數(shù)字電源

　　目前，數(shù)字電源有多種定義。

　　定義一：通過數(shù)字接口控制的開關(guān)電源(它強(qiáng)調(diào)的是數(shù)字電源的“通信”功能)。

　　定義二：具有數(shù)字控制功能的開關(guān)電源(它強(qiáng)調(diào)的是數(shù)字電源的“數(shù)控”功能)。

　　定義三：具有數(shù)字監(jiān)測(cè)功能的開關(guān)電源(它強(qiáng)調(diào)的是數(shù)字電源對(duì)溫度等參數(shù)的“監(jiān)測(cè)”功能)。

　　上述三種定義的共同特點(diǎn)是“模擬開關(guān)電源的改造升級(jí)”，所強(qiáng)調(diào)的是“電源控制”，其控制對(duì)象主要是開關(guān)電源的外特性。

　　定義四：以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器、PWM控制器等作為控制對(duì)象，能實(shí)現(xiàn)控制、管理和監(jiān)測(cè)功能的電源產(chǎn)品。它是通過設(shè)定開關(guān)電源的內(nèi)部參數(shù)來改變其外在特性，并在“電源控制”的基礎(chǔ)上增加了“電源管理”。所謂電源管理是指將電源有效地分配給系統(tǒng)的不同組件，最大限度地降低損耗。數(shù)字電源的管理(如電源排序)必須全部采用數(shù)字技術(shù)。

　　與傳統(tǒng)的模擬電源相比，數(shù)字電源的主要區(qū)別是控制與通信部分。在簡(jiǎn)單易用、參數(shù)變更要求不多的應(yīng)用場(chǎng)合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對(duì)性可以通過硬件固化來實(shí)現(xiàn)，而在可控因素較多、實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快、需要多個(gè)模擬系統(tǒng)電源管理的、復(fù)雜的高性能系統(tǒng)應(yīng)用中，數(shù)字電源則具有優(yōu)勢(shì)。

　　此外，在復(fù)雜的多系統(tǒng)業(yè)務(wù)中，相對(duì)模擬電源，數(shù)字電源是通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)多方面的應(yīng)用，其具備的可擴(kuò)展性與重復(fù)使用性使用戶可以方便更改工作參數(shù)，優(yōu)化電源系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)過電流保護(hù)與管理，它還可以減少外圍器件的數(shù)量。

　　數(shù)字電源有用DSP控制的，還有用MCU控制的。相對(duì)來講，DSP控制的電源采用數(shù)字濾波方式，較MCU控制的電源更能滿足復(fù)雜的電源需求，而且實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快、電源穩(wěn)壓性能更好。

　　基本原理

　　數(shù)字電源的關(guān)鍵是電源管理、控制信號(hào)的數(shù)字化處理，其基本要求是：在保障穩(wěn)定性的前提下，具有快速性、平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性。下面以負(fù)載點(diǎn)變換器(POL)為例說明數(shù)字電源控制功能的實(shí)現(xiàn)原理和方法。

　　負(fù)載點(diǎn)變換器(POL)通常用于將直流輸入電壓(一般為5V~12V)調(diào)節(jié)成適用于負(fù)載要求的直流輸出電壓(0.7V~3.3V)。例如，在典型的基于降壓(Buck)開關(guān)變換器的電路中，Buck變換器包含一個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)主控制芯片，一對(duì)主功率開關(guān)和一個(gè)由儲(chǔ)能電感和電容構(gòu)成的低通濾波器。在脈沖寬度調(diào)制控制芯片中，一個(gè)電阻分壓器對(duì)電源的輸出電壓進(jìn)行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與直流參考電壓進(jìn)行比較從而產(chǎn)生電壓誤差信號(hào)，誤差信號(hào)是一個(gè)強(qiáng)度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號(hào)。通過具有某種控制規(guī)律的誤差補(bǔ)償器(Compensator)進(jìn)行放大后，其輸出進(jìn)入脈寬調(diào)制器(PWM)，經(jīng)過與載波(通常為鋸齒波或三角波)比較之后產(chǎn)生脈沖波，從而控制功率開關(guān)(通常為MOSFET)的導(dǎo)通與關(guān)斷。由于MOSFET具有較大的輸入門電容，因此驅(qū)動(dòng)器電路有必要有效率地導(dǎo)通和關(guān)斷它們。另有固定電阻電容網(wǎng)絡(luò)一般會(huì)作為補(bǔ)償回路，以確保動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性之間的正常平衡。

　　電源的兩個(gè)其它主要部分是輸入和輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)。這些部分由感應(yīng)器、電容和電阻構(gòu)成，可以提供數(shù)種功能。輸入濾波器有助于保護(hù)電源不受電源電壓瞬態(tài)的影響，在動(dòng)態(tài)負(fù)載變化過程中提供一些能量存儲(chǔ)，并附帶濾波器網(wǎng)絡(luò)以使電源滿足其輸入引起的發(fā)射規(guī)范。輸出濾波器穩(wěn)定輸出電壓以確保電源滿足其紋波和噪聲規(guī)范，此外還存儲(chǔ)能量以幫助維護(hù)負(fù)載電路的動(dòng)態(tài)電流要求。重要的是，對(duì)于模擬或數(shù)字控制結(jié)構(gòu)而言，輸入和輸出濾波器以及電源器件將基本上保持相同。

　　在典型的數(shù)字電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，輸出電壓感應(yīng)排列類似于模擬系統(tǒng)。但是，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)代替了模擬系統(tǒng)的誤差放大器，從而將感應(yīng)到的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。除了輸出電壓之外，了解電源的輸出電流和溫度等其它模擬參數(shù)也非常有用。雖然獨(dú)立的ADC可以感應(yīng)每個(gè)參數(shù)，但是采用單個(gè)ADC并在它前面加設(shè)一個(gè)多路復(fù)用路往往是更加常用的方法。多路復(fù)用器(MUX)則將在要測(cè)量的模擬輸入之間切換，并依次將每個(gè)輸入發(fā)送至ADC.

　　由于MUX和ADC的采樣速率是固定的，因此ADC對(duì)每個(gè)參數(shù)都輸出一系列數(shù)字，每個(gè)數(shù)字由己知的時(shí)間段分隔。這些值供給為系統(tǒng)提供處理能力的微控制器。卡上程序內(nèi)存存儲(chǔ)著微控制器的控制算法，這些算法負(fù)責(zé)執(zhí)行一系列有關(guān)ADC的輸出值的計(jì)算。這些計(jì)算的結(jié)果包括誤差信號(hào)、想要的驅(qū)動(dòng)器級(jí)脈寬、各種驅(qū)動(dòng)器輸出的最佳延遲值以及回路補(bǔ)償?shù)葏?shù)。有了這些參數(shù)，數(shù)字脈寬調(diào)制器(DPWM)就可以通過驅(qū)動(dòng)后控制外接的功率MOSFET，而電源管理部分也可以通過一定的接口及協(xié)議與外界通信了。模擬系統(tǒng)的外部回路補(bǔ)償元件此時(shí)變得不再是必需的。輸出電壓、輸出電流和溫度限制等參數(shù)的參考值在生產(chǎn)期間被保存在非易失性內(nèi)存中，或者可以通過PMBus輸入。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)由EEPROM下載到數(shù)據(jù)內(nèi)存中，主芯片據(jù)此控制模塊的工作狀態(tài)。同時(shí)，可以通過一定的外部操作來重新讀入EEPROM中的默認(rèn)設(shè)置。[1]

　　優(yōu)略勢(shì)

　　數(shù)字電源正是為了克服現(xiàn)代電源的復(fù)雜性而提出的，它實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬技術(shù)的融合，提供了很強(qiáng)的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)視、處理并適應(yīng)系統(tǒng)條件的能力，能夠滿足幾乎任何電源要求。數(shù)字電源還可通過遠(yuǎn)程診斷以確保持續(xù)的系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)故障管理、過電壓（流）保護(hù)、自動(dòng)冗余等功能。由于數(shù)字電源的集成度很高，系統(tǒng)的復(fù)雜性并不隨功能的增加而增加過多，外圍器件很少（數(shù)字電源的快速響應(yīng)能力還可以降低對(duì)輸出濾波電容的要求），減少了占板面積，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)制造流程。同時(shí)，數(shù)字電源的自動(dòng)診斷、調(diào)節(jié)的能力使調(diào)試和維護(hù)工作變得輕松。

　　數(shù)字電源管理芯片易于在多相以及同步信號(hào)下進(jìn)行多相式并聯(lián)應(yīng)用，可擴(kuò)展性與重復(fù)性優(yōu)秀，輕松實(shí)現(xiàn)負(fù)載均流，減少EMI，并簡(jiǎn)化濾波電路設(shè)計(jì)。數(shù)字控制的靈活性能把電源組合成串聯(lián)或并聯(lián)模型，形成虛擬電源。而且，數(shù)字電源的智能化可保證在各種輸入電壓和負(fù)載點(diǎn)上都具有最優(yōu)的功率轉(zhuǎn)換效率。

　　相對(duì)模擬控制技術(shù)，數(shù)字技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)還包括在線可編程能力、更先進(jìn)的控制算法、更好的效率優(yōu)化、更高的操作精確度和可靠性、優(yōu)秀的系統(tǒng)管理和互聯(lián)功能。數(shù)字電源不存在模擬電源中常見的誤差、老化（包括模擬器件的精度）、溫度影響、漂移、補(bǔ)償?shù)葐栴}，無須調(diào)諧、可靠性好，可以獲得一致、穩(wěn)定的控制參數(shù)。數(shù)字電源的運(yùn)算特性使它更易于實(shí)現(xiàn)非線性控制（可改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力）和多環(huán)路控制等高級(jí)控制算法；更新固件即可實(shí)現(xiàn)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法，更改電源參數(shù)也無須變更板卡上的元器件。

　　數(shù)字控制還能讓硬件平臺(tái)重復(fù)使用，通過設(shè)計(jì)不同固件即可滿足各種最終系統(tǒng)的獨(dú)特要求，從而加快產(chǎn)品上市，減少開發(fā)成本、元器件庫存與風(fēng)險(xiǎn)。

　　數(shù)字電源已經(jīng)表現(xiàn)出相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，但仍有一些缺點(diǎn)需要克服。例如，模擬控制對(duì)信號(hào)狀態(tài)的反應(yīng)是瞬時(shí)的，而數(shù)字電源需要一個(gè)采樣、量化和處理的過程來對(duì)負(fù)載的變化做出反饋，因此它對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)速度目前還比不上模擬電源。數(shù)字電源的占板面積要大于模擬電源，精度和效率也比模擬電源稍差。雖然數(shù)字控制方法的優(yōu)點(diǎn)在負(fù)載點(diǎn)（POL）系統(tǒng)中非常明顯，但模擬電源在分辨率、帶寬、與功率元件的電壓兼容性、功耗、開關(guān)頻率和成本（在簡(jiǎn)單應(yīng)用中）等方面仍然占有優(yōu)勢(shì)。不過，如果考慮到數(shù)字電源解決方案具有的優(yōu)點(diǎn)，使用模擬電路搭建功能相似的電路，成本并不一定就比數(shù)字電源低。

　　數(shù)字電源中包含的技術(shù)無疑是復(fù)雜的，但它的使用并不一定就復(fù)雜。不過它要求設(shè)計(jì)人員具有一定的程序設(shè)計(jì)能力，而目前的電源設(shè)計(jì)人員普遍都是模擬設(shè)計(jì)為主，缺乏編程方面的訓(xùn)練。這對(duì)數(shù)字電源的推廣也造成了一定的障礙。

　　人們對(duì)數(shù)字電源還有一個(gè)擔(dān)心就是它還不像模擬電源那樣經(jīng)過多年應(yīng)用的考驗(yàn)，因而可靠性不高。但就像數(shù)字電路在概念上就優(yōu)于模擬電路一樣，可靠性是設(shè)計(jì)的問題，而不是數(shù)字化的問題。

　　不過，成本顯然是約束數(shù)字電源廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要因素。由于數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式的成本看似高于相似的模擬實(shí)現(xiàn)方式，而且人們對(duì)于數(shù)字電源產(chǎn)品的采用存在顧慮，所以，從用戶的角度來說，也只有當(dāng)數(shù)字電源的成本等于或低于模擬電源（因?yàn)槌杀臼侵袊袌?chǎng)考慮的第一市場(chǎng)因素），同時(shí)又能提供模擬電源做不到的許多先進(jìn)功能的時(shí)候，數(shù)字電源才會(huì)被考慮。綜上所述，在簡(jiǎn)單易用、參數(shù)變更不多的應(yīng)用場(chǎng)合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對(duì)性可以通過硬件固化來實(shí)現(xiàn)。而在可控因素較多、需要更快實(shí)時(shí)反應(yīng)速度、需要管理多個(gè)電源、復(fù)雜的高性能系統(tǒng)應(yīng)用中，數(shù)字電源則具有優(yōu)勢(shì)。