如何实现绿色混合数字计算的电源管理

　　一、引言

本文引用地址： //m.amcfsurvey.com/article/201612/326785.htm

　　图1所示的模拟电源解决方案是一种众所周知和经过实践检验的技术，功率电子工程师在时域中理解起来毫不费力。模拟PWM控制器包括一个误差放大器，用一些电阻和电容构成补偿网络。通过对电阻和电容值进行微调可实现最佳性能。模拟PWM控制器提供快速和准确控制，人们开发了许多先进的模拟控制方案来实现最佳性能，特别是在瞬态要求非常严格的微处理器核心电源应用中，其针对核心及外设电源应用的简单性、易用性和低成本是无可替代的。

　　图1，模拟电源框图。

　　最近，数字电源在计算机应用领域受到重视。图2侦测所示的数字电源解决方案通过数字化所侦测的电压和电流信息以及以数字形式（频域）重建补偿器和PWM比较器来仿真模拟控制环路模块。要想实现与模拟环路相似的性能，常常需要极高速（》100MHz）的数字算法处理器，这会导致较高的待机功耗，并可能需要非易失存储器（NVM）来存储具体设计配置信息，如反馈补偿参数。它还需要工程师在模拟和数字域中理解设计。由于其复杂性的缘故，普通电源设计人员无法完全理解数字PWM控制器，这迫使数字PWM厂商向用户提供所有支持和完成设计的大部分内容。因此，设计的稳健性和可靠性严重依赖于厂商支持。数字电源有模拟电源所不具有的一些优点，如轻松更新控制回路补偿参数而不修改硬件电路。另一方面，侦测适合计算机应用行业的解决方案仍然需要对热补偿和电流侦测网络在硬件电路层面进行微调，因此它们根本不是全数字式方案，而是一种混合式方案。

　　图2，数字电源框图。

　　对于需要用户接口和电源管理的系统，人们常常会引入串行总线，如PMBus。图3所示的混合数字电源解决方案在模拟控制环路和电源管理模块之间需要一个ADC（模/数转换器）和一个DAC（数/模转换器），用于接口和通信。由于数字电源方案中一切采用数字形式的部分都包含在控制环路中，所以数字环路和电源管理模块之间不需要专用的ADC或DAC，如图4所示。但是，数字电源解决方案需要一个ADC来数字化侦测到的电压和电流模拟信号，以便进行数字控制处理，还需要一个DAC来将数字信息转换回模拟形式，用于控制功率级。该ADC和DAC都在数字控制环路内部；这有可能影响环路响应，除非使用非常高速和高位数（bit-count）的ADC/DAC，这会显著提高偏置功率。PMBus电源管理模块的工作频率通常为100kHz或400kHz，而对于非常快速的ADC和DAC转换，数字控制算法处理器的工作频率必须大于100MHz。因此，混合解决方案通常具有比数字解决方案低得多的偏置功率和更快速的环路响应。

　　本文将详细讨论全数字和混合数字电源方案，包括实现、系统性能、成本、制造和库存控制以及环境影响。

　　图4，全数字电源解决方案框图。

　　二、混合数字电源管理与全数字电源管理

　　（1）偏置功率需求

　　要想实现高精密的DAC精度（比如0.5%）和高PWM分辨率（比如100ps），数字控制器需要极高速（》100MHz）处理器［2］来在数字域中仿真模拟控制环路。它通常使用低偏置电压，如1.8V、2.5V或3.3V，这有助于最小化偏置功率。但是，为计算机应用开发的两个多相数字PWM控制器会消耗超过100mA偏置电流，消耗的偏置功率是Intersil的混合数字多相PWM的的3~5倍。表1详细说明了这一点，以及对Intersil和另外两家数字PWM厂商针对英特尔VR12代多相控制器的其他相关比较信息。由于消耗的偏置功率较高，设计中使用该种数字控制器的稳压器具有轻负载时效率低的缺点，且无法满足能源之星要求，同时通常不用于笔记本电脑应用。由于未来产品要求更低的功耗和追求更绿色的环保，所以全数字控制似乎不是正确的道路。

　　此外，更低的偏置电压通常会限制共模范围，并可能在输出电压变高时使DCR电流侦测放大器饱和。它会导致各相间电流失衡，进而导致功率级过载。而且，数字控制器具有更低的PWM输出信号电平，并有可能引入相位转换时的噪声，可能会在空间紧张型设计中导致系统故障。

　　（2）可编程性和用户接口

　　市面上的多相数字PWM解决方案确实提供了对环路响应进行编程而不需要对硬件电路进行修改的优点，但仍然需要通过微小的电路修改对许多其他功能进行微调。全数字方案非常倾向于算法驱动方式，且因厂商的不同而异。通常，客户不会成为解决方案方面的专家，或者可能只有1~2名工程师完全理解该控制器。因此，数字解决方案的稳健性和可靠性严重依赖于厂商的支持。

　　混合数字方案提供了模拟控制环路来实现世界一流的瞬态性能，以及PMBus接口来实现可编程性和用户接口。控制环路可编程性可按需要来实现而不会产生全数字解决方案的高偏置电流缺点。精通模拟解决方案的电源工程师通常非常容易理解这一点，因而出错机会更小，更有可能在第一次就成功。　　（3）环路和瞬态响应

　　由于DAC和ADC转换延迟，数字控制器的环路带宽通常限于不超过100kHz范围，而模拟和混合数字控制器可以超过100kHz，如图5所示。图6显示慢速环路的响应速度将会更慢并产生更高的过冲和下冲。模拟环路对负载和输入瞬态的响应快很多，最小化了输入和输出干扰，导致更小的输入和输出滤波器尺寸。尽管非线性技术通常用于加快数字控制器的响应速度，但它会在宽负载范围上造成不一致的响应，如图7所示，其原因在于离散阈值的触发。此外，非线性控制会导致不均匀的脉冲分布和低劣的电流均衡能力，如图9所示。与用于数字控制器的非线性控制方案相比，Intersil的混合数字控制器ISL6367/67H ［9，10］使用的线性控制可产生平滑的负载阶跃响应和均匀分布的相位脉冲，如图8和图10分别所示。

　　图6，慢速环路与快速环路瞬态响应。

　　图8，采用Intersil的线性控制的瞬变。

　　图10，线性控制1MHz瞬变的相位转换顺序。

　　（4）DC性能

　　与模拟解决方案的无限分辨率相比，全数字解决方案常常具有由于ADC分辨率和PWM分辨率而产生的量子化误差。另外，电源状态的纹波变化也会影响稳压精度，如图11所示。混合方案保持了模拟方案的高精度。

　　数字控制器常常声称在环境条件、老化和元件变化下具有更小的Vout漂移。对数字控制环路补偿部分（没有外置R和C）是真的，但包括输出滤波器（电感和电容）在内的功率系的特征仍然会随着环境温度、老化和元件变化而变化。校准可以改进精度，特别是在电流侦测中，但它会增加成本（参见E部分）。除非在每次上电时进行校准并对控制环路进行重新配置，否则数字解决方案将仍然会有易受环境变化影响的缺点。此外，低DCR（0.15mOhm或更小）电感将会继续增多这样的影响，在全数字控制器的情况下这将要求更高分辨率的ADC，亦即更高的偏置电流。

　　数字解决方案的DC精度受PWM分辨率的影响［2］；例如，200ps PWM分辨率会对1MHz 开关频率下的12V输入产生2.4mV误差。

　　图11，来自VID加载的输出失调（10A）

　　（5）校准

　　全数字解决方案常常宣扬其校准功能，因为它们常常需要进行校准来实现与混合方案相同的精度。校准是复杂和非免费的，常常需要外置MOSFET和精密侦测电阻，如同厂商B的解决方案一样。这些附加元件通常价值超过0.20美元，同时还会增加用电量。

　　（6）相倍增器兼容性和上电顺序

　　相数倍增器常常用于高相数和超频应用［3］。通道之间的电流均衡对设计稳健和可靠的系统极其重要。市面上实现通道电流均衡的相数倍增器仅为5V PWM输入逻辑［11，12］，且不兼容3.3V数字控制器。数字控制器一直使用没有电流均衡功能的相数倍增器，这会产生长期可靠性较差和可能造成系统发热事件。Intersil相数倍增器集成电路的卓越相间电流均衡请参见图12。

　　图12，Intersil相倍增器在负载瞬变期间的通道电流均衡

　　在服务器领域，可产生最佳效率的典型驱动器电压为5V，这是不同于数字控制器的偏置电压的，它使上电顺序和保护复杂化；出现了三种可能情景：

　　1） 驱动器首先上电。 驱动器检测到PWM低并接通低端MOSFET来给输出放电；系统将不允许预充电启动。

　　2） 数字控制器首先上电。驱动器检测到PWM高或者在驱动器电压变慢时检测到一个全占空比PWM信号；系统将失去软启动并导致高端MOSFET的过应力。

　　3） 驱动器和控制器由同一个启用信号控制。在断电期间由于高端MOSFET短路，CPU将不会受到保护，因为驱动器已被禁用。

　　（7）系统保护

数字控制器需要数字化电压和电流信息，然后再将其转换回模拟信息，这一切全都在控制环路内部进行。这通常导致比模拟环路更慢的响应，如图5所示。另外，由于控制环路中的ADC和DAC，数字控制器将对需要立即予以响应的故障（如输出短路、高端MOSFET短路或输出过电压）产生较差的保护。如表1所示，市面上的数字解决方案只对输出提供一个侦测点。当反馈路径由于元件性能降低、灰尘或潮湿而形成分割器时，输出电压将上升而不触发过压保护（OVP），因为没有第二个点来监测