綠色混合數(shù)字計(jì)算電源管理

一、引言

圖1所示的模擬電源解決方案是一種眾所周知和經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的技術(shù)，功率電子工程師在時(shí)域中理解起來(lái)毫不費(fèi)力。模擬PWM控制器包括一個(gè)誤差放大器，用一些電阻和電容構(gòu)成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)電阻和電容值進(jìn)行微調(diào)可實(shí)現(xiàn)最佳性能。模擬PWM控制器提供快速和準(zhǔn)確控制，人們開(kāi)發(fā)了許多先進(jìn)的模擬控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳性能，特別是在瞬態(tài)要求非常嚴(yán)格的微處理器核心電源應(yīng)用中，其針對(duì)核心及外設(shè)電源應(yīng)用的簡(jiǎn)單性、易用性和低成本是無(wú)可替代的。

圖1，模擬電源框圖。

最近，數(shù)字電源在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域受到重視。圖2偵測(cè)所示的數(shù)字電源解決方案通過(guò)數(shù)字化所偵測(cè)的電壓和電流信息以及以數(shù)字形式(頻域)重建補(bǔ)償器和PWM比較器來(lái)仿真模擬控制環(huán)路模塊。要想實(shí)現(xiàn)與模擬環(huán)路相似的性能，常常需要極高速(>100MHz)的數(shù)字算法處理器，這會(huì)導(dǎo)致較高的待機(jī)功耗，并可能需要非易失存儲(chǔ)器(NVM)來(lái)存儲(chǔ)具體設(shè)計(jì)配置信息，如反饋補(bǔ)償參數(shù)。它還需要工程師在模擬和數(shù)字域中理解設(shè)計(jì)。由于其復(fù)雜性的緣故，普通電源設(shè)計(jì)人員無(wú)法完全理解數(shù)字PWM控制器，這迫使數(shù)字PWM廠商向用戶提供所有支持和完成設(shè)計(jì)的大部分內(nèi)容。因此，設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性和可靠性嚴(yán)重依賴于廠商支持。數(shù)字電源有模擬電源所不具有的一些優(yōu)點(diǎn)，如輕松更新控制回路補(bǔ)償參數(shù)而不修改硬件電路。另一方面，偵測(cè)適合計(jì)算機(jī)應(yīng)用行業(yè)的解決方案仍然需要對(duì)熱補(bǔ)償和電流偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)在硬件電路層面進(jìn)行微調(diào)，因此它們根本不是全數(shù)字式方案，而是一種混合式方案。

圖2，數(shù)字電源框圖。

對(duì)于需要用戶接口和電源管理的系統(tǒng)，人們常常會(huì)引入串行總線，如PMBus。圖3所示的混合數(shù)字電源解決方案在模擬控制環(huán)路和電源管理模塊之間需要一個(gè)ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)和一個(gè)DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)，用于接口和通信。由于數(shù)字電源方案中一切采用數(shù)字形式的部分都包含在控制環(huán)路中，所以數(shù)字環(huán)路和電源管理模塊之間不需要專用的ADC或DAC，如圖4所示。但是，數(shù)字電源解決方案需要一個(gè)ADC來(lái)數(shù)字化偵測(cè)到的電壓和電流模擬信號(hào)，以便進(jìn)行數(shù)字控制處理，還需要一個(gè)DAC來(lái)將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換回模擬形式，用于控制功率級(jí)。該ADC和DAC都在數(shù)字控制環(huán)路內(nèi)部;這有可能影響環(huán)路響應(yīng)，除非使用非常高速和高位數(shù)(bit-count)的ADC/DAC，這會(huì)顯著提高偏置功率。PMBus電源管理模塊的工作頻率通常為100kHz或400kHz，而對(duì)于非?？焖俚腁DC和DAC轉(zhuǎn)換，數(shù)字控制算法處理器的工作頻率必須大于100MHz。因此，混合解決方案通常具有比數(shù)字解決方案低得多的偏置功率和更快速的環(huán)路響應(yīng)。

本文將詳細(xì)討論全數(shù)字和混合數(shù)字電源方案，包括實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)性能、成本、制造和庫(kù)存控制以及環(huán)境影響。

圖4，全數(shù)字電源解決方案框圖。

二、混合數(shù)字電源管理與全數(shù)字電源管理

(1)偏置功率需求

要想實(shí)現(xiàn)高精密的DAC精度(比如0.5%)和高PWM分辨率(比如100ps)，數(shù)字控制器需要極高速(>100MHz)處理器[2]來(lái)在數(shù)字域中仿真模擬控制環(huán)路。它通常使用低偏置電壓，如1.8V、2.5V或3.3V，這有助于最小化偏置功率。但是，為計(jì)算機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的兩個(gè)多相數(shù)字PWM控制器會(huì)消耗超過(guò)100mA偏置電流，消耗的偏置功率是Intersil的混合數(shù)字多相PWM的的3~5倍。表1詳細(xì)說(shuō)明了這一點(diǎn)，以及對(duì)Intersil和另外兩家數(shù)字PWM廠商針對(duì)英特爾VR12代多相控制器的其他相關(guān)比較信息。由于消耗的偏置功率較高，設(shè)計(jì)中使用該種數(shù)字控制器的穩(wěn)壓器具有輕負(fù)載時(shí)效率低的缺點(diǎn)，且無(wú)法滿足能源之星要求，同時(shí)通常不用于筆記本電腦應(yīng)用。由于未來(lái)產(chǎn)品要求更低的功耗和追求更綠色的環(huán)保，所以全數(shù)字控制似乎不是正確的道路。

此外，更低的偏置電壓通常會(huì)限制共模范圍，并可能在輸出電壓變高時(shí)使DCR電流偵測(cè)放大器飽和。它會(huì)導(dǎo)致各相間電流失衡，進(jìn)而導(dǎo)致功率級(jí)過(guò)載。而且，數(shù)字控制器具有更低的PWM輸出信號(hào)電平，并有可能引入相位轉(zhuǎn)換時(shí)的噪聲，可能會(huì)在空間緊張型設(shè)計(jì)中導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

(2)可編程性和用戶接口

市面上的多相數(shù)字PWM解決方案確實(shí)提供了對(duì)環(huán)路響應(yīng)進(jìn)行編程而不需要對(duì)硬件電路進(jìn)行修改的優(yōu)點(diǎn)，但仍然需要通過(guò)微小的電路修改對(duì)許多其他功能進(jìn)行微調(diào)。全數(shù)字方案非常傾向于算法驅(qū)動(dòng)方式，且因廠商的不同而異。通常，客戶不會(huì)成為解決方案方面的專家，或者可能只有1~2名工程師完全理解該控制器。因此，數(shù)字解決方案的穩(wěn)健性和可靠性嚴(yán)重依賴于廠商的支持。

混合數(shù)字方案提供了模擬控制環(huán)路來(lái)實(shí)現(xiàn)世界一流的瞬態(tài)性能，以及PMBus接口來(lái)實(shí)現(xiàn)可編程性和用戶接口?？刂骗h(huán)路可編程性可按需要來(lái)實(shí)現(xiàn)而不會(huì)產(chǎn)生全數(shù)字解決方案的高偏置電流缺點(diǎn)。精通模擬解決方案的電源工程師通常非常容易理解這一點(diǎn)，因而出錯(cuò)機(jī)會(huì)更小，更有可能在第一次就成功。

(3)環(huán)路和瞬態(tài)響應(yīng)

由于DAC和ADC轉(zhuǎn)換延遲，數(shù)字控制器的環(huán)路帶寬通常限于不超過(guò)100kHz范圍，而模擬和混合數(shù)字控制器可以超過(guò)100kHz，如圖5所示。圖6顯示慢速環(huán)路的響應(yīng)速度將會(huì)更慢并產(chǎn)生更高的過(guò)沖和下沖。模擬環(huán)路對(duì)負(fù)載和輸入瞬態(tài)的響應(yīng)快很多，最小化了輸入和輸出干擾，導(dǎo)致更小的輸入和輸出濾波器尺寸。盡管非線性技術(shù)通常用于加快數(shù)字控制器的響應(yīng)速度，但它會(huì)在寬負(fù)載范圍上造成不一致的響應(yīng)，如圖7所示，其原因在于離散閾值的觸發(fā)。此外，非線性控制會(huì)導(dǎo)致不均勻的脈沖分布和低劣的電流均衡能力，如圖9所示。與用于數(shù)字控制器的非線性控制方案相比，Intersil的混合數(shù)字控制器ISL6367/67H [9,10]使用的線性控制可產(chǎn)生平滑的負(fù)載階躍響應(yīng)和均勻分布的相位脈沖，如圖8和圖10分別所示。[!--empirenews.page--]

圖6，慢速環(huán)路與快速環(huán)路瞬態(tài)響應(yīng)。

圖8，采用Intersil的線性控制的瞬變。

圖10，線性控制1MHz瞬變的相位轉(zhuǎn)換順序。

(4)DC性能

與模擬解決方案的無(wú)限分辨率相比，全數(shù)字解決方案常常具有由于ADC分辨率和PWM分辨率而產(chǎn)生的量子化誤差。另外，電源狀態(tài)的紋波變化也會(huì)影響穩(wěn)壓精度，如圖11所示?；旌戏桨副３至四M方案的高精度。

數(shù)字控制器常常聲稱在環(huán)境條件、老化和元件變化下具有更小的Vout漂移。對(duì)數(shù)字控制環(huán)路補(bǔ)償部分(沒(méi)有外置R和C)是真的，但包括輸出濾波器(電感和電容)在內(nèi)的功率系的特征仍然會(huì)隨著環(huán)境溫度、老化和元件變化而變化。校準(zhǔn)可以改進(jìn)精度，特別是在電流偵測(cè)中，但它會(huì)增加成本(參見(jiàn)E部分)。除非在每次上電時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)并對(duì)控制環(huán)路進(jìn)行重新配置，否則數(shù)字解決方案將仍然會(huì)有易受環(huán)境變化影響的缺點(diǎn)。此外，低DCR(0.15mOhm或更小)電感將會(huì)繼續(xù)增多這樣的影響，在全數(shù)字控制器的情況下這將要求更高分辨率的ADC，亦即更高的偏置電流。

數(shù)字解決方案的DC精度受PWM分辨率的影響[2];例如，200ps PWM分辨率會(huì)對(duì)1MHz 開(kāi)關(guān)頻率下的12V輸入產(chǎn)生2.4mV誤差。

圖11，來(lái)自VID加載的輸出失調(diào)(10A)

(5)校準(zhǔn)

全數(shù)字解決方案常常宣揚(yáng)其校準(zhǔn)功能，因?yàn)樗鼈兂３Ｐ枰M(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)與混合方案相同的精度。校準(zhǔn)是復(fù)雜和非免費(fèi)的，常常需要外置MOSFET和精密偵測(cè)電阻，如同廠商B的解決方案一樣。這些附加元件通常價(jià)值超過(guò)0.20美元，同時(shí)還會(huì)增加用電量。

(6)相倍增器兼容性和上電順序

相數(shù)倍增器常常用于高相數(shù)和超頻應(yīng)用[3]。通道之間的電流均衡對(duì)設(shè)計(jì)穩(wěn)健和可靠的系統(tǒng)極其重要。市面上實(shí)現(xiàn)通道電流均衡的相數(shù)倍增器僅為5V PWM輸入邏輯[11,12]，且不兼容3.3V數(shù)字控制器。數(shù)字控制器一直使用沒(méi)有電流均衡功能的相數(shù)倍增器，這會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期可靠性較差和可能造成系統(tǒng)發(fā)熱事件。Intersil相數(shù)倍增器集成電路的卓越相間電流均衡請(qǐng)參見(jiàn)圖12。

圖12，Intersil相倍增器在負(fù)載瞬變期間的通道電流均衡

在服務(wù)器領(lǐng)域，可產(chǎn)生最佳效率的典型驅(qū)動(dòng)器電壓為5V，這是不同于數(shù)字控制器的偏置電壓的，它使上電順序和保護(hù)復(fù)雜化;出現(xiàn)了三種可能情景：

1) 驅(qū)動(dòng)器首先上電。 驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到PWM低并接通低端MOSFET來(lái)給輸出放電;系統(tǒng)將不允許預(yù)充電啟動(dòng)。

2) 數(shù)字控制器首先上電。驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到PWM高或者在驅(qū)動(dòng)器電壓變慢時(shí)檢測(cè)到一個(gè)全占空比PWM信號(hào);系統(tǒng)將失去軟啟動(dòng)并導(dǎo)致高端MOSFET的過(guò)應(yīng)力。

3) 驅(qū)動(dòng)器和控制器由同一個(gè)啟用信號(hào)控制。在斷電期間由于高端MOSFET短路，CPU將不會(huì)受到保護(hù)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器已被禁用。

(7)系統(tǒng)保護(hù)

數(shù)字控制器需要數(shù)字化電壓和電流信息，然后再將其轉(zhuǎn)換回模擬信息，這一切全都在控制環(huán)路內(nèi)部進(jìn)行。這通常導(dǎo)致比模擬環(huán)路更慢的響應(yīng)，如圖5所示。另外，由于控制環(huán)路中的ADC和DAC，數(shù)字控制器將對(duì)需要立即予以響應(yīng)的故障(如輸出短路、高端MOSFET短路或輸出過(guò)電壓)產(chǎn)生較差的保護(hù)。如表1所示，市面上的數(shù)字解決方案只對(duì)輸出提供一個(gè)偵測(cè)點(diǎn)。當(dāng)反饋路徑由于元件性能降低、灰塵或潮濕而形成分割器時(shí)，輸出電壓將上升而不觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)(OVP)，因?yàn)闆](méi)有第二個(gè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)輸出電壓。這會(huì)輕易導(dǎo)致單點(diǎn)故障和對(duì)CPU的潛在損害。另外，它們使用的是估計(jì)方法來(lái)檢測(cè)輸入電流。這種方法速度慢且不能提供真正的災(zāi)難性故障保護(hù)(CFP)輸出來(lái)指示消除輸入源，以免發(fā)生發(fā)熱事件[9,10]。相反，Intersil的混合方案有兩個(gè)輸出偵測(cè)點(diǎn)(VSEN和FB)來(lái)避免單點(diǎn)故障，以及真正的輸入電流偵測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)CFP，這可以對(duì)CPU提供出色的保護(hù)。

(8)制造和庫(kù)存控制

全數(shù)字控制器需要非易失存儲(chǔ)器(NVM)來(lái)存儲(chǔ)配置信息，這些配置通常在出廠前已經(jīng)編程。如果該器件用于不同的平臺(tái)，其將需要不同的配置文件和庫(kù)存批次。計(jì)算機(jī)市場(chǎng)非?；钴S，需求會(huì)突然發(fā)生變化。一旦一種平臺(tái)失去了市場(chǎng)，該平臺(tái)的特定零件就不能復(fù)用于其他平臺(tái)。帶有不同配置的相同控制器可用于不同的平臺(tái)，但常常會(huì)給售后服務(wù)制造困難，例如故障分析。數(shù)字解決方案使庫(kù)存控制復(fù)雜化并增加了總成本。而混合數(shù)字控制器就沒(méi)有這些問(wèn)題;單個(gè)零件可用于或復(fù)用于不同平臺(tái)，從而幫助簡(jiǎn)化制造控制和降低總成本。

(9)外置元件和PCB真實(shí)狀態(tài)

數(shù)字電源解決方案使用集成度很高且昂貴的控制器，這些控制器常常使用很少的外置元件以及比模擬解決方案更少的PCB空間。但是，可用于計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的核心和內(nèi)存應(yīng)用的數(shù)字控制器必須高速和經(jīng)濟(jì)，且常常并未集成所有功能。如表2(混合數(shù)字和全數(shù)字計(jì)算解決方案的外置元件比較)所示，數(shù)字解決方案消除了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，而許多其他功能仍然需要外置元件。例如，市面上的數(shù)字解決方案額外需要兩個(gè)去偶電容(用于抑制噪聲)以及不多幾個(gè)L/DCR匹配元件。廠商A甚至需要4個(gè)NTC網(wǎng)絡(luò)，用于熱補(bǔ)償和監(jiān)測(cè)，并對(duì)完整的6+1解決方案需要更大的封裝。數(shù)字解決方案可能在控制器周圍需要更少的元件，但常常在功率系部分周圍需要更多的元件，包括驅(qū)動(dòng)器去耦、DCR偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)以及輸入和輸出濾波器，從而誤導(dǎo)用戶。[!--empirenews.page--]

表2，計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的混合數(shù)字與全數(shù)字6+1解決方案的外置元件

三、Intersil綠色混合數(shù)字電源

(1)線性控制——EAPP

Intersil獨(dú)有的增強(qiáng)型主動(dòng)脈沖定位(EAPP)調(diào)制方案是一種線性雙邊控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在穩(wěn)態(tài)工作期間它是固定頻率控制，但在瞬態(tài)事件期間則是變頻控制。它可以增加負(fù)載施加期間的開(kāi)關(guān)頻率和降低負(fù)載釋放期間的頻率。在直流和交流工作條件下，它還在所有相位之間保持均勻的脈沖分布。如圖10和圖13所示，相位轉(zhuǎn)換順序在負(fù)載瞬態(tài)頻率變化期間保持相同：1-2-3-4 ---- 1-2-3-4，中間沒(méi)有任何東西。如圖9所示，在特定負(fù)載瞬態(tài)頻率下非線性控制會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)分布的脈沖。這種新穎的EAPP控制方案顯著改進(jìn)了電流均衡和減小了高頻瞬態(tài)事件期間的差頻振蕩，如圖14和圖15所示。

電流模式控制常常在占空比高于50%時(shí)出現(xiàn)次諧波振蕩[7]，而數(shù)字控制也會(huì)出現(xiàn)周期極限振蕩[8]?？梢韵颦h(huán)路引入人為斜坡補(bǔ)償來(lái)最小化這些效應(yīng)，但其將會(huì)減慢環(huán)路速度和減弱瞬態(tài)響應(yīng)。Intersil的EAPP是一種雙邊電壓模式調(diào)制器，不會(huì)出現(xiàn)這些不穩(wěn)定問(wèn)題，從而產(chǎn)生具有優(yōu)異模擬性能的更穩(wěn)健、可靠的系統(tǒng)。

圖14，線性控制350kHz瞬變的電流均衡。

圖15，線性控制50kHz瞬變的電流均衡。

(2)DC性能

模擬控制環(huán)路可使電壓和電流偵測(cè)放大器盡可能保持精確而無(wú)需任何不必要的校準(zhǔn)。圖16顯示6相系統(tǒng)具有良好均衡的相電流，而圖17顯示不同電路板的非常緊的降低公差。

圖17，6個(gè)電路板的下降控制精度。

(3)AUTO 模式的高效率

Intersil的相應(yīng)AUTO模式有助于改進(jìn)低負(fù)載區(qū)的VR效率。如圖18所示，自動(dòng)相數(shù)控制(APN)使VR能夠在整個(gè)負(fù)載上在最佳效率下工作[1]。

圖18，不同相數(shù)的效率和ISL6367/67H評(píng)估板的APN。

(4)AUTO模式中的APA控制

CPU能夠在任何時(shí)刻毫無(wú)延遲地施加高di/dt負(fù)載，因此多相VR必須為重負(fù)載施加做好準(zhǔn)備。使用APN控制不能對(duì)VR對(duì)這些負(fù)載瞬態(tài)事件的性能產(chǎn)生不良影響。Intersil的混合數(shù)字方案利用一個(gè)能夠快速添加相位的快速環(huán)路來(lái)支持負(fù)載階躍瞬態(tài)事件。

傳統(tǒng)的相數(shù)增加和減少控制將會(huì)監(jiān)測(cè)總輸出電流，這是通過(guò)輸出電感電流來(lái)偵測(cè)的。當(dāng)發(fā)生負(fù)載階躍時(shí)，電感電流會(huì)緩慢增加，所以相位是逐一緩慢增加的，從而導(dǎo)致大電壓暫降，如圖19所示。因此，工作相位可能試圖占用滿施加的負(fù)載電流，并可能潛在地超載，直至增加更多相位。為保持在正常全相運(yùn)行模式的相等瞬態(tài)響應(yīng)，APA控制幫助所有降低相位在大階躍瞬變時(shí)立即重新開(kāi)始工作，從而導(dǎo)致非常小的電壓暫降，如圖20所示。輸出電壓響應(yīng)是快速的，因?yàn)樗邢辔欢急婚_(kāi)啟來(lái)支持負(fù)載。

圖20，帶有APA控制的負(fù)載瞬態(tài)性能。

(5)最低能量浪費(fèi)

對(duì)于具有一個(gè)穩(wěn)壓器和使用廠商A和廠商B數(shù)字控制器的兩個(gè)內(nèi)存穩(wěn)壓器的系統(tǒng)(如表1所示)來(lái)說(shuō) ，100萬(wàn)個(gè)主板在五年間會(huì)產(chǎn)生大于 500億瓦時(shí)的待機(jī)功耗浪費(fèi)(如圖21所示)。Intersil的筆記本和混合數(shù)字解決方案會(huì)產(chǎn)生的能量要低得多，且在未來(lái)有可能進(jìn)一步減少。另外，Intersil的混合數(shù)字方案還有AUTO模式，可在輕負(fù)載條件期間更精確地節(jié)省更多電力。

圖21，控制器的待機(jī)能量浪費(fèi)比較。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文考察了全數(shù)字電源解決方案在計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的局限性和一些優(yōu)勢(shì)。同時(shí)對(duì)混合數(shù)字方案與全數(shù)字電源方案進(jìn)行了對(duì)比?；旌蠑?shù)字方案提供了模擬控制環(huán)路來(lái)實(shí)現(xiàn)世界一流的瞬態(tài)性能，以及數(shù)字電源管理功能來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的可編程性和易于使用的接口，該方案可靠、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能且易于使用，是一種環(huán)保型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并符合能源之星要求。