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数位电源设计的关键元件与精确度挑战
 

【作者: 籃貫銘、施莉芸】2018年12月17日 星期一

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是说,类比电源做得好好的,干嘛要换成数位的?就好比音响迷听真空管机,听得好好的,干嘛要换成晶片机,这其中一定有什麽误会。


但这里没有误会,很显然,是它没有「做得好好的」。因为人们希??装置可以越来越轻、越来越薄、功能越来越强大、可以控制的东西越来越多,所以我们开始需要运用数位电源的设计。


但有个观念必须先知道,就是这世上没有完全「纯数位」的电源系统架构,在一个装置系统内,一定都是类比与数位彼此搭配使用,取决於在电路应用上的搭配和整体系统的功能规划。但到了目前这个时代,数位电源方案的运用比例就开始越来越高,同时运用的范围也越来越广,渐渐成为了主流。


另一个重点,就是数位与类比各有优势,没有哪一个完全压倒哪一个,还是取决於装置应用的需求。比方,如果不计较成本、空间和电耗(但哪种事?),那类比为重的系统在精确度与控制功能上,可能完全不落下风;反过来,数位电源纵然看来可以上山下海,但其面对非线性的真实世界(频率取样),依然有很多的限制在。


所以,你不能忘记你是活在类比的世界,但更不能忽略数位的技术,同时还要热情的拥抱它。


数位电源基础运作模式

数位的世界是以2进位方式呈现,不过也常使用与2进位相容,且人们容易了解的16进位。2进位只使用数字0、1来表示数字,有时相对於0/1,会改使用L/H来标记。


以基础运作模式而言,类比讯号透过取样(Sampling)←量化(Quantization)←程式化(Coding)的一连串步骤,转换成数位讯号。其中又分为「快闪型」、「管线式」、「连续渐近式」以及「ΔΣ型」四种。


在基本运作模式中,又以快闪型转换速度最快,其取样频率可达1GHz以上,并且能够一囗气将类比讯号转换成数位讯号,因此不需取样保持(Sample-and-Hold;S&H);快闪型A/D转换器运作模式是先利用比较器(comparator),同时比较分压成2N-1个的叁考电压和类比讯号,再经由编码器,将比较结果转换成数位讯号。


而ΔΣ型A/D转换器解析度可达24位元,为四种基本运作模式之中最高;不过相对而言,在转换速度上取样频率仅200kHz,且反应较慢,因此不适合用在输入端接上多工器,需切换类比讯号的装置上。


数位电源设计的关键元件

要着手数位电源设计,除了先知道基本观念外,也要知道关键的元件与规范,如此才能更得心应手,以下就是几个重要的元件和规范:


类比-数位转换器:ADC

类比-数位转换器,Analog-to-Digital Converter,是一个无论如何你都会用到的元件。因为电源设计本质上就是类比电路设计,因此只要是电子装置就一定需要有可以把类比形式的连续讯号,转换为数位形式的设备。


目前,ADC的功能有独立提供的形式,也就是由单一颗元件来处理,但在强调多工整合的装置上,通常都会透过整合型晶片(例如,DSP、MCU)来解决,尤其在数位当道的时代。


不过单一元件的ADC通常性能卓越,对於有需要较高解析度与精确度的应用来说,例如:自动化设备、测试设备、电池动力设备,它是非要不可的元件。图1为ADI的AD4020,它是一款低杂讯,低功耗,高性能,具备20位元、1.8MSPS精密的SAR ADC。


至於,该如何选择最适合的ADC,除了需要考虑到精密度及位元外,由於每种架构在各种资料撷取系统中都有其优缺点,因此还需考虑不同的ADC架构,并根据系统所需的准确度或精密度来选择需要的位元数。


因此,在设计系统时,一定要选择较原先需求更多的位元数,转换器可达到的准确度一定会少於可用的总位元数,以应用需要10-bit准确度而言,就需挑选12-bit转换器。一般来说,如果输入讯号大小明显低於ADC的满刻度输入范围,就需要使用放大器。但是,选用较高解析度的ADC,就不需使用放大器。



图1 : ADI的AD4020是一款低杂讯,低功耗,高性能的SAR ADC。
图1 : ADI的AD4020是一款低杂讯,低功耗,高性能的SAR ADC。

直流-直流升降压转换器:DC/DC

在实际的电路设计中,鲜少会有一个电压用到底的情况,因此势必需要有对直流电压做转换的设备,这就是直流-直流转换器,DC-to-DC converter的功能。尤其是目前电子设备的功能复杂,??头搭载的元件也很多元,因此DC/DC的重要性又更显重要。


而在实际应用上,有些元件的电压很大,有些元件的电压很小,因此如何在这之间进行流畅的转换是需要一定的功力,当然,这更牵涉到DC/DC元件本身的应对范围和性能,如何达到最大的转换性能,一直是设计师的挑战。


就物理基础来看,DC/DC转换器是属於至少有二个半导体元件(一个二极体和一个电晶体),和至少一个储能元件(电感器)的开关电源。而为了降低电压涟波,经常会在输入端和输出端,多加一个电容器进行滤波。


图2为罗姆半导体(ROHM)的内建MOSFET的降压型DC/DC转换器「BD70522GUL」。它采用了罗姆独创的Nano Energy技术,是专门针对物联网设备所研发的超低功耗电源IC,拥有业界最广输出电流范围内(10μA~500mA),也能实现90%以上的功率转换效率。



图2 : 罗姆半导体内建MOSFET的降压型DC/DC转换器「BD70522GUL」,采用Nano Energy技术。
图2 : 罗姆半导体内建MOSFET的降压型DC/DC转换器「BD70522GUL」,采用Nano Energy技术。

微控制器与数位讯号处理器:MCU、DSP

具体来说,所谓的数位电源,其实是指在类比的电源设计基础上,利用数位讯号处理器(DSP)、微控制器(MCU),甚至可程式逻辑闸(FPGA)来进行可程式化的电源管理。


因此,单纯的数位控制电源,电源本身即为一个由DSP、MCU或FPGA等做自主控制的数位系统,从ADC、DC-DC及DAC等转换输出後,再进行像电压脉冲调变(Pulse Width Modulation;PWM)、功因叁数修正(Power Factor Correction;PFC)或其它更复杂的电压、电源输出的调整方式。


而在当前IC设计与半导体制造技术的带动下,单一个MCU已可以整合非常多的功能,同时也可提供非常优异的性能。因此,通常一个还不错的MCU就已经具备了非常高解析的ADC和DAC,而且也支援部分DSP的指令集,让装置的电路设计可以紧凑简洁。


图3为意法半导体的32位元微控制器「STM32H750xB」,该款微控制器除了搭载Arm Cortex-M7 400MHz的处理核心外,也内建128 KB Flash和1MB RAM,而且提供三个ADC和两个DAC,以及两个超低功耗比较器。



图3 : 意法半导体的32位元微控制器「STM32H750xB」,提供三个ADC和两个DAC,以及两个超低功耗比较器。
图3 : 意法半导体的32位元微控制器「STM32H750xB」,提供三个ADC和两个DAC,以及两个超低功耗比较器。

同样的道理,现在的DSP元件也已整合许多的功能,来让系统开发者可以有更灵活的设计弹性,而其中ADC几??已成标配。


图4为Microchip的dsPIC33CH双核心数位讯号控制器。这元件将两个dsPIC DSC核心整合到单一晶片内。控制器内含包括四个12位元、3.5-Msps ADC,以及最多12个250ps解析度的高速PWM通道。此外还具有整合式电源开启重置和降压重置,提供三种低功耗管理模式,提高能源效率。



图4 : Microchip的dsPIC33CH双核心数位讯号控制器,内含包括四个12位元、3.5-Msps ADC。
图4 : Microchip的dsPIC33CH双核心数位讯号控制器,内含包括四个12位元、3.5-Msps ADC。

电源管理汇流排:PMBus

对电子系统设计而言,通讯介面和I/O对应是非常重要的一环,电源系统设计当然也是,因此,才有了电源管理汇流排(Power Management Bus;PMBus)的问世。


由於数位电源的持续发展,产业界意识到需要一个标准的通讯语言。於是当年Artesyn Technology号招了多家电源供应器商和半导体制造商,更同制定了一套标准的电源管理通讯协定,并在2005年3月公布了名为「PMBus」的规范。


PMBus小组采用SMBus规格做为他们的资料传输方法,这项共通规格使Smart Battery Systems和PMBus成为共生关系,两个组织也决定共同组成系统管理界面论坛(System Management Interface Forum;SMIF)。PMBus则成为SMIF的一部份。


PMBus是一种开放标准的数位电源管理协定,它透过定义传输和物理界面,以及命令语言等,来解决与电源转换器和其他设备的通讯问题。此协定规范了两个部份:第一部分为一般性要求、传输和电气界面;第二部份则是命令语言。目前最新的版本是PMBus 1.3。



图5 : PMBus 1.3的Logo
图5 : PMBus 1.3的Logo

精确度有多重要?

数位电源的好处多多,其中一个优势就是能够准确的控制讯号,而这过程涉及许多的环节,要做到非常高效率,是需要下点功夫的,而且最关键的,通常是最起始的类比讯号的输入端。


首先,要将连续的类比讯号转化为离散的数位讯号的过程,称之为取样,而其质量将取决於解析度、测量的敏感度、准确度、精确度(或简称精度),以及杂讯大小等因素。


精确度(Precision)可以定义为仪器的稳定性,以及对同样的输入讯号一再产生同样测量结果的能力;而准确度(Accuracy)则是仪器正确指出受测讯号的值的能力,这个性质与解析度无关,但是它绝对无法高於仪器的解析度。


精确度和准确度都是工程量测中的重要概念,但两者有所不同。简言之,准确度是指测得之值与实际值的接近程度,而精确度则意指个别量测之间的相似度。


而套到电源设计上,以ADC为例,当ADC查觉到类比电压时,其工作便是在指定时间内将类比电压转换成二进位码。这表示,ADC会在一瞬间对类比电压进行取样,然後决定如何在ADC的输出端以二进位值表示。此元件每秒所取样的样本数会记录在文件中。


然而,当ADC的取样率不够高时,便会难以精确重现输入讯号而导致混叠,在此情况下,讯号之间会开始变得无法判别,或彼此混叠。为了避免这种情况,必须确保取样率比需要传输的最高频率高出至少两倍,这个比例称为奈奎斯特速率。


使用较高的取样率能让元件更加准确,但并非控制准确度的唯一方法。由於这类元件是将类比讯号转换成二进位码,离散步阶的数量有限,可用来表示某个时间点的电压,可用来表示这个数字的位元数,称之为解析度。因此,在选择A/D转换器产品时,可先视所应用之环境,选择适合之解析度、取样频率及介面等。


在DC/DC转换器上,则要留心「脉宽调变(Pulse-Width Modulation,PWM)」,PWM的主要目标,在於以数位方式进行类比讯号准位的编码,只要为对应至类比讯号准位的特定工作周期建立方形波,即可为这些讯号完成数位编码。


而要做好讯号数位编码,就需要透过高解析度计数器来完成。若能将电压或电流提供给上下波动的脉波波形负载,就能成功建立数位PWM讯号。建立完这些脉波後,DC电源供应器就会呈开启或关闭状态,并以此呈现数位讯号。


结语:视应用选出你的最隹方案

总体而言,在目前以轻薄为主流,又强调智慧多工的装置设计带动下,以数位电源为核心的系统与元件将会持续的发展下去,而其发展的趋势将会朝向更高的功能整合度前进,也就是单一晶片的概念。会由一颗高性能IC,可能是MCU、DSP或FGPA就解决了多数的需要,若要更多的变化与应用,则可扩增在DC/DC元件的采用,或者再放入另一颗辅助的MCU或者其他IC。然而,最终决定整体系统架构的轻重与方向,成本应该会是重要的叁考指标。


而就开发者的角度来看,当各项类比和数位电源转换与控制元件的技术日渐成熟後,其可采用的方案就将会更加的多元与灵活,因此电源系统设计的方向除了追求「精准」和「准确」外,也可依据产品实际的应用场景的需求,来顾及使用介面、设计简化、成本与功耗等,让装置有更多的可能性。


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