关于数字电源的应用价值与优势的探讨

作者：Intersil资深应用工程师 李林

随着各大电源厂商不断的推出新的数字电源产品，数字电源也越来越多的被用户采纳，但如何才能使用户从数字电源中得到最大的利益，一直是电源设计工程师和系统设计工程师的共通目标，本文就以intersil的Zilker系列数字电源为基础，主要介绍了数字电源能够给系统应用带来怎样的价值，以及如何最大限度发挥数字电源的优势。

1. 数字电源的同步和时序控制

通常电源系统的时序和同步控制都需要使用特殊的控制器件来实现，而需要额外增加器件来实现时序控制，即增加了成本还需要在电路板上占有一定的空间，并且是完全由硬件电路实现，没有适应性和扩展性，每做一个新的产品都需要重新进行时序设计和相应的硬件设计。特别是针对复杂的系统来说，每个系统中可能有多达10几路的电源轨需要进行精确的时序设计，一不小心如果有一路时序设计错误，整个系统设计就功亏一篑。而数字电源的应用，让时序和同步控制变得异常简单，Zilker系列数字电源管理芯片使用单线制的DDC总线和SYNC管脚就可轻松实现各路电源轨之间的同步和时序管理，不再需要使用专门的频率同步信号发生器件和时序控制器件，只需通过单线将各芯片的DDC管脚和SYNC管脚分别连接在一起，相应器件的时序和工作的相位就可以进行精确的设定。时序设定是通过配置Pre Sequence和Sequence寄存器实现，同步和相位是通过配置SYNC Output Mode，SYNC Input Mode, SYNC Pin Configure来实现。

而芯片运行的过程中是完全不需要外部控制的，只需事先将配置文件写入芯片中，芯片就可以完全在独立运行的过程中实现精确的排序和同步错相功能了。

下图是通过配置的基于ZL系列数字电源芯片电源轨的开关节点波形图以及输出电压轨的时序控制结果：


图1：电源轨相位交错效果


图2：系统的上电时序控制效果


图3：系统的下电时序控制效果

从上面的图像可以看出，通过配置后电源系统轻松实现了排序、同步和错相等功能，工作状态稳定。同时在使用了数字电源解决方案后，出现错误时也可以通过软件进行及时简单的进行修正，不需要重新花费人力物力来对复杂的硬件进行重新设计，设计人员也可以节省更多的时间去完成对系统处理功能的优化，潜在的经济效益也很大。

2.数字电源对系统动态功耗管理的帮助

针对工业界越来越严格的能耗管理需求，为使电源系统能够得到最优化的效能。除了提高电源系统的工作效率，另一个途径就是针对系统处理器芯片工作在不同业务密度时，动态的调节处理器芯片的供电电压来优化处理器的能耗，通常情况下即要实现下面的功能：当系统处在高负荷运转的时候，需要系统有很强的处理能力，让系统达到最高的处理速度和能力，需要相应的提高系统处理器芯片的供电电压；而当系处于低负荷运转的时候，又需要尽可能的把闲散的功能模块屏蔽，不让或者少让其损耗能量，从而相应的降低系统处理器芯片的供电电压。

使用模拟电源方案，电源系统的输出电压是由硬件固定设置的，不能够或者很难进行实时的动态调整。而使用了数字电源方案，我们不仅可以通过接口（Zilker系列数字电源使用标准的I2C/SMBUS接口）和相应的协议（Zilker系列数字电源使用标准协议的PMBus协议）实时的控制电源的输出，而且还可以实时监测电源轨的工作电压、电流、温度等信息（如图4是通过Intersil公司的GUI显示了多路数字电源轨的工作状态）， 这样可以比较容易的实现对系统的动态管理和性能优化了。


图4：系统的动态监控

通常的系统动态电压调节流程图如下图5所示，在调节的过程中需要CPU发送调节指令，对于模拟电源来说，指令是不能够被直接接收和执行的，那么整个调节过程就不能够有效的执行。只有使用了数字电源的系统才能有效的进行相应指令接收和操作，系统动态功耗的管理和优化就变的有操作性了。


图5：根据负载运行状况实时对电源轨电压进行调整

3.数字电源应用对系统长期可靠性的帮助

几乎所有的ZL系列数字电源都带有自动补偿功能（Auto Compensation），数字电源的自动补偿功能用来帮助设计工程师对电源设计中复杂的反馈环路进行设计的辅助工具。

但是使用自动补偿还可以实现其他一些有用的功能，例如帮助提高系统的长期可靠性。

ZL系列数字电源中数字补偿回路的参数包括以下三个参数：Gc,Fn和Q，其中Gc为增益，这个值用来补偿功率通路直流增益的不足，增加低频增益，以达到更加紧密的输出电压调节精度。Fn为自然频率，用来补偿系统中输出滤波器件在谐振频率处产生的双极点，以保证电压的设计更加稳定可靠。而Q值则是一个逼近电源本身输出滤波器件品质因素的参数，当电源本身的品质因素发生变化的时候，补偿的Q值就会随之变化，以补偿这部分的变化。而对于自动补偿器件来说，这三个参数是可以根据电源的设计自动产生的，只要将自动补偿功能启动，就可以产生一套参数。

那么通过观察系统补偿值的变化，我们是否就可以了解系统中的各个分立器件参数的变化情况呢？带着这个问题，进行了研究。下面以ZL8101为基础设计的1V30A的数字电源的轨作为例子，对电源进行自动补偿测试，比较在不同情况下得到的自动补偿结果，得到如下表的参数：

表1:不同系统状况下的自动补偿参数


对比上面三组参数，很明显，在输出电容不同的情况下，补偿参数中的Q值有明显的变化。这个说明了什么呢？

对于Q值，前面说过，其和整个电源轨的品质因素有直接关系，它是补偿电源轨功率通路品质因素的，当功率通路品质因素发生变化的时候，Q值当然也应该发生变化，只有这样我们才能得到一个稳定的补偿回路，系统才能够可靠的工作，这结果即得到了不同情况下单自动补偿参数值，也从侧面反映了自动补偿功能的可靠性。

而对于数字电源来说，一个电源轨中除了功率通路之外，就是数字控制器本身，外围其他电路已经被减少到了基本没有的地步，所以功率回路和数字控制器就是最主要的器件了，我们只要保证了这两种器件的可靠性就可以保证整个电源轨的可靠性，从而保证整个系统的可靠性。而对于半导体器件，本身的可靠性非常高，失效率也极低，一旦设计完成，他的失效率就基本可以忽略不计；对于磁性元器件，由于其是物理结构，在整个生命周期中都比较稳定，在不受外界应力干扰的情况下，失效率同样极低；只有一个器件是容易产生失效的，这个器件就是输出级的大容量储能电解电容，电解电容的失效率会随着工作时间增加而增加。在使用模拟电源产品的时候，系统的可靠性是由第一次设计来保证，但是在设计的时候是不会考虑到电容失效这种情况的，设计出来的电源产品只能在保证电路主要器件完好情况下的可靠性，就是说如果输出电容发生失效，或性状发生变化的时候是不能保证电源正常工作可靠性的，而电容是否发生故障或者会什么时候发生故障，这个是没有办法知道的，所以模拟电源的长期可靠性也无从监控或者追踪。但是通过这个实验，使用数字电源的自动补偿功能，首先我们能够在输出电容发生变化的时候，仍然保证系统的稳定性和可靠性。其次，当输出电容发生变化后，我们可以通过自动补偿功能检测到这个变化，从而预先防止电源的进一步恶化，在整个系统出现较大问题之前我们就可以知道并且更换掉即将失效的器件，从而可以有效的阻止整个系统的崩溃。

使用数字电源的系统，我们能够通过检测系统在长期使用过程中的自动补偿参数值的变化，进行统计学的对比，从中了解到系统中的某些元器件的老化程度，从而决定是否需要及时的进行系统维护和元器件更换。这即增强了系统的长期可靠性也为系统长期可靠性的评估提供了一个可行的办法，并且所有的这些工作都只需要通过远程访问系统中的数字电源就可以实现，从而可以有效的降低系统后期的维护费用和成本，有非常重要的实际意义。

综合上述得到的使用数字电源的优点，以及传统来说使用数字电源得到的外围分立元器件的减少和系统的更加智能化，数字电源应用的优势就显得异常突出了。业界还有什么理由来拒绝使用数字电源产品呢？