利用数字电源进行设计,实现最佳系统性能

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  作者:Ramesh Balasubramaniam,国际整流器公司营销总监和Håkan Karlsson,国际整流器公司现场应用工程师

  如今要求电源能够处理高性能计算子系统复杂且多变的功率需求,而数字电源的出现恰好满足了这一点。其中包括面向各种应用的设备,例如互联网或电信交换机、企业服务器、数据中心设备和图形工作站。

  采用数字电源的应用一般由1个或多个高性能处理器、FPGA或ASIC与DDR存储器和多个I/O端口组成。子系统内的主要处理和存储元件可能需要多个VR(稳压器),其中一些可能需要专用数字接口,例如VID(电压识别器)、I2C或电源管理总线(数字电源技术)。

  设计电源时,芯片之间的相互作用与相互依存关系、排序问题和电源管理等因素的影响也必须考虑在内。此外,最新的纳米级IC工艺节点需要更低的工作电压和更高的精度,方可实现高准确度、高温度稳定性和快速瞬态响应。

  面临如此挑战,当负载电流在较宽的范围内持续、快速变化时,现有的模拟控制技术勉强可以维持连续、紧密调节功率。采用传统电源的设计者还必须应付面市时间压力,而这一般需要将更多的精力放在系统设计而非电源上。PCB面积的限制也会降低设计者优化电源布局以便将噪声敏感性降至最低水平的能力。

  数字电源控制器可以攻克这些挑战,实现的设计也比传统控制器的小。同时,它们还能够提供强大的功能,例如动态调整、自适应响应和自动补偿,有助于在各种工作条件下维持功率的稳定。此外,用于配置新一代器件的在线设计工具让设计者能够从用户电路板上的控制器那里收集实时性能与诊断信息。

  设计方法

  工程师利用电子数据表、工程计算软件(例如Mathcad),甚至纸和笔就可以设计出传统模拟调节器。另一方面,数字电源控制器的典型设计支持在单个GUI内整合了所有工具,这极大地缩短了设计周期,并且可以提高设计质量,例如通过绘制频率响应曲线来辅助稳定性分析和快速而准确地对比多个仿真曲线来简化优化步骤。

  GUI不仅用于设置参数和设计应用,而且还可以在它被应用到用户电路板上时实时监测控制器的状态。动态报告输入电压和电流、输出电压和电流与温度,包括个别相电流。还会报告故障状态,从而极大地加快了识别和调试速度。

  由于需要的通道和功能越来越多,所以设计者可以安装功率元件的PCB面积就越来越少,而利用传统电源拓扑实现最佳布局也就越来越难。另一方面,数字电源需要的元件较少,并且布局也不太重要,因为设计本身就具有高抗噪性。

  设计者还可以削减外部元件BOM(物料成本),并通过软件更新(而不是改变电路板上的元件)来修改设计参数。通过I2C或数字电源技术之类的连接执行更新,其可用于监测控制器状态。一般来说,会提供型号、修订编号和制造商标识等库存数据以方便回读。

  瞬态响应

  除了模拟功率调节器使用的公认线性控制技术以外,数字电源还允许使用非线性控制算法,从而提供了关键的性能优势。非线性控制可以优化很多影响瞬态响应各部分的参数(图1)。

  图1:通过数字电源GUI优化瞬态响应参数。

  设计者可以选择在稳态条件和小瞬态情况下采用标准线性电压模式控制,而在出现任何大瞬态事件时采用非线性ATA(自适应瞬态算法)。

  ATA是一项非线性闭环技术,利用被监测误差信号的幅度和斜率来预测电流阶跃,从而控制脉冲宽度和相位关系。电源在该模式下运行的时间通常不超过10µs,并且只有在发生大瞬态事件时才在该模式下运行。设计者可以通过用于器件配置与监测的GUI来控制ATA。设计者还可以利用图形工具轻松优化响应的各个部分。

  如图2所示,灰色波形表示只采用线性电压模式控制的数字电源控制器。在负载增加和减少的时候,可以看到明显的过冲和下冲尖峰。粉色波形说明了非线性控制如何在相同的负载相移条件下有效消除下冲和过冲尖峰。

  图2:非线性控制消除了负载突变时的电压过冲和下冲。

  优化效率

  数字电源控制让设计者能够在整个负载范围内——从节能待机模式到全功率模式——提高效率。其中的一部分是利用动态相位控制和数字式补偿增加或者减少相位以满足不断变化的系统需求来实现的。

  模拟多相稳压器通常提供2种效率模式:在全相操作模式下,电流最大时,效率较高;而在电流最小时,则利用单相操作模式来优化效率。然而,在中等电流水平下,效率并非最佳。数字控制器能够支持预设相位上升和相位下降点,用以保证给定输出电流水平下主动相位的数量最佳。例如,在四相调节器内,可以对下降点进行编程,以便根据负载电流实现1、2、3或4相操作(图3)。

  图3:利用预设负载阈值实现动态相数控制。

  实现动态控制的主要挑战在于增加相数。尽管控制器可以比较轻松地减少相数并且快速响应一般也不太重要,但是必须能够迅速增加相数来应付负载突增的状况。一个好的数字电源控制器必须能够极为快速地——纳秒级——增加相数,并且还必须按照正确的顺序和时序增加相数方可保证输出电压不会下冲到规定值以下。根据误差信号的斜率或者幅度来增加相数,从而实现接近即时响应的速度。

  重要的是记住负载振荡可能会导致控制器连续增加和减少相数。在发生负载振荡的情况下,最好让更多相保持运行状态方可将输出端的干扰降至最低水平。控制器可以利用带有预设限值(例如1.25 kHz和几安培的迟滞)的缺相滤波器实现这一操作,从而预防在发生快速瞬变事件时寄生相数下降和防止出现相数反弹。

  还要记住增加或减少相数会改变工作条件,从而改变控制环路的稳定性。数字控制器可以计算和保存各个工作条件下的所有不同补偿参数,然后适当加以应用来保证操作的稳定性。图4表明了五相控制器如何在相同的稳定性点(交越频率和相位裕量)下运行,而不受运行的相数的限制。

  图4:对电源稳定性影响最小的切相。

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