非智能與智能：何時為電源增加智能功能才有意義

Microchip Technology Inc.

模擬電源與接口產品部

資深產品營銷工程師

Fionn Sheerin

電源轉換應用無處不在。小到使用升壓轉換器調節紐扣電池（電量逐漸減小）電壓的便攜式設備，大到進行大量冗余AC-DC轉換的蜂窩基站：一切都需要電力。業界對數字電源的討論有很多；例如，將電源轉換移至軟件，最終用相應軟件替代我們所有的電源硬件。現實情況要復雜得多，動態性也要差得多。大多數電源轉換是（并將始終）在專用硬件中實現的。不過，隨著數字信號處理器（DSP）和數字配置控制器的功能越來越強大，對于精明的設計人員而言，可供其使用的選項和電源轉換功能也越來越多，更何況設計人員都不懼在固件編譯器方面挑戰一番。最大的問題是時機；何時在設計過程中增加固件是值得的，何時使用傳統的模擬電源轉換更好？答案與其所涵蓋的電源轉換一樣，是不固定的。目前推動數字電源轉換投資的主要因素有四個：報告、可靠性、動態負載管理和總擁有成本。

數據報告功能是數字化電源的主要優勢之一。在許多系統中，了解處理器負載電流、電池電壓或功率大小是有利的。這些信息可用于節制風扇速度、管理系統冷卻或向用戶報告狀態。在生成或獲取應用程序時，該功能可以向中央系統報告本地發電情況，或在耗電情況下報告所需電能——這兩種情況均可使總體系統更為高效。今天，幾乎所有的備用電池或電池電源都使用某種形式的電量計量。在高性能計算應用中，用戶可能希望看到系統電壓恰好能夠使微處理器超頻，或者數據中心可能只是想要監測其（實質）電源預算花費在哪些方面。準確的電壓報告比較常見，但準確的電流或準確的功率報告則比較困難。后兩者均需要良好的測量電路，通常圍繞系統中某處的模數轉換器構建。此外，無論是采用I2C(TM)、SMBus(TM)、PMBus(TM)、智能電池、SPI還是任何其他方法（標準或專有），都需要報告測量數據。這種測量和報告需要數字電路，但實際上并不需要數字化的控制回路，因此可單獨實現，即使用監控電路（可能使用PIC12F18xx系列單片機）來監控模擬電壓轉換器。電壓轉換也可以在PIC? MCU的獨立于內核的外設（CIP）中完成，或者使用內置MCU（例如MCP19xxx系列器件）的單片式模擬控制來完成。這些方法均可以實現數字報告，而且不需要數字控制回路，這通常可加快系統設計。有了此類系統，為進行報告而添加一定級別的數字電路就變得很容易，并且可以圍繞模擬電源構建。

圖1：模擬電源的數字管理實現該方法比真正的數字控制回路更容易實現，同時還具備數字電源的眾多優勢。使用現代控制器時，您會發現這些模塊集成在一個IC（例如MCP19119）中。

報告可提高系統的可靠性。硬件現在可以監視異常行為，并進行通告，可在導致硬件故障之前檢測到問題。這樣一來，便可延長數據中心等高可靠性系統的正常運行時間。此外，還可使用數字控制回路進一步提高可靠性。模擬控制回路的補償取決于隨時間發生偏移的無源模擬組件。數字計算始終是相同的。不過，更大的優勢在于能夠處理故障和錯誤。與純模擬控制電路相比，智能固件能夠采取更多措施來減輕或標記有問題的情況。更重要的是，它可以響應這些錯誤。這可能意味著切換到冗余電源，或通知系統操作員設備需要修理。在系統層面上，這可以顯著提高可靠性。

使用數字通信接口時，應用程序還能夠接收數字命令。這可以實現更精細的負載管理。自適應電壓調整、電壓裕度調整，甚至僅僅是復雜的負載都需要具備對電源操作進行動態調整的能力。這些可以通過PMBus?標準或智能電池協議等標準化命令來實現；也可以通過I2C或SPI接口的專有命令實現。也可以根據環境溫度、輸入電壓或負載功率變化等環境測量值進行操作更改——無需任何外部通信。如果純模擬電源檢測到掉電并鎖定處理器電源，則數字控制器可能會降低輸出電壓，向處理器發出減慢速度的信號，然后減速處理，直到輸入恢復（緩慢的響應優于無響應）。系統也可以實時調整工作頻率，提高各負載條件下的效率，同時仍保持固定頻率操作的優勢。與數據報告類似，這些都是數字電路的典型應用，但是（取決于所需的確切性能變化）它們并不總是需要數字電源控制。例如，Microchip的MIC24045模擬電源控制器可以使用I2C接口進行管理。除此之外，該器件可以動態調整輸出電壓或電流限值以適應不斷變化的要求。

最終決定通常取決于能否能降低總擁有成本。如果因數字電源所帶來的優勢降低的總擁有成本高于所增加的系統成本（就開發時間和硬件而言），則數字電源明顯勝出。隨著數字控制變得越來越普遍，更優異的設計工具使得數字控制設計變得越來越容易，數字控制變得越來越便宜和輕松。Microchip的軟件支持套件包括用于配置MCU的Microchip代碼配置器的圖形界面，以及用于生成代碼以仿真可輕松實現閉環的極點-零點放置的數字電源控制工具。這減少了創建數字電源控制所需的投資，數字解決方案在越來越多的應用中起到關鍵作用。與此同時，隨著數字信號處理器速度的提高，瞬態響應和操作變化也越來越快。通過不斷調整電源操作以適應當前的負載條件和溫度，數字電源可以在各種負載條件下保持較高的平均效率。這種效率優勢直接轉化為發電應用（例如太陽能逆變器）的利潤，也可以降低耗電應用（例如數據中心或基站）的開銷成本。

圖2：模擬和數字控制回路實現對比（框圖層面）。如果電源滿足應用需求，用戶始終不會了解其中的差別。

無論控制回路是模擬的還是數字的，只要其正常工作，用戶便不會了解其中的差別。如果應用優勢不存在，則使用數字控制回路或數字化控制器可能是沒有意義的。在這些情況下，有許多模擬電源解決方案可以滿足電路更小巧、更易于實現的應用要求。電源模塊（包含硅控制器、功率MOSFET和磁性元件的集成封裝）正在提供振奮人心的集成選項，幾乎完全省去了電源設計工作。例如，MIC45404模塊只需使用兩個外部電容即可執行12V至3.3V的轉換，輸出電流高達5A。與數字電源解決方案相比，這是一種非常精確的電源轉換，而所需的惟一設計工作是電路板布線。在許多應用中，這種簡單的方法將有助于產品更快上市，同時還能提供有效的DC-DC轉換。

能力越大，責任越大。與先前的模擬產品相比，數字控制回路，帶數字接口的混合PWM控制器或基于CIP的單片機解決方案均可以實現更多的配置。這為設計提供了更大的靈活性，但是它要求系統設計人員花時間編寫固件來配置相應的附加參數。在許多情況下，結果是值得的——但模擬控制將始終是電源轉換的主要方案。

注：Microchip名稱和徽標組合、Microchip徽標及PIC均為Microchip Technology美國及其他國家或地區的注冊商標。在此提及的所有其他商標均為各持有公司所有。