緊湊、高效并具有低靜態(tài)電流以滿足這些新綠色標準的要求極為重要。此外，很多微處理器和數(shù)字信號處理器都需要內(nèi)核電源和輸入/輸出電源，它們在啟動時必須進行排序。設(shè)計工程師必須考慮在加電和斷電操作時對內(nèi)核和I/O電壓源的上電電壓進行排序，以符合制造商的性能規(guī)格要求。如果沒有恰當?shù)碾娫磁判?，就可能產(chǎn)生閉鎖或者過大的電流，導致微處理器I/O端口或者存儲器、FPGA、PLD或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等器件的I/O端口損壞。

讓系統(tǒng)設(shè)計師煩擾的一個常見問題是應(yīng)采用單級轉(zhuǎn)換還是兩級或者更多級轉(zhuǎn)換，比方說從48V到1.xV，是一次轉(zhuǎn)換，還是從48V到12V中間總線架構(gòu)，然后再利用負載點（POL）轉(zhuǎn)換器從12V轉(zhuǎn)換到1.xV。具體采用何種架構(gòu)取決于很多因素，包括根據(jù)系統(tǒng)類型、采用的設(shè)計方法以及其他因素來決定。然而不管采用哪種架構(gòu)，電壓不斷下降的同時對電流有更高需求的應(yīng)用，持續(xù)推動著很多這類大功率系統(tǒng)的開發(fā)，并推動著對于電源IC技術(shù)的不斷改進。總體來說，在對電源轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生最小影響的前提下允許采用更高的開關(guān)頻率，還可以依靠降低開關(guān)損耗和導通損耗來提高電源效率性能。分立式電源設(shè)計是將傳統(tǒng)的電源模塊和分立元件一起放置在一塊印刷電路板上，由于外形尺寸的影響而導致電氣性能和熱性能均受到限制。因此，關(guān)鍵是提供一個完全集成并提高電氣和散熱性能的電源解決方案，同時又能給工程師提供一個易于使用和靈活編程的緊湊型方案。

Altera旗下Enpirion品牌的PowerSoC采用獨特的MEMS電感集成技術(shù)和EDMOS開關(guān)管集成技術(shù)，在實現(xiàn)高功率密度和更高效率性能的目標上大大前進了一步。其能夠滿足高性能、大功率空間受限電源設(shè)計面臨的巨大挑戰(zhàn)。

其實，大功率POL穩(wěn)壓器是空間受限電源設(shè)計的一個很好的例子。這種類型的電源在大型系統(tǒng)板上一般放在非常靠近微處理器、FPGA或者ASIC的地方，為這些器件提供全部所必需的功率。大型數(shù)字器件常常需要范圍為幾安培至100安培以上的電流。大型系統(tǒng)板常常需要幾個這樣的POL電源，因此為這些電源設(shè)計中的每一個分配空間帶來了挑戰(zhàn)。除此之外，系統(tǒng)板的背面常常是高度受限的，一般不適合電源設(shè)計。分立電源轉(zhuǎn)換器一般會利用系統(tǒng)板的兩面實現(xiàn)緊湊型設(shè)計，而傳統(tǒng)電源模塊設(shè)計由于其高度太高，將僅限于系統(tǒng)板正面。Altera新推出的一系列電源集成方案都實現(xiàn)更低的方案尺寸和器件高度，非常適合空間受限的大型功率應(yīng)用，例如可提供連續(xù)輸出電流30A的數(shù)字電源方案EM1130。該產(chǎn)品集成電感、開關(guān)MOSFET、控制器和補償回路，整體器件尺寸只有11mm×17mm，高度僅有5mm，整個方案整體的占位面積小于360mm2，并有進一步縮小方案尺寸的潛能。

另外一個引人注目的用于POL DC/DC轉(zhuǎn)換的IC是EC7401。該器件是一個4相同步降壓型開關(guān)控制器，具有跟蹤功能，用于驅(qū)動外部互補功率MOSFET。其具有MOSFET VDS檢測的恒定功率，電流模式架構(gòu)消除了對電流檢測電阻的需求，降低了成本并提高了工作效率。讓多個Powertrain ET4040以異相工作，最大限度地降低了由輸入電容器ESR引起的功率損耗和噪聲。EC7401+ET4040方案還極大地降低了輸入和輸出電源上的峰值輻射和傳導噪聲。這使符合國際EMI標準更加容易，100%占空比能力提供了低壓差工作性能。
由于在一個給定機箱內(nèi)的空間和冷卻受限，以及需要正確的電源跟蹤以改善系統(tǒng)可靠性等多種限制因素，用于大功率的POL DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計工程師面臨很多挑戰(zhàn)。盡管市場上產(chǎn)品設(shè)計周期在日益縮短，因為Altera的PowerSoC系列產(chǎn)品易于使用，所以可以縮短產(chǎn)品從開發(fā)至上市的時間，并最大程度地降低了設(shè)計難度。
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需要滿足更嚴苛的電氣性能

電氣系統(tǒng)節(jié)能在全球的勢頭正在增強，就產(chǎn)生和消耗而言，成本節(jié)省太具有吸引力了。迎接這一挑戰(zhàn)的是電源管理IC供應(yīng)商，他們正在采用新的設(shè)計方法，以在其產(chǎn)品中對數(shù)十安培負載電流實現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換。同時，他們還在IC置于備用或者停機模式的同時實現(xiàn)更低的靜態(tài)電流。

設(shè)計工程師需要應(yīng)對的挑戰(zhàn)是，滿足所有系統(tǒng)內(nèi)核中不斷增加的高性能DSP和ASIC電氣性能要求。主要性能問題包括電壓穩(wěn)壓、電流瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲。

穩(wěn)壓和電流瞬態(tài)響應(yīng)密切相關(guān)。為了在解決方案尺寸越來越小且功耗越來越低的情況下獲得更高的性能，要使用所需電壓也不斷降低的更小晶體管工藝來制造數(shù)字半導體。現(xiàn)在低于1V的內(nèi)核電壓要求將成為標準的電壓要求。除了低壓以外，對電壓容差的要求也越來越高。目前常用的標準是：線路（輸入電壓變化）、負載（負載電流微小變化）、時間、溫度和電流瞬變等造成的總電壓容差不超過3%。這樣，電源設(shè)計人員就只有30mV的電壓空間來滿足所有的數(shù)字系統(tǒng)要求。線路、負載、時間和溫度等DC參數(shù)還要占用大約一半（15mV）的容差預(yù)算。剩余的15mV則用于處理計算或數(shù)據(jù)傳輸負載帶來的突發(fā)電流變化（1個至3個時鐘周期）。

如果內(nèi)核電壓超過規(guī)定容差極限，那么數(shù)字IC可能會開始復位，否則就會產(chǎn)生邏輯錯誤。為了防止這一情況的發(fā)生，設(shè)計人員需要特別注意所使用的POL模塊的瞬態(tài)性能。數(shù)字負載（例如最新的Altera Arria10）要求極為快速的瞬態(tài)響應(yīng)和極低的電壓偏離。為了達到這些目標，許多附加的輸出電容器通常會被添加到DC/DC轉(zhuǎn)換器中，以提供直到其反饋環(huán)路能夠響應(yīng)的保持時間。從而構(gòu)成完整的電源解決方案。

多年來，電容技術(shù)不斷發(fā)展，容積效率不斷提高，即便使用更高的容積效率，整個電源解決方案也會超過單個電源模塊體積的兩倍。這就要求占用PCB較大的空間。然而，在今天更為小型化的系統(tǒng)中通常不能提供這樣大的空間。另外，在計入電容器成本的情況下，電源材料的整體成本也會超出電源模塊成本許多。

隨著DC/DC電源模塊技術(shù)的不斷創(chuàng)新，系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在可以在使用更少輸出電容的同時，獲得更快的瞬態(tài)響應(yīng)、更小的電壓偏離。Altera推出的更新版本Cyclone V SoC的電源參考設(shè)計，便是一個典型的例子。這些高度集成的電源解決方案可以使得輸出電容的數(shù)量減少一半（10個減為5個），極大程度地幫助用戶簡化了電源設(shè)計難度和成本。影響POL轉(zhuǎn)換器性能的另一個決定性因素是噪聲。開關(guān)式POL運行在不同頻率上并共享一個共有輸入總線時，由此產(chǎn)生的不同頻率及其差異會造成拍頻問題，對EMI濾波造成困難。Enpirion的EM1130模塊具有Sync同步特性，該特性使得設(shè)計人員能夠?qū)⒍鄠€EM1130模塊的開關(guān)頻率與特定頻率同步，從而消除拍頻，并使得EMI濾波更加輕松，而同時又不會增加任何的系統(tǒng)額外成本。

數(shù)字電源的發(fā)展趨勢

10多年前，當數(shù)字電源產(chǎn)品第一次出現(xiàn)時，大多數(shù)的電源設(shè)計工程師都對利用DSP的數(shù)字電源控制器代替模擬的PWM控制器的概念持懷疑態(tài)度，因為人們?nèi)菀讓?shù)字電源和軟件故障或者是因為系統(tǒng)死機引起的電源爆炸事故聯(lián)系在一起。在包含了數(shù)字通信和控制復雜的功率系統(tǒng)所必需的全部功能性產(chǎn)品面世之前，這些基本概念是通過高成本的DSP或者性能有限的FPGA得到驗證的。雖然數(shù)字電源技術(shù)已被證實具有提高功率系統(tǒng)性能的能力，但業(yè)界還不能接受利用數(shù)字技術(shù)處理原來一直通過模擬方式完成的工作。在過去的幾年間，數(shù)字電源技術(shù)取得了巨大進步，市場分析人士以及投資者對其未來增長潛力非常樂觀。

首先，我們要了解一下當前數(shù)字電源市場有哪些不同的解決方案，先了解清楚數(shù)字電源究竟意味著什么是很重要的。功率系統(tǒng)監(jiān)視、監(jiān)測、故障檢測和數(shù)據(jù)記錄是“數(shù)字電源管理”的一個重要方面，其可以通過價廉的微控制器、FPGA或者PLD實現(xiàn)，而時基要求比較低。不過，數(shù)字電源更具有挑戰(zhàn)性的例子是“數(shù)字控制電源”，其中有一個或多個電源控制環(huán)路，以高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和微控制器、狀態(tài)機或DSP控制算法為基礎(chǔ)。

根據(jù)半導體市場研究機構(gòu)IMS估計，全球數(shù)字功率半導體市場將從2012年的27億美元增長到2017年的124億美元。服務(wù)器現(xiàn)在是數(shù)字電源的最大單一市場，預(yù)計2013年占到整體營業(yè)收入的33%。2012-2017年該領(lǐng)域的復合年度增長率將達44.8%。增長最快的數(shù)字電源應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹钦彰鳎A(yù)計2012至2017年，該領(lǐng)域的復合年度增長率將達146%。其中來自LED照明解決方案的使用不斷增長，尤其是需要滿足切相調(diào)光解決方案適合采用數(shù)字電源控制來實現(xiàn)對不同相位調(diào)光器的兼容性。同時，筆記本與平板電腦中的PFC數(shù)字電源的復合年度增長將分別達99%和82%。主要家用電器中數(shù)字電源將增長76%，手機中數(shù)字電源將增長52%。從中可以看出，未來幾年內(nèi)數(shù)字電源的營收增長勢頭將遠遠超過模擬電源。

迄今為止市場上出現(xiàn)的專用數(shù)字控制器中，大多數(shù)是隔離DC/DC和AC/DC功率因數(shù)校正（PFC），它們之所以在市場上獲得更多認可的原因，主要是在于最近幾年市場上蓬勃發(fā)展的智能手機/平板快速充電的需求日益提高，和更加節(jié)能綠色的LED照明替換傳統(tǒng)照明的大勢所趨。此外，市場上對非隔離DC/DC功率轉(zhuǎn)換（例如電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）和POL轉(zhuǎn)換器）的數(shù)字化需求也日益增加。

數(shù)字PFC控制器的功能性要求與POL控制器截然不同。PFC穩(wěn)壓器對于負載調(diào)節(jié)精度要求較低，而且工作在更低的開關(guān)頻率和更低的控制環(huán)路帶寬下，容易帶來量化誤差以及ADC分辨率下降等設(shè)計挑戰(zhàn)。此外，PFC控制器存在獨特的設(shè)計問題，需要豐富的系統(tǒng)知識和經(jīng)驗。AC/DC電源一般需要能夠降低諧波失真和開關(guān)穩(wěn)壓所產(chǎn)生噪聲的電磁干擾（EMI）濾波器。數(shù)字PFC穩(wěn)壓器可以整合功能以降低對EMI濾波器的要求，可以使得EMI濾波器更小更高效。根據(jù)所采用的控制算法和工作模式（比如不連續(xù)傳導模式、連續(xù)傳導模式或者邊界傳導模式）的不同，模擬PFC控制器可以分為好幾類。每一種PFC工作模式都有其優(yōu)缺點，在不同功率級更為顯著。數(shù)字PFC控制器可以被分配在任一種PFC控制模式下。

不論是對PFC應(yīng)用，還是POL應(yīng)用，一個可以配置在許多OEM（原始設(shè)備制造商）產(chǎn)品平臺上的控制器有助于加快開發(fā)速度，并減少需維護的元件庫存，以提高更高的價值。
數(shù)字電源更適合于更大功率的應(yīng)用，因為這類應(yīng)用需要一個或多個PFC（功率因數(shù)校正）穩(wěn)壓器、多個隔離和非隔離的電源軌，以及復雜的冷卻溫度曲線。服務(wù)器電源系統(tǒng)就是數(shù)字控制和電源管理在分布式電源架構(gòu)中提供性能和效率優(yōu)勢的實例之一。隨著越來越多的數(shù)字電源進入到服務(wù)器和計算功率領(lǐng)域，其他大功率DPA（分布式電源架構(gòu)）系統(tǒng)（比如用于電信和數(shù)據(jù)通信的DPA系統(tǒng)）開始采用數(shù)字電源解決方案。

POL轉(zhuǎn)換器一般為低電壓、大電流數(shù)字負載（如FPGA、微處理器、DSP及其他具有極高動態(tài)特性的數(shù)字電路）提供電壓。保持電壓在1V左右的精確調(diào)節(jié)，同時利用純模擬控制技術(shù)來滿足近200A/ns的負載瞬態(tài)要求變得越來越困難。有些數(shù)字控制器能夠提供在同類模擬IC中難以實現(xiàn)的功能，例如非線性控制。事實上，幾乎所有的POL數(shù)字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬態(tài)響應(yīng)的控制技術(shù)。這些專用控制算法構(gòu)成了傳統(tǒng)模擬電源公司進入數(shù)字電源開發(fā)的門檻。Altera的電源事業(yè)部在去年成功收購創(chuàng)新電源公司Enpirion的基礎(chǔ)上，成功于今年12月在市場上推出一系列高性能的全集成數(shù)字電源解決方案。其中，EM1130內(nèi)部采用數(shù)字內(nèi)核實現(xiàn)控制環(huán)路，可以滿足極為嚴苛的瞬態(tài)要求，實現(xiàn)極低的紋波電壓（5mV峰峰值），以及在輸出電壓范圍（0.6V~1.5V）實現(xiàn)極高的精確穩(wěn)壓±0.5%。同時可以支持PMBus通信接口，可以實現(xiàn)遠程精確的電流、電壓和溫度監(jiān)控。

不論是模擬還是數(shù)字方案，為市場應(yīng)用開發(fā)的電源對于成本特別敏感。在對數(shù)字和模擬電源解決方案兩者的成本進行比較時，必須從系統(tǒng)整體角度出發(fā)，包括設(shè)計成本、工藝開發(fā)、測試、驗證、制造、庫存控制、外圍元器件節(jié)省以及可靠性導致的維護成本等。

數(shù)字控制比模擬控制具有某些更好的性能、設(shè)計更靈活且在復雜的設(shè)計中更容易上手使用。如下總結(jié)的六個方面的性能決定了模擬電源被數(shù)字電源取代的主要原因。

(1)瞬態(tài)響應(yīng)：控制機制極大影響了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。例如，與電流模式相比，磁滯控制器的瞬態(tài)響應(yīng)會有很大不同。每種控制模式都既有優(yōu)點，也有缺點。數(shù)字解決方案能無縫地從一種模式轉(zhuǎn)換到另一種模式，從而提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應(yīng)。

(2)效率：許多應(yīng)用條件都會影響到效率，包括死區(qū)時間、開關(guān)頻率、柵極驅(qū)動等級、二極管仿真和相移等。針對這些因素，當前數(shù)字控制所提供的數(shù)字控制算法在整個工作條件范圍內(nèi)進行了優(yōu)化。因此，在某個工作點下，也許能將模擬控制器調(diào)整到很高的效率，但數(shù)字控制器卻可對所有的工作點進行優(yōu)化。

(3)調(diào)節(jié)精度：一般來說，調(diào)節(jié)精度是根據(jù)線電壓、負載和溫度來定義的，因為這些條件中的每一個都會影響調(diào)節(jié)精度。數(shù)字控制器可以監(jiān)視這些條件，并采取控制措施，在整個工作條件范圍內(nèi)進行優(yōu)化。

(4)穩(wěn)定性：數(shù)字控制能夠提供比模擬方案更好的補償（更好地調(diào)用極點和零點），因此在穩(wěn)定性上的控制要好很多。另外，補償能夠隨著條件的變化而變化，使系統(tǒng)能在很寬范圍的條件下實現(xiàn)最佳的穩(wěn)定性。模擬控制器的補償是固定的，而數(shù)字控制可提供可調(diào)的甚至是自適應(yīng)的補償。

(5)故障響應(yīng)：數(shù)字電源控制器提供了大量故障響應(yīng)的選項。每種故障都有唯一的響應(yīng)特性，可根據(jù)用戶的需求進行調(diào)整。模擬控制器一般只有一個固定的故障響應(yīng)（如斷電/斷續(xù)/過載），用戶也只能選擇用或者不用。數(shù)字控制還能提供濾波器功能，降低虛假故障的可能。

(6)可靠性：減少元件數(shù)量和降低工作溫度（通過效率優(yōu)化）是數(shù)字電源提高系統(tǒng)可靠性的兩個途徑。此外，靈活的故障響應(yīng)和探測元器件參數(shù)微小變化的能力，可以大幅減少停機時間。
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如今，數(shù)字電源在市場上的普及正在加快。以通信基站系統(tǒng)舉例，如果能夠監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)，則可更好地管理系統(tǒng)性能，進而提高系統(tǒng)可靠性?；鶐卧仨毦邆鋸姶蟮男盘柼幚砟芰?，以處理大量數(shù)據(jù)和語音流量。上電/斷電期間，多路不同電流/電壓的電源必須按照正確的順序開啟/關(guān)閉。需要對基帶工作過程中的電流和溫度進行監(jiān)測，以確保系統(tǒng)工作在容限范圍內(nèi)，并在必要時提供報警或故障指示信號。另外，遠端控制功能和先進的故障管理功能能夠確?；緦崿F(xiàn)更高的可靠性。如果采用模擬方案，這些功能將需要多個器件和電源管理的支持。而數(shù)字方案則可降低設(shè)計復雜度，只需獨立的電源管理芯片?；倦娫赐蠓浅碗s的電源管理控制器，每項功能需要多個分立元件配合。設(shè)計方案的總電路板面積和復雜度也相應(yīng)增長。另外，由于基站工作在極端溫度條件下，設(shè)計方案必須在較寬的工作溫度范圍內(nèi)保持可靠。對于傳統(tǒng)的模擬電源方案，只能在單一工作條件下設(shè)置補償，而又必須解決寬工作范圍問題。同時，無源器件（例如電感和電容）的差異也加劇了電源補償?shù)膹碗s度。

數(shù)字電源可作為更好的替代方案，數(shù)字架構(gòu)中能夠?qū)崿F(xiàn)自動補償，并有利于優(yōu)化帶寬。更大頻寬的負載瞬態(tài)響應(yīng)有助于改善系統(tǒng)容限或省掉輸出電容，從而縮小系統(tǒng)尺寸。此外，由于無源器件參數(shù)隨著溫度的變化而發(fā)生變化，自動補償功能能夠自適應(yīng)調(diào)整，適應(yīng)條件的變化，從而在整個溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計。

在提高效率方面，數(shù)字電源的作用也非常大。在正確實現(xiàn)時，數(shù)字控制有可能通過占空比優(yōu)化和自適應(yīng)直通控制，在滿足瞬態(tài)要求的同時，實現(xiàn)更低的開關(guān)頻率、關(guān)鍵時序的實時適應(yīng)（比如同步整流或者諧振死區(qū)時間）、切相以及根據(jù)負載電流變換工作模式等等，在一定程度上提高效率。由于系統(tǒng)功率根據(jù)負載要求進行更有效的管理，故數(shù)字控制能夠提高總體效率。這里，不得不再次提到EM1130和Altera的Gen10 FPGA合作降低系統(tǒng)靜態(tài)功耗的成功案例。通過SmartVID雙向通信接口應(yīng)用，EM1130可以幫助Arria10的靜態(tài)功耗顯著降低——通過實際測試，可以幫助A10的靜態(tài)功耗降低多達40%，且不會影響FPGA本身的工作性能表現(xiàn)。這個產(chǎn)品將極大地幫助Altera及其他PFGA/ASIC廠家實現(xiàn)高性能和低功耗的顯著設(shè)計目標。

任何數(shù)字功率控制器獲得成功的基本要求之一是可行的，易于使用的圖形用戶界面（GUI）。許多功率設(shè)計工程師都很快認同需要數(shù)字控制器來提供全面的設(shè)計靈活性。通過可編程命令來實現(xiàn)靈活性，需要對軟件層、劃分、保護功能和命令分組進行謹慎周密的考慮。GUI必需直觀，操作簡單自然，最為重要的是，必須全天候工作。

電源行業(yè)開始逐步向數(shù)字電源轉(zhuǎn)變。模擬控制器內(nèi)存在著組合邏輯、時鐘、計數(shù)器和定時器等數(shù)字內(nèi)容。隨著混合信號設(shè)計流程不斷進步，這有望大大提高數(shù)字和模擬元件之間關(guān)系的優(yōu)化程度。根據(jù)目標應(yīng)用的復雜情況，某些功能可能最好采用數(shù)字處理。而另一些功能更適合于模擬領(lǐng)域。大多數(shù)認識到數(shù)字電源價值的資深電源設(shè)計人員都將相應(yīng)更新自己的設(shè)計技能，不管對采用時間點的看法如何不同，有一點是確定的：數(shù)字電源乃大勢所趨。

結(jié)語

能源短缺和能源價格不斷上升不僅是由資源供應(yīng)緊張造成，還在于人們對于不斷豐富的生活娛樂，網(wǎng)絡(luò)信息和通訊的追求永無休止。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計中，整體功耗也成為產(chǎn)品競爭的制勝因素。

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