功率转换及管理的数字控制

本文将不会普遍地辩论有关数字技术应用于功率切换及管理方面的技术性问题，以顺应市场趋势及有所不同市场领域的市场需求。我们还会晤到这种技术相对于仿真掌控的应用于和挑战。

　　功率切换归属于功率系统(对系统环路)的运作，而功率管理则涵括操作者模式、低速/停机延后的实时追踪和边裕量以及针对并行操作和系统通信的锁相(交叠)功能。　　多年以来，仿真与数字的定义已显得有点模糊不清。

为了防止误解，本文中的仿真是指倒数星型的物理量，而数字是指线性变量，仅有因为数字技术的特性，我们可以存储数据、展开运算和有效地通信。　　直到现在，功率切换中电压和电流的实际处置，仍然都归属于仿真而非数字的领域，不过掌控上则可以是仿真或数字。由于有关掌控并非几乎数字化，所以必须在对系统环路中设置模数换转器。

那么数字技术能带给什么益处?　　技术　　数字技术在我们的日常生活中俯拾皆是。但只有在约4年前开始，这种技术才被全面应用于功率切换及管理的范畴。　　特点　　数字技术最引人注目的优点在于存储器方面的应用于，当中还包括3个基本级别的采访：尤其为包括了控制器内部校准数据及排序的寄存器而另设的厂级采访(不想用户自行采访);用来自由选择管理拓朴和掌控模式(电压、电流和混合式)并获取有所不同故障维护功能原作的控制器配备(用户可以通过密码来采访);以及监察和掌控(通过PMBus协议来权利采访)。完备的数据存储能力允许设计师把有关设计优化，甚至在有所不同项目上反覆用于。

　　数字技术在存储方面的强项派生另一种优点通信功能。通过I2C来构建的通信功能为控制器彰显校准和编程的能力，也可动态充分发挥有所不同功能，还包括掌控、监察、状态监控、远程辨识和临床。其他特点还包括在传输过程中作有所不同的强度调整，还包括分辨率(数字多少)、校准(模数转换、外置感应器)、输入电压/电流原作及维护容许(电压、电流、温度)。　　时间调整功能涵括频率切换、延后和振幅调整。

掌控/管理功能还包括操作者模式切换(低速/关机、脉冲串、脉冲跳跃行、脉冲频率调制、脉冲宽度调制、振幅数)、自检验和输入电压切换(边限)。时间调整和掌控的灵活性均有助增加电磁干扰，这种特性在仿真应用环境中几乎是可梦而不能即。

　　数字法术技优点的多寡，也许不会因为必须根据有所不同市场领域做出微调而有所不同，但在实行过程中都必须若干逻辑元素。　　逻辑的类型　　我们替某种应用于自由选择适合的逻辑时，灵活性、速度/比特率及成本容许都沦为了决定性因素。当中还包括数字软相连逻辑(状态机器)PID掌控及数字脉冲宽度调制(PWM);数字软相连逻辑PID掌控及数字PWM+非易失性存储器;混合式=仿真PWM+数字模块(一般称作数字PCB);单片机(mC);数字信号处理(DSP)和数字控制处置(DCP)，并且包括最佳DSP和mC的拆分。

　大多数的数字集成电路都包括了功率切换掌控及功率管理功能。当中的功率切换掌控(对系统环路)可以工作于倒数动态仿真及相似于动态(必须一些响应时间)的数字状态。其他功能不会根据事件来启动时、选曲程序和休眠状态(存储器)。软相连逻辑可用作大批量的较低功率应用于(200W)，它们一般工作于较高的频率(200kHz~2MHz)和相似仿真掌控速度成本也比较较为较低。

这样需要反映最牢固的结构，也不必须客户做出相当大程度的编程，甚至可以几乎省去(针脚编程，或通过I2C构建图像用户模块);而且又可以减缓产品面市的速度。重新加入NVM需要在集成电路设计中反映更高的灵活性，但不会减少检验和证实工作。

　　假如以一个仿真控制器，因应一个需要反对I2C通信、并有时用来反对VID掌控的数字模块，就可以构成混合式逻辑了。它不会与软连接结构共用完全相同的空间，但灵活性不会较为较低一点，成本也不会低一些。两者都主要用作直流-直流的领域。

mC、DSP和DCP均利用编码(汇编语言或C)来构建更高的灵活性和速度，但成本不会更高，也必须更长的时间才需要发售市场。不过，灵活性的减少使电路结构也不会显得更为简单，所以检验和证实程序的成本也不会更高。　　硅工艺　　实行这些逻辑类型时所做出的技术自由选择，一般都受到成本造就;而随着更加较低的亚微米技术(0.15/0.18mm)显得更加经济实惠，数字技术毫无疑问更加占优势，也因而减缓了仿真到数字技术的转型。到了某一个阶段，以更加低成本反映更加多功能将为沦为新的价值观，代替以完全相同成本反映更加多功能。

在0.25mm的范围内，仿真与数字结构的芯片成本早就完全相同，但随着0.18mm范围下的芯片成本上升，研发成本增加了一倍以上。(闻图1，来源ISSCC2007/SESSION1/PLENARY/1.1)　　在TSMC，0.15/0.18mm产品的生产量相比之下低于0.25mm产品(图1，来源ISSCC2007/SESSION1/PLENARY/1.1)。预期规模经济将不会更进一步增进有关的切换过程。　拆分与PCB　　拆分是所指把一个或多个集成电路中的功率切换部分的功能人组一起。

有关自由选择应当基于掌控环路的分层结构(维护、电流、电压、热能)、功率水平，以及在效率和空间之间做出权衡。在辩论直流-直流技术的时候，我们不会遇到一些像并存解决方案、构建控制器及驱动器、集成功率级等词汇，而IR的iPOWIR功能模块就是好例子。

　　并存解决方案是指享有1至6相的并存控制器集成电路，当中的驱动器及场效应管都是分离的。这项解决方案可以对外开放给替代供货来源，反映仅次于的灵活性及性能展现出，成本更加较低，但占到最少的电路板空间。模块制造商可以获取更为节省空间的并存解决方案模块，但必须壮烈牺牲其他来源的优点。

不过，插槽对插槽的兼容性还可以保有。　　构建控制器及驱动器是所指在同一个集成电路内另设1至3互为输入及涉及的驱动器(图4)。

它必须因应外置场效应管，又沒有替代供货来源，驱动能力也受限，但优点是比数而立解决方案节省消耗更加较少空间。另外，由于集成电路的风扇功能受限，所以不能设置3个驱动器，而且纳/溪边电流也只能夠保持于它们仅次于的水平。　　集成功率级是指同一个集成电路中单一振幅的驱动器及场效应管。

它比数而立解决方案闲置更加小的空间，因此合适用作500kHz以上空间受限的应用于。驱动器较为相似场效应管，所以需要在高频下高效率工作。

只要因应一个适合的控制器，它就可以用作一至多个振幅，但一般都没替代供货来源。有关集成电路一般来说都根据特定的输入电流范围和频率而做出优化，所以整个解决方案的成本往往低于并存解决方案。　　这种器件一般都归属于仅有构建的多芯片模块或MCM(把控制器、驱动器及场效应管全部装设于同一个集成电路中)。

虽然它闲置的电路板空间最多，但基于PCB的热能容许，只限于于较为较低的功率水平，而且一般都没替代供货来源。PCB的自由选择各不相同芯片面积、插槽数量和风扇必须。在大多数情况下，人们都会忽视了一个情况：原本把掌控功能和功率级构建，一般来说都会导致没能充份讲求功率级的现象，结果只需要在控制器的仅次于能用温度下操作者，或由于必须强制控制器在仅次于的功率级温度下操作者，而对零件的可靠性打折扣。

　　一个较低的上下热阻PCB较为合适所有结构的必须，但是零件价格较为低。当场效应管在更加较低的温度下操作者，导通状态电阻不会更加较低，只必须一个更加小巧的场效应管就需要已完成工作，或者需要提高效率、节省能源，更加败于使用较佳PCB和重新加入额外风扇设计必须代价的高昂成本。另一个优点是可靠性将大大提高。　　由于享有通信及插槽功能分配等额外功能，所以包括了数字控制器的系统解决方案必须较少的元件和控制器零件。

不论在功能人组或PCB自由选择方面，数字结构都比仿真结构优胜者。　　市场产于　　市场产于方面，消费市场占到50%以上，信息技术产业则降到45%以下，余下的5%归属于政府用户。其中消费市场中经常出现了大量商机。

尽管高端系统开始使用数字技术(闻图1)，但生产量和利润率偏高使市场无法保持。实质上，消费市场中需要有较为低的产量，依然是由仿真产品主导，不论是在功率切换或管理领域也是一样。要推展数字技术，必需在高端和低端市场双管齐下：高端市场侧重完备功能及超强卓性能，但以低成本为目标;低端市场以仿真技术主导的裸机为重点，但侧重更加较低的成本以招揽市场份额。

嘲讽的是，仅次于份额归属于功率及而不是控制器。因此市场预期，假如需要把两者合一，就可以交相辉映，同时提升产品的边际利润及营业额。

市场还预期大量的仿真元件不会被更加小量可配备的数字元件所代替。借着翻修(减/减半)来构建更加细致的结构，将可以带给更大的优势。　应用于　　市场上有多种不同级别的大批量功率转换器，按每瓦特成本由较低至低依序为：直流-直流非隔绝3~15W(蜂窝电话、PDA及手持式设备)、直流-直流非隔绝15~250W(阻抗点及VRD/VRM)嵌入式设备及模块、最低2000W的隔绝式交流-直流，以及隔绝式直流-直流机板张贴装式功率模块(仅有调整、半调整和直流-直流变压器)。

　　较低功率手持式设备主要使用仿真功率掌控及数字功率管理。　　数字功率掌控及管理技术最先是用作高档电脑及图像处理领域(VRM/VRD)，接续其后的是网络通信(数据通信及电信)及存储系统。阻抗点(PoL)、嵌入式设备或模块及隔绝式直流-直流模块是网络通信中选用的解决方案，而存储系统则同时使用VRDs/VRM及PoL。

这些应用于均使用数字软相连或混合式逻辑结构。有所不同类型的交流-直流系统使用C、DSP或DCP掌控及功率管理技术，也有更加多隔绝式直流-交流反相器和隔绝降压直流-直流转换器加以效仿。　　不论是哪种应用于，操作者模式的提高都有助提高较低阻抗环境的运作效率。

这还包括振幅的增加、脉冲跳跃行、更加较低栅驱动电压和更加较低的电源频率。至于在全阻抗的环境下，运作效率的提高则源自更加较低的导通状态电阻(更加完备的场效应管)和革命性的拓朴技术。　　要为数字结构创优电子货币，建构更大利润及提升生产量，企业必需打破莫尔定律。　　挑战　　外来挑战还包括市场惯性的改变，还包括工程师和硬件两方面。

硬件的挑战基于用户量大但缺少数字模块。另外，市场拆分使营销人员无法为产品彰显定义，并且拒绝所有人都使用新技术;而市场对新技术的排斥(例如基于低价钱及Z系列的专有通信总线)或因为惧怕IP诉讼而延后使用都带给挑战。与此同时，操作者不便的图像用户模块、不原始的操作者提示文件，都有可能减少客户及分销商的操作者培训时间。

另一方面，现有仿真技术的竞争非常白热化，各家厂商争相降价和发售新产品来争吃市场大饼，甚至生产种种的不安、不确认、猜测现象以更有用户。此外，购买量较少和较低利润往往对新的用户造成了障碍。　　内部挑战之多、严重性之低意味著不下于外来挑战。自学时间之宽、设计上的容许，再加检验和证实程序的资源市场需求，都拖慢了产品面市的时间，甚至使产品损失市场份额。

可配备数字控制器的设计检验程序理论上是无穷无限的，而检验和证实方法及工具不充足，也使问题更进一步好转。此外，仿真与数字工程资源更加必须相互协商和因应。　　最后，我们不应当忽视另一个根本性的挑战，那就是企业文化往往影响了使用新技术的态度和点子。我们的产品、资源、时间和市场不充足这种观念意味著不该再行沦为容许因素。

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