數(shù)字電源

　　目前，數(shù)字電源有多種定義。

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

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

　　定義三：具有數(shù)字監(jiān)測功能的開關電源(它強調(diào)的是數(shù)字電源對溫度等參數(shù)的“監(jiān)測”功能)。

　　上述三種定義的共同特點是“模擬開關電源的改造升級”，所強調(diào)的是“電源控制”，其控制對象主要是開關電源的外特性。

　　定義四：以數(shù)字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動器、PWM控制器等作為控制對象，能實現(xiàn)控制、管理和監(jiān)測功能的電源產(chǎn)品。它是通過設定開關電源的內(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。

　　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。在簡單易用、參數(shù)變更要求不多的應用場合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應用的針對性可以通過硬件固化來實現(xiàn)，而在可控因素較多、實時反應速度更快、需要多個模擬系統(tǒng)電源管理的、復雜的高性能系統(tǒng)應用中，數(shù)字電源則具有優(yōu)勢。

　　此外，在復雜的多系統(tǒng)業(yè)務中，相對模擬電源，數(shù)字電源是通過軟件編程來實現(xiàn)多方面的應用，其具備的可擴展性與重復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)。通過實時過電流保護與管理，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雜的電源需求，而且實時反應速度更快、電源穩(wěn)壓性能更好。

　　基本原理

　　數(shù)字電源的關鍵是電源管理、控制信號的數(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)性和準確性。下面以負載點變換器(POL)為例說明數(shù)字電源控制功能的實現(xiàn)原理和方法。

　　負載點變換器(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)開關變換器的電路中，Buck變換器包含一個脈沖寬度調(diào)制(PWM)主控制芯片，一對主功率開關和一個由儲能電感和電容構成的低通濾波器。在脈沖寬度調(diào)制控制芯片中，一個電阻分壓器對電源的輸出電壓進行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與直流參考電壓進行比較從而產(chǎn)生電壓誤差信號，誤差信號是一個強度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號。通過具有某種控制規(guī)律的誤差補償器(Compensator)進行放大后，其輸出進入脈寬調(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(通常為MOSFET)的導通與關斷。由于MOSFET具有較大的輸入門電容，因此驅(qū)動器電路有必要有效率地導通和關斷它們。另有固定電阻電容網(wǎng)絡一般會作為補償回路，以確保動態(tài)響應和穩(wěn)定性之間的正常平衡。

　　電源的兩個其它主要部分是輸入和輸出濾波器網(wǎng)絡。這些部分由感應器、電容和電阻構成，可以提供數(shù)種功能。輸入濾波器有助于保護電源不受電源電壓瞬態(tài)的影響，在動態(tài)負載變化過程中提供一些能量存儲，并附帶濾波器網(wǎng)絡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，此外還存儲能量以幫助維護負載電路的動態(tài)電流要求。重要的是，對于模擬或數(shù)字控制結(jié)構而言，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)構中，輸出電壓感應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，從而將感應到的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成二進制數(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。雖然獨立的ADC可以感應每個參數(shù)，但是采用單個ADC并在它前面加設一個多路復用路往往是更加常用的方法。多路復用器(MUX)則將在要測量的模擬輸入之間切換，并依次將每個輸入發(fā)送至ADC.

　　由于MUX和ADC的采樣速率是固定的，因此ADC對每個參數(shù)都輸出一系列數(shù)字，每個數(shù)字由己知的時間段分隔。這些值供給為系統(tǒng)提供處理能力的微控制器?？ㄉ铣绦騼?nèi)存存儲著微控制器的控制算法，這些算法負責執(zhí)行一系列有關ADC的輸出值的計算。這些計算的結(jié)果包括誤差信號、想要的驅(qū)動器級脈寬、各種驅(qū)動器輸出的最佳延遲值以及回路補償?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)的外部回路補償元件此時變得不再是必需的。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)啟動時，數(shù)據(jù)會由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，可以通過一定的外部操作來重新讀入EEPROM中的默認設置。[1]

　　優(yōu)略勢

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

　　數(shù)字電源管理芯片易于在多相以及同步信號下進行多相式并聯(lián)應用，可擴展性與重復性優(yōu)秀，輕松實現(xiàn)負載均流，減少EMI，并簡化濾波電路設計。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載點上都具有最優(yōu)的功率轉(zhuǎn)換效率。

　　相對模擬控制技術，數(shù)字技術的獨特優(yōu)勢還包括在線可編程能力、更先進的控制算法、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)字電源的運算特性使它更易于實現(xiàn)非線性控制（可改善電源的瞬態(tài)響應能力）和多環(huán)路控制等高級控制算法；更新固件即可實現(xiàn)新的拓撲結(jié)構和控制算法，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重復使用，通過設計不同固件即可滿足各種最終系統(tǒng)的獨特要求，從而加快產(chǎn)品上市，減少開發(fā)成本、元器件庫存與風險。

　　數(shù)字電源已經(jīng)表現(xiàn)出相當多的優(yōu)點，但仍有一些缺點需要克服。例如，模擬控制對信號狀態(tài)的反應是瞬時的，而數(shù)字電源需要一個采樣、量化和處理的過程來對負載的變化做出反饋，因此它對負載變化的響應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)點在負載點（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、開關頻率和成本（在簡單應用中）等方面仍然占有優(yōu)勢。不過，如果考慮到數(shù)字電源解決方案具有的優(yōu)點，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無疑是復雜的，但它的使用并不一定就復雜。不過它要求設計人員具有一定的程序設計能力，而目前的電源設計人員普遍都是模擬設計為主，缺乏編程方面的訓練。這對數(shù)字電源的推廣也造成了一定的障礙。

　　人們對數(shù)字電源還有一個擔心就是它還不像模擬電源那樣經(jīng)過多年應用的考驗，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，可靠性是設計的問題，而不是數(shù)字化的問題。

　　不過，成本顯然是約束數(shù)字電源廣泛應用的一個主要因素。由于數(shù)字實現(xiàn)方式的成本看似高于相似的模擬實現(xiàn)方式，而且人們對于數(shù)字電源產(chǎn)品的采用存在顧慮，所以，從用戶的角度來說，也只有當數(shù)字電源的成本等于或低于模擬電源（因為成本是中國市場考慮的第一市場因素），同時又能提供模擬電源做不到的許多先進功能的時候，數(shù)字電源才會被考慮。綜上所述，在簡單易用、參數(shù)變更不多的應用場合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應用的針對性可以通過硬件固化來實現(xiàn)。而在可控因素較多、需要更快實時反應速度、需要管理多個電源、復雜的高性能系統(tǒng)應用中，數(shù)字電源則具有優(yōu)勢。