如何实现绿色混合数字计算的电源管理

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输出电压。这会轻易导致单点故障和对CPU的潜在损害。另外，它们使用的是估计方法来检测输入电流。这种方法速度慢且不能提供真正的灾难性故障保护（CFP）输出来指示消除输入源，以免发生发热事件［9，10］。相反，Intersil的混合方案有两个输出侦测点（VSEN和FB