電源通常是系統(tǒng)開發(fā)中進行的最后一項設計任務。設計討論常常是這樣開始：“好吧，我們來設計一個電源，它的輸入電壓是這么大，多個輸出的電流是這么大，而且具有一個效率目標，以控制散熱”。然而，現(xiàn)在的設計變得越來越復雜。電源設計工程師知道好的電源（特別是功率高達數(shù)百瓦的電源）必須平衡經常相互沖突的目標。這些目標包括輸出靈活性、動態(tài)線路／負載性能、高負載和低負載效率、元件公差、散熱問題和溫度系數(shù)、監(jiān)測和保護以及電壓或電流的動態(tài)變化。

　　除了長期致力于開發(fā)各種解決方案，以滿足最新負載要求的電源專家以外，設計高性能電源的困難并未得到全面認識。這在為構成物聯(lián)網（IoT）云計算和電信基礎設施的服務器和存儲網絡設備設計電源的挑戰(zhàn)中得到例證。一度被歸于高性能CPU的性能要求，現(xiàn)在也延伸到中型甚至小型的負載中。

　　模擬控制拓撲的發(fā)展趨緩

　　為滿足這些要求，設計工程師開發(fā)了許多創(chuàng)新的模擬控制回路和技術，例如恒定導通時間或滯后控制，以及典型的電壓和電流模式方案等等。盡管這些設計具有不少特性，但它們都已經沒法滿足用戶的要求。在采用PWM控制器情況下，諸如誤差放大器、比較器和斜坡發(fā)生器等功能塊受到其設計約束和變量的限制。它們受到信號鏈中的時移和相移，以及在為補償網絡選擇元件時的噪聲注入和大信號響應問題的影響（見圖1）。

　　圖1． 模擬PWM電源控制器

　?。ㄓ⑽?中文翻譯：Analog PWM Controller 模擬PWM控制器；Error Amp 誤差放大器；Comp 比較器；Ramp Generator 斜坡發(fā)生器；Latch 鎖存器；Driver 驅動器）

　　這些設計的性質（必須按照具體應用需求對電路進行調整，確保對性能的妥協(xié)降到最低）意味著信號控制器無法提供最新系統(tǒng)要求的靈活性。這種限制已導致模擬控制器的性能和使用停滯不前。好在，數(shù)字電源控制（亦稱“數(shù)字電源”）提供了一種更好的替代方案。

　　數(shù)字電源控制是什么？對一些人而言，它仍然是一個模擬控制回路，但有些參數(shù)可以通過數(shù)字接口進行調整。例如，可以通過PMBus接口發(fā)出命令來改變輸出電壓。但這種說法并沒有提到數(shù)字控制以及數(shù)字電源能給市場帶來什么好處。

　　數(shù)字電源來救場

　　基于PWM DC／DC控制器的真正數(shù)字電源控制遠不只是對內部模擬回路的管理。相反，實際閉環(huán)反饋路徑完全是在數(shù)字域內執(zhí)行的，起點是反饋電壓的模／數(shù)轉換。一旦所有信息都在數(shù)字域內，就可以應用新的先進控制技術和數(shù)字信號處理。例如，根據負載的條件改變狀態(tài)和算法，以便在不斷變化的條件下也能實現(xiàn)優(yōu)化的響應（見圖 2）。

　　圖2． 數(shù)字電源控制器的實現(xiàn)

　?。ㄓ⑽?中文翻譯：Digital－DC Controller 數(shù)字DC控制器；Power Management 電源管理；Serial Interface 串行接口；Multi level comp 多級比較器；Digital PID Filter 數(shù)字PID濾波器；Driver 驅動器）

　　數(shù)字控制的好處不只是先進的控制策略和實現(xiàn)的靈活性。算法能夠適應變化，從而克服了以前在模擬電源中出現(xiàn)的局限性，例如由于溫度上升、公差甚至老化而產生的元件變異。請注意，有些無源元件（如電感和電容）的初始公差可輕松達到±20％甚至更高，使用公差更小的元件會顯著增加設計成本。數(shù)字電源控制器不再需要捉襟見肘地平衡復雜設計中的眾多無源和模擬元件，并為其表現(xiàn)不理想負責。借助先進的數(shù)字控制算法，回路穩(wěn)定性挑戰(zhàn)也不再是個問題。

　　數(shù)字方案幫助工程師成功

　　雖然數(shù)字控制可能對有些設計工程師來說是新鮮的，而且好得難以令人置信，實際情況其實很不一樣，正如Intersil的ZL880x系列DC／DC步降控制器所證明的，該系列是創(chuàng)新的第4代混合信號電源轉換電源管理IC系列。圖3顯示的是ZL8802雙通道雙相控制器，它集成了一個用于廣泛電源應用的高性能步降轉換器。它消除了為保證穩(wěn)定性而進行回路補償?shù)男枰瑫r不會影響系統(tǒng)帶寬。

　　圖3． ZL8802框圖顯示了其內部復雜度，其中大部分對設計工程師是透明的

　　因此，ZL880x系列控制器已被多個廠商的已發(fā)布OEM電源所采用，包括CUI的NDM3Z系列數(shù)字DC／DC POL模塊。它們是高性能器件，旨在滿足要求最嚴苛的中間總線電源系統(tǒng)的需求。

　　CUI 高級副總裁Mark Adams表示：“我們?yōu)槲覀兊腘DM3ZS－60數(shù)字POL模塊選擇了ZL8800控制器，因為我們覺得它提供了市場上最先進的功能集。只是將一個電壓轉換為另一個電壓對我們的客戶不再適用。現(xiàn)在的需求是在任何時間和所有條件下都能進行完美的電壓轉換。數(shù)字IC技術幫我們實現(xiàn)了這個目標?！?/p>

　　該 IC內部的自適應算法可自動改變工作狀態(tài)，以提高效率和整體性能，無需用戶的干預。該器件的全數(shù)字回路可實現(xiàn)整個電源轉換過程的精準控制，無需借助于軟件，從而使其成為非常靈活和易于使用的器件?？刂扑惴ㄓ糜陧憫獑蝹€PWM開關周期內的輸出電流變化，從而以小于傳統(tǒng)PWM控制器的輸出容值實現(xiàn)更小的總輸出電壓變化。

　　該器件有助于設計工程師通過 PMBus接口完全控制和監(jiān)測每個電源軌，以最大限度提高可靠性。其專有的單線式DDC（數(shù)字DC）串行總線允許多個ZL880x器件與其他 Intersil數(shù)字電源IC通信，以實現(xiàn)IC間的相電流平衡、時序控制和故障擴散，從而消除了需要使用外圍分立元件的附加復雜電源管理器設計。

　　ZL8802包括電路保護功能，可持續(xù)地防止器件和負載由于意外系統(tǒng)故障而損壞。它能持續(xù)監(jiān)測輸入電壓和電流、輸出電壓和電流，包括逐周期輸出過流保護、內部溫度及兩個外圍熱二極管的溫度。監(jiān)測參數(shù)還能進行預配置，以提供針對具體條件的警報。

　　數(shù)字調制技術

　　ZL8802的關鍵要素是專有數(shù)字調制技術的集成。先進的數(shù)字控制器需要滿足三個關鍵要求：應當支持足夠高的帶寬；理想條件下應當無需補償；應當支持固定頻率開關操作。ZL8802的數(shù)字電壓模式控制能夠使用其具有專利的ChargeMode控制技術實現(xiàn)高帶寬。

　　傳統(tǒng)上，電壓或電流模式滯環(huán)控制器已經提供了最佳回路響應，但伴隨著以可變頻率進行開關操作的缺點。使用數(shù)字電源控制器的最新電信設備要求固定的工作頻率，從而實現(xiàn)對最終用戶應用中的噪聲頻譜的嚴格控制。ZL8802利用其獨特的數(shù)字調制器和補償技術來實現(xiàn)所有這些目標。

　　其數(shù)字調制技術允許控制器對單個PWM開關周期中的電壓變化做出反應。ZL8802在一個開關周期內可以多次進行誤差采樣并計算調制信號，這可顯著減少群延遲并因此支持非常高帶寬的操作。

　　厲害的是，ZL8802無需知道實際輸出電容值。相反，它依靠數(shù)字算法來進行正確的調整，以及確保穩(wěn)定性。這樣做的結果是減小了支持具體應用所需的容值，同時提供了一種無補償設計?？刂破鞯捻憫_保任何瞬態(tài)條件均可得到滿足，同時保持穩(wěn)定性并將振鈴或過沖最小化。這種方案的系統(tǒng)級好處是不再限制設計工程師對電源元件的選擇。同時，該控制器還消除了元件老化或環(huán)境變化的影響，因為數(shù)字回路可對變化進行持續(xù)監(jiān)測和負責。

　　配置、驗證和監(jiān)測

　　全數(shù)字式閉環(huán)控制方案的另一個好處是它與易于使用和強大的圖形用戶界面（GUI）相兼容。

　　PowerNavigator 軟件可以使用帶有USB接口的PC就能對多個器件進行配置、驗證和監(jiān)測。這使得易于使用簡單的GUI來變更數(shù)字電源設計的所有特性和功能。使用這一工具，工程師能夠設置電源架構，定義電壓軌以及均流操作，建立基于事件或基于時間的時序控制，監(jiān)測硬件和故障，以及保存項目和配置文件。

　　結論

　　在為物聯(lián)網云計算服務器和電信設備中采用的先進FPGA、處理器和ASIC設計電源時，工程師最關心的問題是功率密度、瞬態(tài)響應和效率。諸如ZL8802等數(shù)字PWM DC／DC控制器提供優(yōu)異的瞬態(tài)響應性能和無補償設計，有助于電源設計工程師獨立自主地在動態(tài)性能與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間取持續(xù)性的平衡。