电源与电源管理技术发展趋势

 
Mansour Izadinia
Maxim公司副总裁

未来的DC-DC转换器采用何种技术—模拟还是数字？

　　未来的电源管理系统对效率和可靠性的要求越来越高，电源管理产品的设计专家就如何提高系统效率和可靠性的问题产生了许多争议。许多专家提议借助数字系统改善效率和可靠性。这无疑对传统的模拟方案提出了挑战，模拟设计人员为了维护模拟设计的地位也提出了不同的观点。我们相信在数字DC-DC转换技术发展成熟之前，有关数字和模拟DC-DC转换器的争议还会持续一段时间。

　　了解数字电源管理不可混淆的两个方面非常重要，一方面是数字电源管理技术，另一方面是输出电压调节反馈环路的离散时间控制。许多设计人员没有分清这两方面的问题，因而也混淆了真正的“数字电源”的含义。我们认为一个“数字电源”系统可以利用传统的模拟架构实现主调节环路。典型的数字电源系统具有一个系统控制器和一个或多个带有通信接口(例如PMBusTM)的器件，通信接口有三个作用：首先可以实现对PMBus器件的监测，通过检测输出电压、输出电流、温度等参数获得有助于系统管理的信息，最终达到器件控制的目的。系统控制是数字电源的第二个主要功能。第三个主要功能是系统配置，系统配置主要发生在上电或系统装载时。系统配置有多种不同目的，例如：Intel VRM规范要求通过配置VRM获得为Intel CPU供电的精确输出电压。在PWM控制器中一般通过引脚设置达到这一目的，Intel要求通过不同的电源配置改善CPU的工作速率。总而言之，电源管理系统为我们提供了三个功能：监测、控制和配置。当然，为了实现这三个功能，我们还需要连接系统和器件的串口或并口。

　　推动数字控制技术实现DC-DC转换器的动力由多种因素，最主要的一个因素是：能够实现更有效的电源管理，通过对系统工作模式进行高层管理达到提高系统效率目标。例如，在服务器中按照数据吞吐量控制DC-DC的工作模式 ，绝大多数大电流服务器电源采用多相架构，当系统工作在轻载时，可以关闭一相或多相DC-DC转换器，从而改善系统在轻载条件下的工作效率。在交换机/路由器，系统控制器可能只需要改变DC-DC转换器的工作模式，动态控制系统时钟，从而达到降低ASIC及其他相关电路功耗的目的。另外一个更有效的电源管理途径是动态控制DC-DC开关频率或输出电压。例如：为了降低系统在大电流条件下的功耗，系统控制器可以降低输出电压。Intel的VRM规范既是一个成功的应用范例。

　　但是，构建最佳的数字DC-DC转换器，其性能受限于模拟电路，例如：电压基准或A/D转换器。

　　高速数字PWM的定时问题实际上是其内核电路的模拟问题，可以通过数字和模拟方案的相互配合解决这一问题。基于这一考虑，若干年内，DC-DC转换器将是一个模拟技术和数字技术的混合架构。

　　设计人员需要针对具体设计的系统选择最适合的方案，关于采用数字技术还是模拟技术的争议最终取决于对性能和成本的合理折衷。■

 
Madhu Rayabhari
Microsemi，VP of Business Development

几个有关电源和电源管理方面的关键技术动向：

　　.　趋向于获得更高的效率；
　　.　趋向于减小尺寸和降低重量；
　　.　具有更低的待机功率容量；
　　.　绿色的电源；
　　.　遵守制订的规章；
　　.　趋向于数字化控制的电源和电源管理集成电路 。

　　全世界各地的人对功率的需求在不断地增加。而功率的产生和分配并没有跟上这个需求。因此，能够提高电源的效率，并使之具有更低待机功率的电源和电源管理集成电路逐渐成为起决定性作用的关键产品。

　　建立绿色系统的潮流也影响到了电源和电源管理集成电路产品。绿色的系统消耗更少的功率，并且不使用危害环境的材料。一些这样的要求是通过立法来规定的。因此，对于电源的设计者而言，遵守制订的规章也是起决定性的关键。另外，按照诸如WEEE对环境考虑的要求，计划要减少电子废弃物，也会影响到设计师设计和制作新的电源集成电路产品的理念和方式方法。

　　智能化电源管理集成电路提供了包括数字控制和监测功能在内的显著提高，因而能够完成上述的其他目标。事实上，由于集成电路所具有的数字能力，所以能够执行效率非常高的控制方法；既监测正在运行的功率消耗，又监测待机的功率消耗；还能自适应的调整电源的工作， 以获得非常好的效率。另外，数字性能使得电源能够达到一个很高的集成度，因而潜在地致使系统成本下降。这也有可能致使系统减轻重量。

　　降低和减小电源的重量和尺寸是从以下几个方面来着手进行的。采用工作频率较高的技术能够减小系统中无源元件的尺寸，从而降低重量和减小尺寸，而且还去除了某些原来需要使用的无源元件。

　　Microsemi是一个领先的集成电路和分立器件的供应商, 其产品的目标市场是电源的管理和实现。
 
　　我们在分立器件部分最新推出的产品是Power MOS 8TM。与上一代的器件相比较，该新系列的高速、高电压N-沟道开关模式功率晶体管能够给设计者提供的好处是更低的EMI 和更低的成本。而这个新系列的成员 --  MOSFET/FREDFET对典型额定值 500W以上的、高频率、高电压应用中的硬开关和软开关都做了优化。FREDFET具有一个快恢复体二极管的特性，可用在 ZVS电路中，提供高的抗换向dv/dt 的能力和高的可靠性。

　　近来，Microsemi推出的其他重要产品是业界第一个为以太网应用供电的多端口PSE 控制器，该控制器符合IEEE802.3at 标准的1.0版本草案的要求。PD69012 和PD69008控制器给设计者提供一个水平非常高的数字控制和电源管理，因而使用以太网电缆的基本设施就能够得到非常高效率的功率使用和分配 。

　　由于认识到在诸如数字图像框、小型和便携式DVD播放器等应用中，能够高效率地为使用冷阴极荧光灯的小形状因子显示器提供背光照明的电路的需求，Microsemi推出LX6512，它给设计者提供一个多种拓扑的选择，以及较低的BOM成本，这是该类价格敏感应用的关键所在。
 
　　另外，还认识到业界采用LED背光照明的发展趋势，最近又推出了相当重要的LX1996和DAZL 系列控制器，给设计者提供 许多性能，以实现高能效的、高性能的LED背光照明。LX1996实现使用白色LED的背光照明，DAZL给使用者提供用于RGB LED背光照明的非常先进的数字处理能力。采用LED作为背光照明源可以免除使用通常用于荧光灯的汞。

新的应用

1.不断上升的金属铜的价格将会驱使开关频率的增加，以及新拓扑和有源滤波器技术的出现。

2.通常，新拓扑的开发将提高效率。但是，它们也许会更复杂，尤其是它们的控制电路。更多增加的效率将是开发所需求的控制和可能的新控制器芯片的驱动力。

　　在直接变频器中，采用背-背晶体管来阻断和开导两极，不再需要一个整流的步骤。
　　三电平变换器使得原先拓扑所需要用的1200V器件可以使用600V的器件。
　　两-开关无桥式电路的功率因数正器。
       Vienna整流器。
       谐振拓扑应用的扩展。

3. 电源和电源管理的新产品有：

      . 太阳能逆变器专用功率模块；
      . 带有内置电流和温度传感的功率模块，用作DC固态继电器和电子负载的预制构件；
      . 谐振模式IGBT Combis，用于相-移谐振全桥电路；
      . 高频MOSFET用于无线电通信和其他次千兆赫的大功率应用；
      . 线性模式MOSFET用于DC固态继电器和电子负载。