数字技术应用于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。