绿色混合数字计算电源管理

一、引言

图1所示的模拟电源解决方案是一种众所周知和经过实践检验的技术，功率电子工程师在时域中理解起来毫不费力。模拟PWM控制器包括一个误差放大器，用一些电阻和电容构成补偿网络。通过对电阻和电容值进行微调可实现最佳性能。模拟PWM控制器提供快速和准确控制，人们开发了许多先进的模拟控制方案来实现最佳性能，特别是在瞬态要求非常严格的微处理器核心电源应用中，其针对核心及外设电源应用的简单性、易用性和低成本是无可替代的。

 

 

图1，模拟电源框图。

最近，数字电源在计算机应用领域受到重视。图2侦测所示的数字电源解决方案通过数字化所侦测的电压和电流信息以及以数字形式(频域)重建补偿器和PWM比较器来仿真模拟控制环路模块。要想实现与模拟环路相似的性能，常常需要极高速(>100MHz)的数字算法处理器，这会导致较高的待机功耗，并可能需要非易失存储器(NVM)来存储具体设计配置信息，如反馈补偿参数。它还需要工程师在模拟和数字域中理解设计。由于其复杂性的缘故，普通电源设计人员无法完全理解数字PWM控制器，这迫使数字PWM厂商向用户提供所有支持和完成设计的大部分内容。因此，设计的稳健性和可靠性严重依赖于厂商支持。数字电源有模拟电源所不具有的一些优点，如轻松更新控制回路补偿参数而不修改硬件电路。另一方面，侦测适合计算机应用行业的解决方案仍然需要对热补偿和电流侦测网络在硬件电路层面进行微调，因此它们根本不是全数字式方案，而是一种混合式方案。

 

 

图2，数字电源框图。

对于需要用户接口和电源管理的系统，人们常常会引入串行总线，如PMBus。图3所示的混合数字电源解决方案在模拟控制环路和电源管理模块之间需要一个ADC(模/数转换器)和一个DAC(数/模转换器)，用于接口和通信。由于数字电源方案中一切采用数字形式的部分都包含在控制环路中，所以数字环路和电源管理模块之间不需要专用的ADC或DAC，如图4所示。但是，数字电源解决方案需要一个ADC来数字化侦测到的电压和电流模拟信号，以便进行数字控制处理，还需要一个DAC来将数字信息转换回模拟形式，用于控制功率级。该ADC和DAC都在数字控制环路内部;这有可能影响环路响应，除非使用非常高速和高位数(bit-count)的ADC/DAC，这会显著提高偏置功率。PMBus电源管理模块的工作频率通常为100kHz或400kHz，而对于非常快速的ADC和DAC转换，数字控制算法处理器的工作频率必须大于100MHz。因此，混合解决方案通常具有比数字解决方案低得多的偏置功率和更快速的环路响应。

本文将详细讨论全数字和混合数字电源方案，包括实现、系统性能、成本、制造和库存控制以及环境影响。

 

 

图4，全数字电源解决方案框图。

二、混合数字电源管理与全数字电源管理

(1)偏置功率需求

要想实现高精密的DAC精度(比如0.5%)和高PWM分辨率(比如100ps)，数字控制器需要极高速(>100MHz)处理器[2]来在数字域中仿真模拟控制环路。它通常使用低偏置电压，如1.8V、2.5V或3.3V，这有助于最小化偏置功率。但是，为计算机应用开发的两个多相数字PWM控制器会消耗超过100mA偏置电流，消耗的偏置功率是Intersil的混合数字多相PWM的的3~5倍。表1详细说明了这一点，以及对Intersil和另外两家数字PWM厂商针对英特尔VR12代多相控制器的其他相关比较信息。由于消耗的偏置功率较高，设计中使用该种数字控制器的稳压器具有轻负载时效率低的缺点，且无法满足能源之星要求，同时通常不用于笔记本电脑应用。由于未来产品要求更低的功耗和追求更绿色的环保，所以全数字控制似乎不是正确的道路。

此外，更低的偏置电压通常会限制共模范围，并可能在输出电压变高时使DCR电流侦测放大器饱和。它会导致各相间电流失衡，进而导致功率级过载。而且，数字控制器具有更低的PWM输出信号电平，并有可能引入相位转换时的噪声，可能会在空间紧张型设计中导致系统故障。

 

 

(2)可编程性和用户接口

市面上的多相数字PWM解决方案确实提供了对环路响应进行编程而不需要对硬件电路进行修改的优点，但仍然需要通过微小的电路修改对许多其他功能进行微调。全数字方案非常倾向于算法驱动方式，且因厂商的不同而异。通常，客户不会成为解决方案方面的专家，或者可能只有1~2名工程师完全理解该控制器。因此，数字解决方案的稳健性和可靠性严重依赖于厂商的支持。

混合数字方案提供了模拟控制环路来实现世界一流的瞬态性能，以及PMBus接口来实现可编程性和用户接口。控制环路可编程性可按需要来实现而不会产生全数字解决方案的高偏置电流缺点。精通模拟解决方案的电源工程师通常非常容易理解这一点，因而出错机会更小，更有可能在第一次就成功。

(3)环路和瞬态响应

由于DAC和ADC转换延迟，数字控制器的环路带宽通常限于不超过100kHz范围，而模拟和混合数字控制器可以超过100kHz，如图5所示。图6显示慢速环路的响应速度将会更慢并产生更高的过冲和下冲。模拟环路对负载和输入瞬态的响应快很多，最小化了输入和输出干扰，导致更小的输入和输出滤波器尺寸。尽管非线性技术通常用于加快数字控制器的响应速度，但它会在宽负载范围上造成不一致的响应，如图7所示，其原因在于离散阈值的触发。此外，非线性控制会导致不均匀的脉冲分布和低劣的电流均衡能力，如图9所示。与用于数字控制器的非线性控制方案相比，Intersil的混合数字控制器ISL6367/67H [9,10]使用的线性控制可产生平滑的负载阶跃响应和均匀分布的相位脉冲，如图8和图10分别所示。[!--empirenews.page--]

 

 

图6，慢速环路与快速环路瞬态响应。

 

 

图8，采用Intersil的线性控制的瞬变。

 

 

图10，线性控制1MHz瞬变的相位转换顺序。

(4)DC性能

与模拟解决方案的无限分辨率相比，全数字解决方案常常具有由于ADC分辨率和PWM分辨率而产生的量子化误差。另外，电源状态的纹波变化也会影响稳压精度，如图11所示。混合方案保持了模拟方案的高精度。

数字控制器常常声称在环境条件、老化和元件变化下具有更小的Vout漂移。对数字控制环路补偿部分(没有外置R和C)是真的，但包括输出滤波器(电感和电容)在内的功率系的特征仍然会随着环境温度、老化和元件变化而变化。校准可以改进精度，特别是在电流侦测中，但它会增加成本(参见E部分)。除非在每次上电时进行校准并对控制环路进行重新配置，否则数字解决方案将仍然会有易受环境变化影响的缺点。此外，低DCR(0.15mOhm或更小)电感将会继续增多这样的影响，在全数字控制器的情况下这将要求更高分辨率的ADC，亦即更高的偏置电流。

数字解决方案的DC精度受PWM分辨率的影响[2];例如，200ps PWM分辨率会对1MHz 开关频率下的12V输入产生2.4mV误差。

 

 

图11，来自VID加载的输出失调(10A)

(5)校准

全数字解决方案常常宣扬其校准功能，因为它们常常需要进行校准来实现与混合方案相同的精度。校准是复杂和非免费的，常常需要外置MOSFET和精密侦测电阻，如同厂商B的解决方案一样。这些附加元件通常价值超过0.20美元，同时还会增加用电量。

(6)相倍增器兼容性和上电顺序

相数倍增器常常用于高相数和超频应用[3]。通道之间的电流均衡对设计稳健和可靠的系统极其重要。市面上实现通道电流均衡的相数倍增器仅为5V PWM输入逻辑[11,12]，且不兼容3.3V数字控制器。数字控制器一直使用没有电流均衡功能的相数倍增器，这会产生长期可靠性较差和可能造成系统发热事件。Intersil相数倍增器集成电路的卓越相间电流均衡请参见图12。

 

 

图12，Intersil相倍增器在负载瞬变期间的通道电流均衡

在服务器领域，可产生最佳效率的典型驱动器电压为5V，这是不同于数字控制器的偏置电压的，它使上电顺序和保护复杂化;出现了三种可能情景：

1) 驱动器首先上电。 驱动器检测到PWM低并接通低端MOSFET来给输出放电;系统将不允许预充电启动。

2) 数字控制器首先上电。驱动器检测到PWM高或者在驱动器电压变慢时检测到一个全占空比PWM信号;系统将失去软启动并导致高端MOSFET的过应力。

3) 驱动器和控制器由同一个启用信号控制。在断电期间由于高端MOSFET短路，CPU将不会受到保护，因为驱动器已被禁用。

(7)系统保护

数字控制器需要数字化电压和电流信息，然后再将其转换回模拟信息，这一切全都在控制环路内部进行。这通常导致比模拟环路更慢的响应，如图5所示。另外，由于控制环路中的ADC和DAC，数字控制器将对需要立即予以响应的故障(如输出短路、高端MOSFET短路或输出过电压)产生较差的保护。如表1所示，市面上的数字解决方案只对输出提供一个侦测点。当反馈路径由于元件性能降低、灰尘或潮湿而形成分割器时，输出电压将上升而不触发过压保护(OVP)，因为没有第二个点来监测输出电压。这会轻易导致单点故障和对CPU的潜在损害。另外，它们使用的是估计方法来检测输入电流。这种方法速度慢且不能提供真正的灾难性故障保护(CFP)输出来指示消除输入源，以免发生发热事件[9,10]。相反，Intersil的混合方案有两个输出侦测点(VSEN和FB)来避免单点故障，以及真正的输入电流侦测来监测CFP，这可以对CPU提供出色的保护。

(8)制造和库存控制

全数字控制器需要非易失存储器(NVM)来存储配置信息，这些配置通常在出厂前已经编程。如果该器件用于不同的平台，其将需要不同的配置文件和库存批次。计算机市场非常活跃，需求会突然发生变化。一旦一种平台失去了市场，该平台的特定零件就不能复用于其他平台。带有不同配置的相同控制器可用于不同的平台，但常常会给售后服务制造困难，例如故障分析。数字解决方案使库存控制复杂化并增加了总成本。而混合数字控制器就没有这些问题;单个零件可用于或复用于不同平台，从而帮助简化制造控制和降低总成本。

(9)外置元件和PCB真实状态

数字电源解决方案使用集成度很高且昂贵的控制器，这些控制器常常使用很少的外置元件以及比模拟解决方案更少的PCB空间。但是，可用于计算机技术领域的核心和内存应用的数字控制器必须高速和经济，且常常并未集成所有功能。如表2(混合数字和全数字计算解决方案的外置元件比较)所示，数字解决方案消除了补偿网络，而许多其他功能仍然需要外置元件。例如，市面上的数字解决方案额外需要两个去偶电容(用于抑制噪声)以及不多几个L/DCR匹配元件。厂商A甚至需要4个NTC网络，用于热补偿和监测，并对完整的6+1解决方案需要更大的封装。数字解决方案可能在控制器周围需要更少的元件，但常常在功率系部分周围需要更多的元件，包括驱动器去耦、DCR侦测网络以及输入和输出滤波器，从而误导用户。[!--empirenews.page--]

 

 

表2，计算机技术领域的混合数字与全数字6+1解决方案的外置元件

三、Intersil绿色混合数字电源

(1)线性控制——EAPP

Intersil独有的增强型主动脉冲定位(EAPP)调制方案是一种线性双边控制拓扑结构。在稳态工作期间它是固定频率控制，但在瞬态事件期间则是变频控制。它可以增加负载施加期间的开关频率和降低负载释放期间的频率。在直流和交流工作条件下，它还在所有相位之间保持均匀的脉冲分布。如图10和图13所示，相位转换顺序在负载瞬态频率变化期间保持相同：1-2-3-4 ---- 1-2-3-4，中间没有任何东西。如图9所示，在特定负载瞬态频率下非线性控制会产生随机分布的脉冲。这种新颖的EAPP控制方案显著改进了电流均衡和减小了高频瞬态事件期间的差频振荡，如图14和图15所示。

电流模式控制常常在占空比高于50%时出现次谐波振荡[7]，而数字控制也会出现周期极限振荡[8]。可以向环路引入人为斜坡补偿来最小化这些效应，但其将会减慢环路速度和减弱瞬态响应。Intersil的EAPP是一种双边电压模式调制器，不会出现这些不稳定问题，从而产生具有优异模拟性能的更稳健、可靠的系统。

 

 

图14，线性控制350kHz瞬变的电流均衡。

 

 

图15，线性控制50kHz瞬变的电流均衡。

(2)DC性能

模拟控制环路可使电压和电流侦测放大器尽可能保持精确而无需任何不必要的校准。图16显示6相系统具有良好均衡的相电流，而图17显示不同电路板的非常紧的降低公差。

 

 

图17，6个电路板的下降控制精度。

(3)AUTO 模式的高效率

Intersil的相应AUTO模式有助于改进低负载区的VR效率。如图18所示，自动相数控制(APN)使VR能够在整个负载上在最佳效率下工作[1]。

 

 

图18，不同相数的效率和ISL6367/67H评估板的APN。

(4)AUTO模式中的APA控制

CPU能够在任何时刻毫无延迟地施加高di/dt负载，因此多相VR必须为重负载施加做好准备。使用APN控制不能对VR对这些负载瞬态事件的性能产生不良影响。Intersil的混合数字方案利用一个能够快速添加相位的快速环路来支持负载阶跃瞬态事件。

传统的相数增加和减少控制将会监测总输出电流，这是通过输出电感电流来侦测的。当发生负载阶跃时，电感电流会缓慢增加，所以相位是逐一缓慢增加的，从而导致大电压暂降，如图19所示。因此，工作相位可能试图占用满施加的负载电流，并可能潜在地超载，直至增加更多相位。为保持在正常全相运行模式的相等瞬态响应，APA控制帮助所有降低相位在大阶跃瞬变时立即重新开始工作，从而导致非常小的电压暂降，如图20所示。输出电压响应是快速的，因为所有相位都被开启来支持负载。

 

 

图20，带有APA控制的负载瞬态性能。

(5)最低能量浪费

对于具有一个稳压器和使用厂商A和厂商B数字控制器的两个内存稳压器的系统(如表1所示)来说 ，100万个主板在五年间会产生大于 500亿瓦时的待机功耗浪费(如图21所示)。Intersil的笔记本和混合数字解决方案会产生的能量要低得多，且在未来有可能进一步减少。另外，Intersil的混合数字方案还有AUTO模式，可在轻负载条件期间更精确地节省更多电力。

 

 

图21，控制器的待机能量浪费比较。

四、结束语

本文考察了全数字电源解决方案在计算机技术领域的局限性和一些优势。同时对混合数字方案与全数字电源方案进行了对比。混合数字方案提供了模拟控制环路来实现世界一流的瞬态性能，以及数字电源管理功能来实现灵活的可编程性和易于使用的接口，该方案可靠、经济、节能且易于使用，是一种环保型拓扑结构并符合能源之星要求。