Exar创新数字电源解决方案

大家好，今天我这边主要是代表EXAR半导体公司关于数字电源这一块的方案情况跟大家做一个交流。我这边主要是负责南中国区的技术支持。大家开完会有什么问题可以发邮件跟我们交流。
我们今天的话题主要跟大家介绍一个电源的概念，今天的讲座对大家来说，可能会有一点关注，随着半导体和物联网整个电子产业的发展，整个技术越来越灵活。最 原始的电源功能是实现功率转换，慢慢的也变成电源需要一个管理，需要知道电源是什么状态。系统对电源的要求已经不单单是简单的实现电压的转换，包括能量的 展缓，需要同时具备这三种功能，这是未来的系统。随着技术水平提高以后，电源也在发展。
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这张图简单介绍一下目前系统对电源整个工业要求，包括精度的要求，是越来越严格了。这个是上电和掉电的时序。每组电压都有严格要求，随着电子系统越来越精 密，电源本身供电配合度也越来越严格。所以这就对我们原来传统电源提出一定的挑战，怎么样实现每一路的电压按照系统IC的要求来准时的给它供电，而且按照 它的系统要求来准时给它掉电，现在系统上有这方面的要求。所以对传统模拟电源来讲，可能会采用更多的元件来实现这样一个方案，当然如果通过数字电源来讲， 整个产品就会变得很简单，实现也比较简单。把一个复杂的东西变得很简单，给大家设计带来很简化的过程，这就是数字电源的优势。我们数字电源的设计能带来什 么呢？我们1个芯片可以代替11个IC，包括上电时序、功率转换。要实现那些功能可能需要外围加很多元器件实现。现在公司的POWER-XR产品就把这些 功能集成在一个单芯片里面。因为我们的方案只要一个IC，可靠性相对来说比外围采用十几个元件来实现更好。因为我们元件本身比较少，可以随时进行监控整个 工作过程，能够实时调整，因此整个工作范围内，可能有更高的稳定的精度。我们的目的是给大家做一个简化设计，我们提供一个开关软件给大家，作为一个开关环 境，大家只要做一个简单的了解，就可以很好的对开关做一个设计。第三个，就它本身有一个通信口。
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可以看到，简单来讲的话，你只要一个电源进来，就可以实现你的转换，不需要外面加一些电池，这个芯片就可以供电。每个通道都是独立的，而且有三个到四个通 道的输出。3.3V或5V的选择，待机或者给小的CPU做供电的处理，开关也可以选择的。可以通过软件来做一个设定。我们的芯片集是不需要编程的，是通过 简单的状态改变来实现运算的。我们大概会有200个集成器来设定，实现所需要的功能。除了功率转换以外个，我们还有可以报错、简单的输入输出控制、状态输 出信号的指示。通过接口对输出电源做一个编程。整个上电时续和下电时序都可以做一个控制。这是这个芯片能给大家的这么多的功能。这么多功能只是一个6毫米 ×6毫米的芯片。更具体一点来讲，现代的数字系统对电源来说，需要实现数字功率的控制，需要管理，需要通讯，基本上这个芯片就是这样一个三个功能的组合 体。第一个是实现能量的转换，可以把一个电源转换成需要的电压，实现输出的平衡。第二，对电压模块做一些，包括它的过压、欠压、过流各方面的管理，它整个 的宽度，非常简单的一个东西。刚才给大家介绍的就是我们这个数字电源为什么要出现，出现的意义在哪里，实现什么功能，简单给大家做一个交代。
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接下来会涉及到一些对大家比较有意义的东西了，在座的都是工程师，可能对这个比较感兴趣。其实像我们整个拓扑的话，简单来讲就是这样一个概念，逃脱不了电 源的宿命，它主要的核心位置是在这一块，怎样实现它的能量转换，怎样实现你能提供精度很高的电压，整个顶芽时序，整个反馈稳定性，怎样让这一块稳定的工 作，它的核心就是在这一块。所以可以看到，接下来我们会一步一步对电源的结构跟大家做一个分享。这么多的功能，我们最终给工程师的或者给开发者的，我们只 是简单的给大家200个寄存器，大家可以通过很简单的敲敲键盘，就可以实现电压控制、补偿。可以通过寄存器配置，实现整个稳定性的设计、软启动、启动延 时，这些都是非常重要的评估一个电源性能好坏的参数，可以简单的实现配置。所以可以看出，数字电源跟模拟电源来讲，给大家带来设计的方便性跟可移植性也是 一个很大的优势。同时它可以对这个电源有非常好的保护机制。包括它的过流，过流的时候可以告诉你的系统，你的系统过流了，要注意了。如果真的过流，可以保 护掉。或者故障，告诉你源头有问题了，过温，温度太高很危险。我们还有电源的通道，输出电压这些参数，可以补给出来，告诉系统这些参数是怎么样的状态，可 以通过一个接口把这些参数读取出来，我们可以通过GPA口对这些错误的状态作出一些指示。所以可以看到，我们数字电源的话，通过简单的寄存器配置就可以设 置一个很严格通讯和整个系统的能量转换，同时也可以对电源整个状态了如指掌。这对大家来说是非常简单方便的东西。通过寄存器配置，可以实现各种系统的电源 要求。说到这里，大家会有疑问，你说这个数字电源，最终把这个模拟信号转成数字信号，你的精度是不是可以达到要求？你是不是可以跟得上整个电参数的变化？ 是不是稳定可靠？大家会存在很多的疑问，接下来我们会通过内部的结构的东西给大家做一些解答。首先一个很重要的问题就是它的精度问题，精度最重要的东西就 是模式转换，要把模拟电转成数字电之后，通过内部做处理，实现能量控制的一些功能。但是，电源本身会是一个成本要求很严格的东西，所以如果为了达到很高的 精度，采用很高的ADC的话，成本就会上去。我们公司通过这样一个技巧，采用一个趣味的模式转换，同时做主动的矫正，通过这样的功能，所以我们做的成本也 会很便宜。我们通过这样一个技巧，就可以实现一个九位ADC的功能。所以我们看到，我们在保证性能的前提下，又把整个成本降下来，所以我们就是说完全考虑 到市场的应用环境。我们保证了他的质量，另外一个我们保证了成本很低，高性价比。在2.6V以下，可以做到5毫伏的精度。

第二个比较重要的就是开发频率了，我们做到了1.5M，因为你最终要达到1.5M开发频率，采用8位计数器的话，需要384M时钟，功耗很大，电流也会 高。从整个性价比来讲，给大家做了一些考虑，通过设计技巧，实现成本跟性能的均衡。通过客观波形，我们可以看到数字电源整个状态，从他做的那些动作，可以 看到随着电压变化，调整都是非常及时的。而且通过稳定的状态大家可以看到，这个是输出电压的波形，输出电压稍微有点波动，就会做一个及时的调整，所以基本 上控制在20毫伏，我们可以控制在5毫伏以内，只要有5毫伏波动，就会做出相应的调整。通过实测来看，也能够满足这个要求。
接下来跟大家分享的数字电源很重要的优势，对于传统电源来讲，为什么我们系统可靠？因为数字电源，在座都是工程师都知道，整个数字电源本身是一个回路，这 个稳定性很重要，而且这个对工程师是很头疼的问题，怎样在工作环境下稳定？为什么我们电源让大家不用考虑这些头疼的事情了？这是一个能量转换，传递函数在 这边，大家都避免不了的，模拟电源也会有一个，这是我们公司数字调节器，也是一个传递函数，这是我们公司的创造PID，通过这个算法，从而实现输入跟输出 能量转换的控制，这也是一个传递函数。ADC本身采集电路也是个传递函数，所以传递函数是由这四块构成。这四个传递函数都是固定的。如果是这个回路的传递 函数，大家都很熟了，唯一可变的是这一个。所以我们公司把整个传递函数变成了这样5个数字，调整ABCDE这 5个值就可以实现整个环路的稳定性。现在跟大家讲的是一个概念。我只能跟大家分享一下。整个回路的稳定，最终浓缩成五个数字的调整就可以实现整个回路的稳 定性。为什么说数字电源有优势，就可以体现在这里，通过这个算法可以忽略外围元件的更改而实现整个回路的稳定。当然我们讲的只是理想的状态，不考虑其他的 因素，因为频率是要调整的，这些都会有一些误差，我们说的都是理想的状态下，本身你还要考虑到延迟这些时间的因素。通过这个图可以看到，通过网络分析实测 出来的波动图，我们用刚才的传递函数，通过这个传递函数把它填进去以后，算出它的值，把它显示出来，这是理论上算出来的。大家可以看到两张图的区别，很 小。实际的是51.4，波形形状都是差不多一致的。很好的说明了我们这个系统是可靠的、稳定的。跟实际上的测试，跟整个理论上计算出来的东西是一样的。通 过这样的改变实现回路的稳定，这是很真实的。可以看到它偏差不了多少。整个交叉也是超不了多少。希望通过真实的图片，给在座工程师很简单的一个概念，所表 达的一个信息是说开关电源给大家带来的很简单的设计方法，这是一个全新的理念，如果大家对数字系统不熟悉，也可以完成很好的设计，实现整个电源的设计...