数字高性能负载应用的智能全集成数字电源解决方案

　　节能环保已成为今天电源解决方案的发展主旋律。电源系统正面临前所未有的挑战：环境的恶化迫使人们不得不考虑采用更加清洁的替代能源;电子设备的发展也亟需提升现有电源系统的转换效率。通过提高电源系统转换效率，优化不同负载条件下的功耗以及采用新型绿色能源，可实现节能环保的目标。

　　空间受限的应用以及散热的挑战

　　在高性能、大功率电源设计不断需要更多功率的同时，它们在可用电路板空间上变得越来越受到限制。此外，不管电源设计人员是否经验丰富，功率密度都给他们带来了极大的新挑战。一般情况下，这些设计需要具有高于90%的转换效率，以限制电源的功耗和温升。因此，热性能设计尤其重要，因为用于散出、由DC/DC电源转换损耗和有限的空气流动产生的热量的空间非常小。除此之外，这些电源必须有卓越的输出纹波和瞬态响应，同时还必须限制所需的外部电容以缩小电源设计的总体尺寸。

　　以服务器为例，在此类特殊的高功率系统中，足够的散热空间和冷却是十分必要的。就任何POL转换器而言，紧凑、高效并具有低静态电流以满足这些新绿色标准的要求极为重要。此外，很多微处理器和数字信号处理器都需要内核电源和输入/输出电源，它们在启动时必须进行排序。设计工程师必须考虑在加电和断电操作时对内核和I/O电压源的上电电压进行排序，以符合制造商的性能规格要求。如果没有恰当的电源排序，就可能产生闭锁或者过大的电流，导致微处理器I/O端口或者存储器、FPGA、PLD或者数据转换器等器件的I/O端口损坏。

　　让系统设计师烦扰的一个常见问题是应采用单级转换还是两级或者更多级转换，比方说从48V到1.xV，是一次转换，还是从48V到12V中间总线架构，然后再利用负载点(POL)转换器从12V转换到1.xV。具体采用何种架构取决于很多因素，包括根据系统类型、采用的设计方法以及其他因素来决定。然而不管采用哪种架构，电压不断下降的同时对电流有更高需求的应用，持续推动着很多这类大功率系统的开发，并推动着对于电源IC技术的不断改进。总体来说，在对电源转换效率产生最小影响的前提下允许采用更高的开关频率，还可以依靠降低开关损耗和导通损耗来提高电源效率性能。分立式电源设计是将传统的电源模块和分立元件一起放置在一块印刷电路板上，由于外形尺寸的影响而导致电气性能和热性能均受到限制。因此，关键是提供一个完全集成并提高电气和散热性能的电源解决方案，同时又能给工程师提供一个易于使用和灵活编程的紧凑型方案。

　　Altera旗下Enpirion品牌的PowerSoC采用独特的MEMS电感集成技术和EDMOS开关管集成技术，在实现高功率密度和更高效率性能的目标上大大前进了一步。其能够满足高性能、大功率空间受限电源设计面临的巨大挑战。

　　其实，大功率POL稳压器是空间受限电源设计的一个很好的例子。这种类型的电源在大型系统板上一般放在非常靠近微处理器、FPGA或者ASIC的地方，为这些器件提供全部所必需的功率。大型数字器件常常需要范围为几安培至100安培以上的电流。大型系统板常常需要几个这样的POL电源，因此为这些电源设计中的每一个分配空间带来了挑战。除此之外，系统板的背面常常是高度受限的，一般不适合电源设计。分立电源转换器一般会利用系统板的两面实现紧凑型设计，而传统电源模块设计由于其高度太高，将仅限于系统板正面。Altera新推出的一系列电源集成方案都实现更低的方案尺寸和器件高度，非常适合空间受限的大型功率应用，例如可提供连续输出电流30A的数字电源方案EM1130。该产品集成电感、开关MOSFET、控制器和补偿回路，整体器件尺寸只有11mm×17mm，高度仅有5mm，整个方案整体的占位面积小于360mm2，并有进一步缩小方案尺寸的潜能。

　　图1 全集成的30A数字电源EM1130以及方案占位图

　　另外一个引人注目的用于POL DC/DC转换的IC是EC7401.该器件是一个4相同步降压型开关控制器，具有跟踪功能，用于驱动外部互补功率MOSFET。其具有MOSFET VDS检测的恒定功率，电流模式架构消除了对电流检测电阻的需求，降低了成本并提高了工作效率。让多个Powertrain ET4040以异相工作，最大限度地降低了由输入电容器ESR引起的功率损耗和噪声。EC7401+ET4040方案还极大地降低了输入和输出电源上的峰值辐射和传导噪声。这使符合国际EMI标准更加容易，100%占空比能力提供了低压差工作性能。

　　由于在一个给定机箱内的空间和冷却受限，以及需要正确的电源跟踪以改善系统可靠性等多种限制因素，用于大功率的POL DC/DC转换器的设计工程师面临很多挑战。尽管市场上产品设计周期在日益缩短，因为Altera的PowerSoC系列产品易于使用，所以可以缩短产品从开发至上市的时间，并最大程度地降低了设计难度。

　　需要满足更严苛的电气性能

　　电气系统节能在全球的势头正在增强，就产生和消耗而言，成本节省太具有吸引力了。迎接这一挑战的是电源管理IC供应商，他们正在采用新的设计方法，以在其产品中对数十安培负载电流实现高效率转换。同时，他们还在IC置于备用或者停机模式的同时实现更低的静态电流。

　　设计工程师需要应对的挑战是，满足所有系统内核中不断增加的高性能DSP和ASIC电气性能要求。主要性能问题包括电压稳压、电流瞬态响应和噪声。

　　稳压和电流瞬态响应密切相关。为了在解决方案尺寸越来越小且功耗越来越低的情况下获得更高的性能，要使用所需电压也不断降低的更小晶体管工艺来制造数字半导体。现在低于1V的内核电压要求将成为标准的电压要求。除了低压以外，对电压容差的要求也越来越高。目前常用的标准是：线路(输入电压变化)、负载(负载电流微小变化)、时间、温度和电流瞬变等造成的总电压容差不超过3%。这样，电源设计人员就只有30mV的电压空间来满足所有的数字系统要求。线路、负载、时间和温度等DC参数还要占用大约一半(15mV)的容差预算。剩余的15mV则用于处理计算或数据传输负载带来的突发电流变化(1个至3个时钟周期)。

　　如果内核电压超过规定容差极限，那么数字IC可能会开始复位，否则就会产生逻辑错误。为了防止这一情况的发生，设计人员需要特别注意所使用的POL模块的瞬态性能。数字负载(例如最新的Altera Arria10)要求极为快速的瞬态响应和极低的电压偏离。为了达到这些目标，许多附加的输出电容器通常会被添加到DC/DC转换器中，以提供直到其反馈环路能够响应的保持时间。从而构成完整的电源解决方案。

　　多年来，电容技术不断发展，容积效率不断提高，即便使用更高的容积效率，整个电源解决方案也会超过单个电源模块体积的两倍。这就要求占用PCB较大的空间。然而，在今天更为小型化的系统中通常不能提供这样大的空间。另外，在计入电容器成本的情况下，电源材料的整体成本也会超出电源模块成本许多。

　　随着DC/DC电源模块技术的不断创新，系统设计人员现在可以在使用更少输出电容的同时，获得更快的瞬态响应、更小的电压偏离。Altera推出的更新版本Cyclone V SoC的电源参考设计，便是一个典型的例子。这些高度集成的电源解决方案可以使得输出电容的数量减少一半(10个减为5个)，极大程度地帮助用户简化了电源设计难度和成本。影响POL转换器性能的另一个决定性因素是噪声。开关式POL运行在不同频率上并共享一个共有输入总线时，由此产生的不同频率及其差异会造成拍频问题，对EMI滤波造成困难。Enpirion的EM1130模块具有Sync同步特性，该特性使得设计人员能够将多个EM1130模块的开关频率与特定频率同步，从而消除拍频，并使得EMI滤波更加轻松，而同时又不会增加任何的系统额外成本。

　　图2 降低输出电容的数量简化电源设计尺寸和成本

　　数字电源的发展趋势

　　10多年前，当数字电源产品第一次出现时，大多数的电源设计工程师都对利用DSP的数字电源控制器代替模拟的PWM控制器的概念持怀疑态度，因为人们容易将数字电源和软件故障或者是因为系统死机引起的电源爆炸事故联系在一起。在包含了数字通信和控制复杂的功率系统所必需的全部功能性产品面世之前，这些基本概念是通过高成本的DSP或者性能有限的FPGA得到验证的。虽然数字电源技术已被证实具有提高功率系统性能的能力，但业界还不能接受利用数字技术处理原来一直通过模拟方式完成的工作。在过去的几年间，数字电源技术取得了巨大进步，市场分析人士以及投资者对其未来增长潜力非常乐观。

首先，我们要了解一下当前数字电源市场有哪些不同的解决方案，先了解清楚数字电源究竟意味着什么是很重要的。功率系统监视、监测、故障检测和数据记录是“数字电源管理”的一个重要方面，其可以通过价廉的微控制器、FPGA或者PLD实现，而时基要求比较低。不过，数字电源更具有挑战性的例子是“数字控制电源”