數字電源與模擬電源的比較與選擇

一種新技術的引入通常要一個過渡過程，在這個過程中，用戶不斷地檢驗新技術中實際可行的因素和不切實際內容。本文旨在澄清模擬與數字電源管理之間的不同。從多方面考察兩種技術差異及其對系統性能的影響。表1、表2分別列出了各自的優、缺點。

從用戶的角度看，很難確定哪一種方式更好。不斷提高的系統復雜度為考慮使用數字電源管理辦法的用戶鋪平了道路，雖然有些設想在不久往日還看起來難以逾越。但是，數字電源產品的使用案例及其相關的一些傳說聲明，人們在某種程度上為數字系統所能解決的問題蒙上了一層不切實際的光環。隨著這項技術步入其自然的發展軌道，應當平息其所伴隨的深奧色彩以及不切實際的宣傳。用戶隨后所面對的問題是：那一種辦法最好?

總的來說，電源管理沒有純粹的數字或模擬辦法。以模擬控制架構為例，其內部脈寬調制電路即蘊含了數字電路，例如：時鐘、門電路等(如BobMammano設計的SG1524)。三十年后，數字脈寬調制(pWM)成電路同樣也蘊含了分明的模擬電路，如：ADC、基準源、放大器等。因此，正確的辦法選擇取決于電路功能的合理劃分，而正確的劃分又與當前可以利用的技術和系統需求有關。因此，當前的劃分標準可能不同于未來的標準。

目前，為了滿足系統誤差的要求，一個理想的系統應能供應較高精度，要求電源具有更小的體積，而且滿足高速通信、高速解決系統中微解決器或ASIC對電源容限的苛刻要求。基準精度一般為1%，而最新的解決器、ASIC電源要求誤差不超過幾毫伏。工作在低壓狀態時，要求優于1%的精度，而且在高溫情況下也非得滿足這一精度要求，目前大多數系統的工作溫度范圍為0℃～85℃。

由于多解決器核或小尺寸解決器對應的I/O口關于不正確的壓差所引起的閉鎖現象非常敏感，電源的跟蹤與上電順序也非常關鍵。復雜的電路板要多電源供電，因此對上電順序和跟蹤的要求也更加嚴格。這些功能利用模擬技術很難實現，而數字技術則可處理這一復雜問題，供應精確、簡單的辦法。

表1

表2

高端系統要求近乎為零的故障時間，因此，關于冗余系統的監控也十分緊要，以確保系統可靠工作。這就要知道出現電源故障的原由和過程，在出現問題時采取迅速的處理措施。用模擬技術構建監控電路要很多分離元件或專用電路。有些系統由于受體積、價格及復雜度的限制，不得不簡化了監控環節，導致較低的系統可靠性。關于數字系統來說，供應這種系統檢控幾乎不要新增系統成本。在數字系統中，用于數字引擎操作的信息采用數字格式，可以很容易地新增通信容量。

為了快速占領市場、支持產品的需求，設計人員經常在很倉促情況下開發ASIC，甚至沒有經過完整的評估就投入使用。從而使產品在投放市場的過程中處于兩難境地，一方面可能要昂貴的招回成本，修改工作電壓、監控電路及上電順序控制;另一方面可能忽視系統的可靠性，為系統的后續使用埋下隱患。這兩種情況都違背了零失效時間的系統要求，這時，比較明智的選擇可能是數字辦法，對系統進行現場編程，對用戶來說實現方便、透亮的系統升級。

基本數字解決功能，基于MAX8688數字控制/監測IC

可控制、監測4路電源的系統

辦法的折中考慮

從目前的系統及不斷涌現的需求看，利用模擬辦法處理所有問題顯然不能滿足發展的需求。目前，很多用戶在考慮數字辦法時，比較關心的一個問題是閉環問題。關于大多數工程師來說，數字電源意味著一個能夠進行數據通信、讀寫信息、更改設置、無需改變硬件進行升級的系統，在數字域完成這些操作無需閉環反饋。

關于選擇數字電源還是模擬電源這個問題，其原則應當是適宜就好。如上所述，數字或模擬辦法都不能保證所用功能的最優化。每種辦法都有其固有的優勢和缺點，正確的系統分解有助于為詳盡的使用供應最合理的處理辦法。

表3：模擬與數字電路分解

上表中的脈寬調制電路(pWM)可能最好保留模擬架構，它緊要由基準、誤差放大器、比較器和電壓斜波電路組成，有些辦法還包括滯回電路。任何情況下，保留這些基本的模擬電路單元都是比較理想的選擇，它占用更小的硅片面積，也更便宜。pWM控制IC包括許多其它單元(電壓調節、MOSFET驅動、遠端測試放大器、欠壓鎖存電路及過壓、過流保護電路)，但大部分電路不受pWM電路形式(模擬或數字)的影響。

對保護電路的需求沒有改變，但要求電路在發生故障時做出快速應和，一般要求在幾個ns以內。采用最快的并行比較型ADC結構，可以提高數據量化的速度，但更多的應和時間由判決引擎(解決器或狀態機)決定。考慮到驅動鏈路固有的傳輸延時，所出現的總延時是難以接受的。因此，過流、過壓保護功能要放在模擬電路側。

關于電流的測量，通常要一個低失調、高線性度、高共模抑制比的差分放大器。這些要求不受量化數據的影響，只能通過高性能模擬電路才能滿足這一嚴格的要求。實際設計中，無論是不是量化數據，電流和溫度的監測需采用模擬辦法。

不管采用數字辦法還是模擬辦法，基準源都是必需的。在數字系統中，它為ADC供應參考電壓，從某種程度上講這也更傾向于模擬設計。ADC為數字輸出，但決定其精度與線性指標的是模擬電路。為此，我們把基準和ADC都放在了表3的左側。

顯然，通信電路屬于數字部分，非易失存儲器用于存儲電源設置。不管是解決器還是狀態機，都是數字辦法的控制核心。DAC蘊含大部分模擬電路，但是，考慮到數字電路在DAC中的緊要地位，我們將其置于表格右側。

另外一項有價值的數字技術是低速控制回路，可以進一步提高系統模擬輸出的精度。該任務不可能由模擬電路實現，而是依賴高性能ADC精確、復雜的校準過程來實現，由此我們可以看到一個真正的混合信號解決架構，是精密的模擬電路與靈活的數字電路的有機結合。這種機制中所要的ADC與數字pWM中的ADC不同。pWMADC要求擁有高辨別率和速率，而ADC不可能在同時擁有高速、高精度的同時保持低成本。總的來說，pWMADC非得采用閃電式ADC供應必要的速率，而這種ADC拓撲在辨別率超過8位時就不太實用了，8位ADC與12位ADC相比精度降低了約莫16倍，因此，比較可行的辦法是選擇12位SARADC，能夠以較低的成本供應高精度和合理的轉換速率。

經過數字轉換后，用戶可以方便地設定多個門限測試過壓、欠壓、過流、高溫等故障。為了在測試到上述故障時做出快速的應和，有必要選擇模擬電路，但非常精確的門限測試則需通過數字化實現。數字電路可以為上述測試設定多種門限，并可以用不同辦法實現。例如，告警和故障門限可以簡單地用標志位實現，也可以控制封閉輸出。

為大部分現有的模擬pWM架構新增數字功能的一種辦法是結合專用IC，例如Maxim的MAX8688。該IC配合模擬pWM電路，可以實現一系列數字功能。這種辦法有兩個優點：一是所選擇的電源管理器件依然可以作為主電源輸出;二是所有用于監控、跟蹤、裕量設置、基準設置的分立電路可以針對一個電源進行設置，結合一些附加的邏輯電路，我們的器件供應44TQFN封裝。

利用檢流電阻、電感或電路板引線的直流電阻可以測試不同的輸出電壓、電流，從而監視電源輸出。通過比較REFIN和反饋信號，筆直控制pWM操作和輸出電壓設置。借助用戶可編程寄存器智能模塊，可以實現軟啟動、啟動延時、封閉延時、軟封閉、擺率控制等功能，同時也可以實現過壓、欠壓、過流、高溫保護。

作為輸出監控的附屬產品，裕量與電流分配等簡單功能不新增系統的任何成本。這樣，在考慮整個系統成本的情況下，MAX8688供應了一種簡單而又精準的數字電源管理辦法

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