電力電子技術

數位電源控制技術的應用與展望

Digital Power: Applications and Prospectives

鄒應嶼 教授 (Prof. Ying-Yu Tzou)

交通大學 電力電子晶片設計與數位電源實驗室

2006328

Author: Prof. Ying-Yu Tzou

Affiliation: Power Electronics IC Design and Digital Power Lab., NCTU, Hsinchu, Taiwan


Digital Solution for Power Conversion


摘 要

   本文介紹數位控制在電力電子應用的未來展望。本文首先介紹電源轉換系統中轉換器拓撲(converter topology)的發展,進一步的說明控制器在電源轉換系統中所扮演的電力轉換控制角色,其次,說明從傳統類比電源控制IC走向數位電源控制IC的市場需求與發展趨勢,文中並列舉一些數位電源極具發展潛力的產品發展方向。本文同時也說明了一些在發展數位電源系統技術時所將遭遇的困難,最後報導了目前國際上在數位電源控制IC方面的一些發展。

前 言

   本文介紹數位控制在電力電子應用的未來展望。電源的基本要求是「輕薄短小、高效能、高可靠度」,近年來可攜式消費性電子產品市場的快速成長,更進一步的要求電源必須是『省電的』、『適用的』與『聰明的』。為了提供這些功能,電源控制的數位化與可程式化將成為未來發展的趨勢,數位電源將促成電源管理進一步發展成為電源服務,電源控制的數位化,可提供電源控制與系統應用進一步的整合,達成更加的整體效能。本文介紹數位電源控制技術的市場應用機會與未來可能的發展。


 ... from Digital Signal Processing ... to Digital Power Processing


    數位電源發展的關鍵主要在於類比、數位、與功率IC在單一製程的整合,隨著高壓驅動IC的發展,類比與數位電路將可與功率IC直接在單一個半導體基座上整合,數位電路的微小化將使其控制電路晶片面積比進一步降低,應用數位信號處理、數位控制、與數位通訊於電源轉換的時代將來臨,可稱為數位功率處理(Digital Power Processing)。

1. 簡介

    傳統電源供應器的控制IC主要是以類比方式實現,其優點是成本低、電路簡單、反應速度快,但缺點是通常僅能提供特定功能,使用介面簡單不適合複雜電源系統的整合,控制迴路補償不易調整等等。近年來,隨著可攜式消費性電子的快速發展,省電設計、電源管理、與多功能的供電需求,增加了更多開關式電源驅動IC的需求也改變了電源供應器的供電架構[1]-[4],本文從電源轉換系統電路架構的發展為開始,繼而說明數位電源的優點與產品發展機會,最後說明數位電源控制IC的實現方式與發展現況。

電源轉換系統

    圖1所示是ㄧ個電源轉換系統的示意圖,電源轉換器的功能主要是將輸入電源的型式轉換成負載所需要的電源型式,同時以閉路控制方式達成電源調節。ㄧ個電源轉換器基本上由三種元件所組成,一是功率開關元件,例如功率電晶體、功率二極體等,其功能在於電源的切換與整流;二是電能儲存與濾波元件,例如電感器、電容器、變壓器等,其功能是提供轉換電能所需要的濾波與暫時儲能;三是檢測與控制元件,其功能是提供信號回授、控制信號的產生、保護與介面等功能。

圖1.  開關式電源轉換系統

    評估一個電源系統的性能指標很多,諸如效率、功率密度、穩壓率、可靠度、價格/功率比、電磁干擾等等,這其中最關鍵的是效率與應用功能。影響一個電源供應器效率的因素很多,但其中最關鍵的仍在於主動與被動元件的材料特性;影響其提供應用功能的主要關鍵則在於控制元件的實現方式,類比式控制元件的優點是電路實現簡單,但也限制了所能實現的功能。

    開關式電源供應器主要是藉由功率元件的切換將電壓或電流予以調變,圖2是ㄧ些基本的脈寬調變轉換器電路架構。功率轉換器不論其架構如何,都只能在電壓源與電流源之間切換,圖3是泛用型的矩陣轉換器電路架構,其中的開關是雙向開關,藉由這些開關可在電壓源與電流源之間進行電能轉換與流向控制。

圖2.  基本的脈寬調變轉換器電路架構

圖3.  矩陣轉換器架構是通用型的電源轉換架構

    在實際的應用當中,電壓源通常並聯電容以降低功率開關切換產生的高頻電壓漣波,濾波器或儲能器中與開關串接的電感,在一個開關週期內若其電流漣波遠小於其平均值,則可視為電流源。ㄧ個電源轉換系統中除了電源轉換器之外,還必須具有一個控制器,才能達成電能轉換與調節的功能。圖4所示是一個泛用型電源轉換系統的架構圖,主要由功率處理器(power processor)與控制處理器(control processor)所構成。

圖4.  控制處理器與電源處理器結合成電源轉換調節系統

    控制處理器藉由控制功率轉換器的開關達到功率調變與轉換的目的,控制器所執行的控制功能有時可能很簡單,例如一個應用於DC-DC轉換器的PWM IC;有時也可能很複雜,例如一個應用於高功率三相五階的併網型變頻器的控制器。

    一個控制處理器所實現的功能不論簡單或複雜,均可階層式的區分為幾個功能,圖5所示是一個泛用型控制器所提供控制功能的階層式架構圖。內層的脈寬調變控制器需要最快的處理速度,開關頻率一般介於20kHz-1MHz,視應用而定。控制迴路的頻寬由內而外逐漸降低,約介於1/4 - 1/20,比值視控制迴路設計的優劣而定,愈接近1/4愈困難。內層控制迴路的主要目的在於解耦,簡單來說就是消除其迴路動態特性對外層的影響,例如PWM控制的目的就在於將複雜的脈寬調變關係簡化為簡單的責任比命令,而電流控制迴路的目的即在於消除電感器對電路的影響,將其轉換為一可控電流源。最外層的控制迴路,目的在於完成所設定的控制目標。

圖5.  電源控制器的階層式控制架構與功能

2. 數位電源

何謂「數位電源」(DIGITAL POWER)?

    數位電源就是採用數位介面具有可程式化(programmable)的電源轉換器,數位介面(digital interface)與可程式化是數位電源的重要特徵,也是其簡化產品應用的重要利基。控制器的實現可以類比電路方式或數位電路方式,數位電源係指採用數位控制方式實現交換式電源供應器的控制迴路與介面。與此相較,傳統的交換式電源供應器主要採用類比控制方式實現其控制迴路與介面。

    圖6所示是一個傳統的DC-DC轉換器類比式PWM控制IC電路架構圖,從其中可看出,一個電源控制IC除了提供基本的PWM產生與控制迴路補償以外,也必須提供一些附屬功能,如啟動電路、電壓參考命令、保護電路等等。新型的電源控制IC除了必須提供這些基本功能以外,也必須提供更多可程式的系統介面功能,例如電壓規劃、電源管理、參數設定等等,圖7所示是一個數位式PWM控制IC的系統架構圖。

圖6.  一個傳統的DC-DC轉換器類比式PWM控制IC電路架構圖

 

圖7.  一個典型的DC-DC轉換器數位式PWM控制IC系統架構圖

    電源轉換器的一個重要功能是提供穩壓,其控制迴路設計影響著負載變化下輸出電壓的暫態響應。如何設計與調整一個電源供應器控制迴路補償器的控制參數,對大部分的電源供應器設設計者可說是一個挑戰。圖8所示是類比與數位電源控制IC的迴路補償設計的示意圖,數位式PWM控制IC提供可程式化的控制架構與控制參數,藉由通訊介面可以線上調整控制參數,並與系統分析與模擬軟體整合,如MATLAB、Simulink,經由特殊設計的軟體,可將模擬、設計與測試加以整合,簡化設計過程與改善電源供應器的動態響應。

圖8.  類比與數位電源控制IC的迴路補償設計

    數位式電源控制IC的一個主要的優點是具有可程式化的特色,針對不同的應用,可以軟體方式設定不同的操作模式與控制參數。近年來,數位式PWM控制IC亦成為一個重要的發展議題,具有微處理器通訊介面的PWM IC也開始出現。圖9所示是一顆數位電源控制IC的電路佈局功能分佈圖,此雙埠輸出之數位電源IC採用0.6微米DPDM (double poly double metal)製程[5],晶片面積為3.3 mm x 2.8mm,此晶片中電路佈局面積為3.6mm2,電路主要包含三個部份,控制介面約佔23%,控制迴路約佔35%,功率晶體約佔42%。由於半導體製程的持續進步,整合類比數位功率元件於一體的BCD製程,將能更有效率的整合功率晶片,其中數位電路將提供更多的控制功能,但所佔的晶片面積比例將持續下降,此一趨勢對數位電源IC的發展是非常有利的。

圖9.  數位電源控制IC的積體電路佈局分配圖

    近來數位電源逐漸成為先進電源控制IC發展與行銷的標記,主要來自於電源管理在應用上的需求。一方面,由於高性能微處理器的工作電壓越來越低,為達到省電與最佳運算效能的需要,其工作電壓必須隨著操作模式調整,因此CPU的電源必須具有可程式化的功能,其電源的準位細分為不同的刻度,稱之為電壓刻度(voltage scaling),一個最小刻度的調整電壓約為25 mV。由於這種電源應用上的需求,於是產生了電源介面定義的規範,因此電源供應器的參考電壓命令開始數位化了。另一方面,由於使用時間是可攜式裝置的一個重要規格,因此省電技術(low power)、待機電力(green mode)、與電源管理(power management)成為關鍵的技術發展項目。電源管理主要的目的是在眾多且變化劇烈的電源供需之間得到一個最佳化的操作程序。為了達到這個目的,必須藉由微處理器以軟體控制方式達到動態的電源管理,因此電源供應器的操作程序也開始數位化了。

    隨著積體電路設計與製造技術的發展,可以在更小的晶片面積上以更高的時脈頻率進行資訊處理,更小的晶片面積意味著更低的單位成本,更高的時脈頻率意味著更強大的資訊處理能力,相較而言,功率轉換器所需要的功率晶體、磁性元件、功率電容、乃至於連接端子等等卻不能以等比例的關係縮小其體積,在不增加電路板面積的前提下,卻可提供更多的服務功能與達到更佳的控制效果,這意味著數位電源必然成為未來電源轉換技術發展的主流。

數位電源的優點

    數位電源的優點主要源自可程式化的特性,其優點列舉說明如下:

數位電源的限制

    數位電源雖然有許多的優點,但在設計與應用方面也有其限制,瞭解這些限制有助於數位電源的實際發展。這些限制包括:量化效應、取樣頻率限制的頻寬、取樣雜訊、計算延遲等等。

    在一個類比電源控制系統,除了PWM信號產生以外,控制迴路的信號處理都是以類比電路實現,由於類比信號處理是連續且瞬間完成的,因此不會因為信號處理而產生延遲,系統的頻寬主要受到PWM開關頻率的限制。在實際的開關電源中,電路中濾除雜訊的低通濾波器,或誤差放大器的頻寬也會影響系統的頻寬,但更經常發生的情況是不當的控制迴路設計、被動功率元件的不當選擇、或是因為受到控制法則實現上的限制,而降低了系統的頻寬。

    圖10所示是典型的類比與數位控制系統架構的示意圖,一個類比控制器,根據誤差信號可以立即處理的方式產生所需要的控制信號,但是一個數位控制器必須以一個固定的取樣頻率進行回授信號的取樣、計算、與輸出,因此會造成信號取樣的量化誤差與時間上的延遲誤差,若取樣頻率遠高於系統的頻寬且取樣精度高於信號雜訊比,則數位控制會達到近似類比控制的效果,但若這些條件無法符合,則數位控制會因為這些非線性現象,產生許多不易解決的問題[6]-[7]

圖10.  類比與數位控制系統

    圖11所示是一個數位控制系統的取樣過程時間圖,由於回授信號取樣的類比數位轉換、數位信號處理運算、以及輸出信號的轉換,因而造成計算延遲,此一延遲導致控制輸出信號的順延,在下一個取樣時,其目前的控制命令執行了Ts-Td的時間,前一次的控制命令則執行了Td的時間,Ts為取樣週期,Td為計算延遲。若計算延遲相當嚴重,則在下一個(k+1)取樣時刻所得到了回授信號,實際上卻是前一個(k-1)時間所產生控制命令的系統反應,這種計算延遲與系統模型的不確定性所造成的非線性現象,不僅導致分析設計上的困難,也使得模擬與實驗結果不易取得一致性。

圖11.  數位控制系統的取樣過程與計算延遲

    數位控制器的輸出信號在一個取樣週期內必須維持在一個定值,其功能有如一個零階保持器(Zero-Order Holder, ZOH)ZOH會造成相位落後,其相位落後的程度與頻率成正比,當頻率達取樣頻率的一半時,ZOH所造成的相位落後為90°,在1/10的取樣頻率,其所造成的相位落後已高達18°。若一個DC-DC轉換器的PWM開關頻率為1 MHz,其數位控制器的取樣頻率為40 KHz,則可能到達的最大頻寬約為取樣頻率的1/4,也就是10 KHz,其頻寬僅為開關頻率的1/100,換言之,若無法提高取樣頻率,則無法提高系統的頻寬。另外一個問題,是數位式PWM產生器的解析度,若PWM開關頻率為1 MHz,而要求的解析度為8位元,就需具有一個256 MHz的基頻時脈信號,這也增加了高頻寬、高動態響應範圍數位電源控制IC設計的困難。

    數位電源控制主要的限制因素來自數位控制器有限的取樣頻率與取樣解析度。取樣頻率限制了系統的頻寬,取樣解析度則會導致量化誤差,進一步造成有限循環(limit cycle),因此若要提高取樣頻率,也需要相對提高ADC的解析度。此外,回授信號通常不止一個,因此ADC轉換器也必須再予以多工取樣,其轉換時間也必須隨之降低。

    應用數位控制電源轉換控制的另一個棘手的問題是回授信號的取樣,由於功率開關的切換會造成快速的電壓變化,導致檢測的電壓或電流回授信號在開關時刻產生信號震盪,此共模電壓雜訊無法以一般的信號濾波器予以去除,若回授取樣無法與開關信號同步以避開此共模電壓雜訊,則會對回授信號造成隨機的巨大誤差,導致數位控制器無法正常工作。這種現象,在類比式控制器也會發生,但是由於信號連續處理的特性,以及控制器本身具有的低通濾波器特性,會降低這種量測誤差的效應,但對數位控制器而言,此量測誤差再加上計算延遲則會產生錯誤的控制信號,則會放大這種量測誤差的效應。

    數位電源控制IC為了整合這些功能,就必須將ADC轉換器、數位迴路補償器、與數位PWM產生器的IC電路都以單一製程完成,因此必須考慮到信號檢出、隔離、EMI干擾、高壓驅動電路設計等實務問題,也因此增加了數位電源控制IC設計的困難。此外,數位電源控制IC重要的特色之一,是提供更方便的系統整合與應用,因此簡單的介面電路與軟體設定方式是很重要的,這也使得數位電源控制IC必須加入嵌入式微處理器去處理這些應用介面。

3. 數位電源應用的市場機會

  數位電源的利基主要在於增加電源產品的應用功能,消費性電子(consumer electronics)與家庭電器(home appliances)產品將是推動下一波電子資訊產業的動力,消費性電子產品以隨身可攜帶為重點,家庭電器以享受舒適為重點,都需要具備省電與便於操作的基本特性,兩者主要的功能都在於改善生活品質,因此能創造廣大的市場需求。這類產品的發展,將帶動各種具有通訊介面可程式化電源的需求,數位電源不僅可滿足些這需求,也將創造更多的系統整合應用[8] 

數位PFC/PWM控制IC

   為了滿足高速微處理器不斷增加的電源需求與更低的供電電壓,電源供應器必須對特定的負載直接供電,於是產生的電源放置於負載端(point-of-load, POL)的設計觀點。根據此一觀念遂發展出如圖12所示的分散式電源架構,一個電源系統主要包含前端電源與負載端電源,前端電源主要在於提供市電介面,符合電源諧波規範與承受市電變化的穩壓能力,其輸出為一直流電壓標準訂為48V。負載端電源是提供各種不同電壓、電流需求的DC-DC轉換電源模組。

圖12.  分散式電源供應架構

    分散式電源架構已成為個人電腦、伺服器、與通訊設備的電源架構。結合功率因數控制與脈寬調變穩壓控制,例如TI (Unitrode)UCC38510FairchildFAN4803-1、與On SemiconductorNCP1651都是同時具有功率因數修正與脈寬調變控制的多功能控制IC。這種整合PFCPWM控制功能於一體的控制IC未來將進一步發展成為具有數位控制介面的數位式PFC/PWM控制IC,其架構如圖13所示[9]-[11]。個人電腦或家庭視訊設備的前端電源控制IC的數位化會產生許多增加附加價值的應用,例如結合電力線通訊IC可以達到遠端啟動操控的功能,數位控制也可針對不同地區的電源類型提供更佳的電源啟動與穩壓效果,以隨機脈寬調變技術改善電源端的電磁干擾,縮小EMI濾波器的體積。

圖13.  個人電腦前端電源供應器的數位式PFC/PWM整合控制晶片

高階微處理器VRM的數位PWM控制IC

    為了處理日益複雜的即時計算,現今的資訊與通信系統伺服器採用了高性能的微處理器、圖形處理器、影音處理器、與高速高容量記憶體。計算速度的提升促使時鐘頻率與供電功率的相應增加,使得電源供應器必須具備更快的反應速度。由於新一代高性能微處理器對電源的需求,電源控制IC也從傳統的單一類比控制方式,朝向多功能的整合型控制PWM IC發展。

    高性能微處理器為了達到省電與最佳運算效率的需求,其供電電壓必須隨著CPU的使用效率進行動態調整,因此提供CPU的電源穩壓模組(VRM)必須具備電壓識別碼(VID)VID是一個五位元的數位碼,用於設定一個範圍的電壓,標準列於Intel主導製訂的VRM設計規範,以VRM 9.0為例,其輸出電壓為1.1V-1.85V,每一增量為25mV。圖14所示是一個類比式的VRM控制IC,僅包含一個五個位元解碼電路產生所需要的電壓準位與一組PWM輸出。隨著高性能CPU的發展,其瞬間最大電流也日益提高,根據VRM 8.5規範,約需20安培驅動,可以單相(single-phase)的同步降壓整流器完成,但到了VRM 11.0規範,則需要高達100安培的驅動能力,必須採用四相(four-phase)的同步相移降壓整流器完成。數位式VRM控制IC可提供更快速的動態響應、更

圖14.  具有數位介面的類比式同步降壓轉換器控制晶片的電路方塊圖

加的分流控制功能、以及提供系統更如以整合的電源管理功能[12]-[15]

可攜式通訊裝置的電源管理

    手機或PDA等可攜式通訊裝置通常工作於事件驅動模式,同時其操作時間比通常很低。這類裝置當工作於待機模式時,僅有一小部份電路在工作,但其效率卻顯著的影響著系統的待機時間。為了提高在低率輸出時的效率,不僅需降低功率電路的損耗,同時也必須降低控制電路的損耗。

    可攜式通裝置的一個特色是其單位時間資訊處理的工作量會產生劇烈的變化,為了達到省電的要求,必須採用動態電源管理(dynamic power management)策略,CPU或DSP的工作電壓必須隨著負載量調整,因此電源轉換器也必須具備快速的動態響應[16]-[17]。例如,目前一般手機CPU的工作電壓由3.3V調整至1.5V,其穩定時間約為100msec

    應用於可攜式裝置的DC-DC轉換器在高低功率輸出範圍與高低電池電壓的操作條件下,均必須達到高效率的要求。可攜式裝置為了提高省電的能力,在行動計算的非關鍵路徑可採用較低的工作電壓以降低功率損耗,此種方法必須提供多組低功率輸出的DC-DC轉換器,圖15所示是一個典型的行動電話的系統方塊圖,不同的子系統需要其特定的供電方式,這些獨立的電源供應器必需加以協調運作,以達最佳的省電效果,電源管理的需求使的這些電源供應器必須具備基本的控制面,因此以微處理器為核心的電源管理IC在可攜式裝置將有很大的產品發展空間。

圖15.  行動電話的系統方塊圖與電源管理

    在一個現代的資訊設備中,例如行動電話、數位相機等等,其系統主要可區分為信號處理與電能處理兩個部分,圖16是一個資訊設備的信號處理與電能處理的系統架構圖,由於產品小型化的發展趨勢,使得系統晶片整合了包含網路通訊與影音處理等功能,性能更加強大的單晶片系統不斷的整合更多的資訊處理功能,使其硬體朝向簡單化單一晶片的發展方向。但是另一方面,由於應用介面的多樣化需求,系統必須加入更多的應用介面,例如不同的顯示面板、顯示光源等等,而這些介面裝置都必須有特殊設計的驅動IC以達到最佳的效果,由於這些介面裝置難以達成統一的規格,因此設計這些輸出裝置的驅動與控制IC將具有巨大的發展潛力,形成一種以需求為導向的電源IC設計服務產業。從此一發展趨勢,可以看出一個重要的發展機會,就是為了達到市場需求快速的設計服務要求,必須採用數位電源管理方式實現電能處理。

圖16.  可攜式資訊設備信號處理與電能處理的系統架構圖

數位照明與電子安定器

    螢光燈管普遍應用於日常生活的照明,電子安定器可以高頻的方式激發燈管氣體的電漿狀態達到較高的發光效率,藉由安定器的高頻驅動也可達到較柔和的啟動控制以延長燈管壽命,也可藉由電流控制達到亮度控制。

    應用於一般照明的電子安定器基本上是一個AC-DC-AC轉換器,基本功能包含功因控制、變流器控制、燈管啟動控制等。應用數位控制與網路通訊技術則可引發許多結合現代家庭網路的應用,圖17所示是一個整合功率因數與PLC電力網路通訊的電子安定器,藉由電力網路通訊介面與數位式電子安定器,可在不改變現有燈管安裝方式的前提下,提供許多生活機能的燈光控制,達到省電、美觀、安適與方便的效果[18]-[21]。

圖17.  整合功率因數與PLC介面的數位式電子安定器

    藉由發展電子安定器的數位介面可以將信號調變饋入螢光燈管的電弧,形成一個無線廣播系統,由於頻率遠高於眼睛視覺暫留的頻率,因此不會產生燈光閃爍的效應。藉由特殊設計的接收器可將這些訊息轉換為顯示文字或聲音,形成一個有助於殘障者的地圖導引系統。廣播之訊息可藉由電源線通訊(PLC)系統連接至主控電腦,藉由電子安定器數位控制介面的發展,可以將照明與網路結合改善人們的居住環境。

數位式音頻放大器

    由於高頻功率開關的進步,再加上可攜式隨身音樂的需求,強調省電需求的D-類音頻放大器逐漸取代了傳統的AB-類放大器。喇叭的基本結構是線圈、永久磁鐵、與震動薄膜,是一個電感性的負載,藉由電流驅動線圈磁場帶動喇叭的薄膜產生振動,達到聲音擴大的效果。良好的音響系統必須從音源、功率擴大器、到喇叭都具備在音頻範圍的定增益頻率響應。

    圖18是一個數位音頻功率放大器,以信號處理為基礎的數位濾波器設計可結合數位脈寬調變的D-類放大器形成一個全數位化的音頻放大器 (digital audio amplifier),數位濾波器可用來做頻率補償提高音質,數位脈寬調變可藉由提高解析度改善信號動態範圍,發展全數位化音頻放大技術,可以製造出體積小、低失真、高功率輸出、價格便宜的音響放大器[22]-[24]

圖18.  數位音頻功率放大器

數位馬達驅動控制

    馬達控制的應用廣泛,小的例如微型硬碟、相機鏡頭聚焦音圈馬達,大的例如電動車輛、壓縮機等等。馬達驅動器不僅需要進行電源轉換控制,例如PFC控制、換流器的脈寬調變控制等等,也需要實現馬達控制策略,例如無感測速度估計法則、向量控制、伺服迴路補償等等。圖19所示是一個整合了PFC轉換器與PWM換流器的數位馬達驅動控制方塊圖,馬達控制在應用上的需求,如啟動控制、待機模式、靜音控制、調速控制、電源諧波消除、效率改善等等,均需要複雜的控制軟體予以實現,採用單晶片數位控制方式實現是必然的選擇,未來嵌入式系統晶片在數位馬達驅動控制具有很好的發展機會。

圖19.  整合功率因數修正(PFC)與PWM換流器的數位馬達驅動控制器

4. 電源控制IC的發展

數位控制器的實現

   數位控制器的另一個重要設計議題是其實現方式,若採用軟體實現,由於頻寬的要求,就必須採用具有快速運算能力的數位信號處理晶片[30],例如德州儀器的TMS320F2407A、TMS320F2812,Analog Devices的ADMC401、Microchip的dsPIC30F、dsPIC33F等等。採用這類單晶片DSP控制器的優點是具有軟體實現的靈活性,同時一般這類晶片目前均內含可同步控制的ADC轉換器與PWM產生器,易於實現同步取樣與控制。由於DSP晶片採用哈佛架構,具有獨立的指令與資料匯流排,具有硬體乘法器與累加器,同時以管線方式(pipeline)實現指令的執行,因此可以達到單一指令週期的執行效能。

    雖然單晶片DSP控制器具有許多優點,但要發揮這些硬體上的優點,仍然必須有良好的軟體程式設計來配合,其程式設計有別於一般的微控器,學習門檻較高。此外,數位控制器的實現主要在於以數位方式實現控制演算法(control algorithm),採用定點運算時,演算過程很容易發生溢位現象,因此控制參數必須妥善的予以尺規劃(scaling),同時也必須做好數值限制防止溢位的發生。

    圖20所示是一個標準二階IIR數位濾波器的實現架構,不同的實現架構其演算程序也不同,因此對量化誤差也有著不同的參數靈敏度,對定點運算而言,採用簡單、低參數靈敏度的實現架構是很重要的設計考量。直接型II具有較低的參數靈敏度,是較經常被採用的方式。PID控制器是最常被使用的控制器形式,其實現的方式非常多,例如常見的位置式(position form)實現法、速度式(velocity form)實現法等,在實現數位微分時,要特別小心防止因取樣時間過小導致的巨大信號靈敏度。圖21所示是採用查表法的數位式PID控制器實現架構,這種方式可以查表取代乘法運算,優點是可以同時實現含有增益規劃(gain scheduling)的非線性數位補償器,缺點則是當位元數增加時,則需要較大的實現記憶體,此法也無法以多工器的方式共同使用,但在以低位元實現時(10-位元以下)具有簡單易於實現的優點。

圖20.  二階IIR數位濾波器的實現架構

圖21.  查表法數位式PID控制器的實現架構

    近年來,超大型可程式數位邏輯閘元件FPGA (Field Programmable Gate Array)與CPLD (Complex Programmable Logic Device)的興起,使得數位控制方法得以快速地製成數位控制專用IC來實現[31]-[32]。Altera公司2005年所推出的Cyclone II系列FPGA晶片EP2C70具有將近七萬個邏輯單元,內含150個獨立的18-位元乘法器,並可嵌入Nios-II的虛擬DSP核心。這些新型的FPGA晶片,具有高容量的可程式邏輯閘,可以實現數位電路,也可以嵌入特定的虛擬DSP核心以軟體方式實現複雜的演算法與控制流程,提供了方便的設計平台,電路簡化已非設計重點,縮短設計時間與實現更多的應用需求成為設計的關鍵,系統整合扮演更為重要的角色。

    利用階層模組化與電路資源共用的觀念設計可以降系統設計的複雜度,達到最佳化的目的,所設計的控制IC具有可程式化的特點,經由一個微處理器串列週邊通信界面(SPI)可調整及觀測此控制IC內部之參數及變數,方便數位電源控制器的設計。

    數位式脈寬調變信號產生器是數位式電源控制IC中ㄧ個重要而基本的單元,以數位方式實現PWM控制IC,也成為研究議題[33]-[34]。目前市面上已推出簡單易於使用的數位式PWM IC,例如Microchip的MCP1630、IXTS的IXDP610、Intersil的ISL6580與德州儀器的UCD8220、以及Silicon Lab.所推出應用於複雜快速響應需求的VRM數位控制PWM IC Si8250等等[35]-[38]。數位式PWM信號產生IC的設計必須考慮開關頻率設定範圍、PWM解析度、盲時(dead-time)計數器位元數等等的設計規格,同時也必須考慮應用領域所需要的方便性與價格競爭條件。 

數位電源控制IC發展的挑戰

 發展具有商業用途的數位電源控制IC,將面臨許多技術方面的挑戰,例如為了降低價格、縮小晶片面積,電路設計必須精簡,為了易於應用,必須暫存器方式設定相關的控制參數,同時這些控制參數也必須能夠線上更改與儲存,因此必須具備on-chip的EEPROM。此外,由於控制晶片與功率轉換電路在電路實現上彼此相當接近,控制晶片EMI防制的相關電路設計,都是重要的考慮問題。

    發展數位電源控制IC必須從幾個方向詳加考慮,主要在於市場需求、製造技術與系統設計。發展數位電源控制IC的設計,從學術研究發展的觀點而言,具有多項值得探討的問題,例如數位控制架構的發展、混合信號IC設計技術、電源管理控制、電源啟動控制、分散式電源並聯控制、與電路精簡化設計的研究等等。

    在發展數位電源控制晶片的過程中,建立一個可以整合各種設計工具的發展平台是非常重要的,其設計過程包含了系統層次的模擬,電路層次的電路設計與模擬,以及整合階段的測試與偵錯。

    發展數位式電源控制IC的困難之一是價格因素。但近年來半導體製造成本已因晶圓代工製造技術使製造成本日益下降,此一趨勢將持續發展;另一方面,由於未來微電子系統的電源控制與管理日益複雜,在功能需求上,傳統的類比式電源控制IC已逐漸無法滿足應用方面的需求,數位式電源控制IC發展的契機已經呈現。 

重要的關鍵研究議題包括:

5. 結 語

   微電子技術的發展將促成眾多消費性電子產品的發展,可攜式消費性電子產品、影音電子設備、家庭自動化的發展,更加引發各式的電源轉換需求。未來的電源轉換器將不僅扮演電源供應的角色,也必須與其應用端(負載)與使用端(介面)相結合,提供更多的系統整合服務功能,例如D類放大器可與MP3結合,達到更佳的省電效果與音響品質,VRM的數位介面可提供更佳的CPU供電品質與省電效果,電子安定器的數位介面可提供更多樣化的燈光控制效果。

    這些結合應用需求的電源控制介面,都需要更為靈活的控制介面。數位電源控制技術的發展,不僅可以達到更好的電源穩壓控制與系統整合功能,更重要的是藉由數位電源的數位控制介面,電源可與應用整合,提供更多更好的服務功能,數位電源因為電源管理的需求而發生,也會因為其電源服務(power service)的功能而擴大其應用。

    功率半導體開關元件的進步,使得功率轉換器可以承受更高的耐壓與耐流,操作在更高的切換頻率,承受更高的DV/DT與DI/DT變化,另一方面也使得微電子數位電路可以在更低的工作電壓、更小的晶片面積下以更高的工作頻率操作。控制晶片與功率元件相較,其所佔的面積與價格均是很低的。過去電源供應器的設計導向主要是降低價格,在未來電源轉換器的設計導向應著重於增加服務功能,藉由服務功能的增加來增加附加價值,數位電源將提供此一問題的解決平台。

    應用數位/類比IC設計技術於電源控制IC之發展,將成為電源控制IC的發展趨勢,電源控制IC將朝向數位化、可程式化、與智慧化的方向發展。我國在晶圓代工、封裝測試、IC設計、電源供應器製造等領域,已有領先世界的產業,展望未來,以消費性電子產品為導向的相關產業將蓬勃發展,在電力電子領域,電源控制與驅動IC是非常有潛力的發展方向,整合電力電子、系統晶片IC設計、與封裝製造技術,應用於消費性電子、數位家庭、與智慧型家電等領域,是適合我國且具有利基的發展方向。

 從我國產業發展環境的觀點來審視未來全球電源IC與功率半導體的的發展趨勢,高壓電源驅動IC (high-side Power MOSFET driver)、顯示器驅動IC、LED照明驅動IC、電池充電與控制IC、電源管理IC、無線通訊射頻功率IC、電源功率IC、電源控制IC、與小型馬達控制驅動IC等等,都是我國整合系統製造、半導體製造、IC設計、與電力電子等產業,最具世界競爭力與發展潛力的領域!


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Technical Report: TR-SP20:數位電源控制技術的應用與展望
Last update: 2006/3/28