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数字电源控制在物联网云计算中的优势略

发布时间:2020-10-18 13:01:06 编辑:笔名
数字电源控制在物联网、云计算中的优势

电源通常是系统开发中进行的最后一项设计任务。设计讨论常常是这样开始:“好吧,我们来设计一个电源,它的输入电压是这么大,多个输出的电流是这么大,而且具有一个效力目标,以控制散热”。但是,现在的设计变得愈来愈复杂。电源设计工程师知道好的电源(特别是功率高达数百瓦的电源)必须平衡常常相互冲突的目标。这些目标包括输出灵活性、动态线路/负载性能、高负载和低负载效力、元件公差、散热问题和温度系数、监测和保护和电压或电流的动态变化。

除长时间致力于开发各种解决方案,以满足最新负载要求的电源专家之外,设计高性能电源的困难并未得到全面认识。这在为构成物联网(IoT)云计算和电信基础设施的服务器和存储网络设备设计电源的挑战中得到例证。一度被归于高性能CPU的性能要求,现在也延伸到中型乃至小型的负载中。

模拟控制拓扑的发展趋缓

为满足这些要求,设计工程师开发了许多创新的模拟控制回路和技术,例如恒定导通时间或滞后控制,以及典型的电压和电流模式方案等等。虽然这些设计具有很多特性,但它们都已没法满足用户的要求。在采取PWM控制器情况下,诸如误差放大器、比较器和斜坡发生器等功能块遭到其设计约束和变量的限制。它们遭到信号链中的时移和相移,和在为补偿网络选择元件时的噪声注入和大信号响应问题的影响(见图1)。

图1. 模拟PWM电源控制器

(英文 中文翻译:Analog PWM Controller 摹拟PWM控制器;Error Amp 误差放大器;Comp 比较器;Ramp Generator 斜坡发生器;Latch 锁存器;Driver 驱动器)

这些设计的性质(必须依照具体应用需求对电路进行调剂,确保对性能的让步降到最低)意味着信号控制器没法提供最新系统要求的灵活性。这类限制已导致摹拟控制器的性能和使用停滞不前。好在,数字电源控制(亦称“数字电源”)提供了一种更好的替换方案。

数字电源控制是什么?对一些人而言,它依然是一个摹拟控制回路,但有些参数可以通过数字接口进行调解。例如,可以通过PMBus接口发出命令来改变输出电压。但这类说法并没有提到数字控制以及数字电源能给市场带来甚么好处。

数字电源来救场

基于PWM DC/DC控制器的真正数字电源控制远不只是对内部模拟回路的管理。相反,实际闭环反馈路径完全是在数字域内实行的,出发点是反在数据的安全性和数据的时效性以及数据的准确性上具有先天优势。馈电压的模/数转换。一旦所有信息都在数字域内,就可以运用新的先进控制技术和数字信号处理。例如,根据负载的条件改变状态和算法,以便在不断变化的条件下也能实现优化的响应(见图2)。

图2. 数字电源控制器的实现

(英文 中文翻译:Digital-DC Controller 数字DC控制器;Power Management 电源管理;Serial Interface 串行接口;Multi level comp 多级比较器;Digital PID Filter 数字PID滤波器;Driver 驱动器)

数字控制的好处不只是先进的控制策略和实现的灵活性。算法能够适应变化,从而克服了之前在模拟电源中出现的局限性,例如由于温度上升、公差乃至老化而产生的元件变异。请注意,有些无源元件(如电感和电容)的初始公差可轻松到达±20%乃至更高,使用公差更小的元件会显著增加设计本钱。数字电源控制器不再需要捉襟见肘地平衡复杂设计中的众多无源和模拟元件,并为其表现不理想负责。借助先进的数字控制算法,回路稳定性挑战也不再是个问题。

数字方案帮助工程师成功

虽然数字控制可能对有些设计工程师来说是新鲜的,而且好得难以使人置信,实际情况其实很不一样,正如Intersil的ZL880x系列DC/DC步降控制器所证明的,该系列是创新的第4代混合信号电源转换电源管理IC系列。图3显示的是ZL8802双通道双相控制器,它集成了一个用于广泛电源应用的高性能步降转换器。它消除了为保证稳定性而进行回路补偿的需要,同时不会影响系统带宽。

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