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數位電源:是潛力、希望還是風險?

2014年02月03日  | Bill Schweber

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幾乎所有的電源調節器(包括AC/AC、AC/DC、DC/DC和DC/AC調節器等)均使用閉合回路(closed-loop)回饋拓撲結構,從而在線路、負荷或其他因素發生改變時,確保輸出的電源仍能達到期望值。聰明的(或經驗豐富的)系統設計工程師知道:可靠的電源是確保產品整體可靠性的基礎,因為它可以讓線路免於因電源斷斷續續所導致各種故障的干擾。


傳統上,閉合回路可以完全通過類比電路來實現。電源線路設計工程師不僅開發出了具有創新性、智慧功能的,且十分成功的類比閉合回路設置,以滿足多種輸入/輸出要求,同時他們還能讓產品滿足其他優先考慮的需求,如低噪音、良好的暫態反應、功率因數校正(PFC)以及效率等。要採用這樣的拓撲結構,設計工程師需要對設計方案中的主動和被動構件的一級、二級甚至三級特徵有深入的瞭解。就電源調節器而言,要將好的原理實現轉變為好的物理實現還有很長的路要走,這一點是大家所熟知的。


但是,數位之風正席捲著整個電源領域,而且電源領域也將打破常態。從最近廠商所推出的眾多產品就可以看出,實際應用的閉合回路正朝著數位化的方向發展。像往常一樣,由始於分立元件、體積較大和更為昂貴設計所形成的技術趨勢,往往會延伸至整個模組或甚至是積體電路。


以數位方式將回路閉合的方式已不僅只是以數位方式設定關鍵的回路參數,但仍然是通過類比電路對回路進行閉合,這種作法已行之多年了。實際上,在數位化回路中,是將實際的調節控制交由與處理器和韌體聯動的A/D和D/A轉換器進行處理——這是謹慎保守的電源調節器領域一直以來都在猶豫的一種做法。


走向數位化對回路來說是很有道理的,至少在理論上是這樣的。它能讓電源動態在針對個別應用程式需求而量身定做時,更能貼近需求。同時,它也能更容易地滿足多種性能屬性之間經常相互矛盾的需求,還能根據市場行銷的具體需求對“折中”的最有效點稍加進行調整。


還有一些人認為數位化可以精簡材料清單(BOM),從而降低成本。也許這麼說是對的,但是很難一概而論,因為很大一部分還是取決於具體情況。當然,數位化讓電源產品之間有了更多的通用性(commonality),因為電源產品的性能主要是取決於軟體,而不是分立元件。至於很難被量化的產品可靠性,因為可靠性的評估方法雖然有多種,但是相關資料卻還不是很多。所以,雖然產品成本和可靠性非常重要,但我們在此暫時不討論成本和可靠性的問題。


數位化到底是好事還是壞事?考慮到工程方面的諸多問題,答案很簡單:“看情況”。數位化肯定會有助於提高產品性能和簡化硬體設計,因為它讓設計工程師能夠實現難度較大的控制策略,而這些控制策略正是其他方法所無法實現的。它還能讓相同的電路提供不同的控制策略,例如:根據指令,DC/AC轉換器既可以輸出低失真、階梯正弦波電源,也可以輸出高失真、高效率的方波電源(如下圖所示)。


通過改變控制轉換器中絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的軟體,利用相同的硬體設計既可以輸出高失真、高效率(如圖左所示)的方波AC類電源,也可以輸出低失真、低效率且更接近正弦波(如圖右所示)的AC類電源(圖由國際整流器公司提供,謹此致謝)。
通過改變控制轉換器中絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的軟體,利用相同的硬體設計既可以輸出高失真、高效率(如圖左所示)的方波AC類電源,也可以輸出低失真、低效率且更接近正弦波(如圖右所示)的AC類電源(圖由國際整流器公司提供,謹此致謝)。


但是,同時我也擔心這種靈活性不僅是一個令人難以抗拒的優勢,同時也是一個弱點。這並不是因為軟體中會有缺陷(確實也會有),而是軟體的靈活性意味著一些廠商可能會藉著這一點而偷懶,以走捷徑方式來滿足時程表的要求。通過不斷升級就可以在現場解決產品出現的問題的情況,我們在此之前就已經遇到過了。


另外,當產品特性發生改變,而且這些改變經常是在用戶不知情和沒有得到用戶同意或理解的情況下就發生了,這會給用戶帶來一定的影響。原型和現場除錯也將面臨更大的挑戰,因為表面看起來相同的電源電路,可能其性能和波形並不一樣。這種現場升級會不會成為常規的做法呢?在我看來,這些只是好的事物中消極的一面。總之,如果電源不具備一致性或可重複性,那麼就會呈現出另外一種狀態,要是連這一點都不能指望的話,那還能指望什麼呢?


讀者諸君對電源數位化有什麼看法呢?是樂意看到這種變化,害怕這種變化,還是兩者都有呢?





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