聯(lián)系我們
電 話：0532-83812497
郵 箱：info@sd1718.com
數(shù)字電源的特點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀
2014-12-23
隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷升級電路板上的元器件運(yùn)行速度更快、體積更小而且還要求更多、更低的供電電壓和更大的供電電流；最終系統(tǒng)的功能不斷增 加平均售價(jià)卻不斷下降。此外用戶對電源的故障修復(fù)時(shí)間、電源運(yùn)行狀態(tài)的感知與控制的要求越來越高電源設(shè)計(jì)人員不再滿足于實(shí)時(shí)監(jiān)控電流、電壓、溫度 還提出了診斷電源供應(yīng)情況、靈活設(shè)定每個(gè)輸出電壓參數(shù)的要求。這些需求已是今日的模擬解決方案難以滿足的。因此作為電源管理發(fā)展的新思路的數(shù)字電源應(yīng)運(yùn) 而生其目標(biāo)就是將電源轉(zhuǎn)換與電源管理架構(gòu)用數(shù)字方法集成到單芯片中實(shí)現(xiàn)智能、高效的轉(zhuǎn)換與控制及通信。
數(shù)字電源是采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)電源的控制、保護(hù)回路與通信接口的新型電源技術(shù)。可編程、響應(yīng)性和數(shù)字環(huán)路控制是表征數(shù)字電源的3個(gè)主要特征。
隨著電源系統(tǒng)的性能和功率的不斷提高實(shí)現(xiàn)電源性能指標(biāo)所必需的元件數(shù)量和成本也隨之增加越來越多的控制需要通過具有成本效益的數(shù)字電路 實(shí)現(xiàn)。一般認(rèn)為在設(shè)計(jì)DC/DC變換器時(shí)通常100W以上的系統(tǒng)中會應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)；而在設(shè)計(jì)AC/DC變換器時(shí)250W以上的系統(tǒng)會應(yīng)用數(shù)字技 術(shù)這樣電源的經(jīng)濟(jì)性會更高一些。因此在未來的電源系統(tǒng)中模擬與數(shù)字技術(shù)將共存相當(dāng)一段時(shí)間。30年前電源行業(yè)轉(zhuǎn)向開關(guān)電源是一個(gè)很大的變化而電 源數(shù)字化趨勢將會是一個(gè)更大的變化。
模擬電源的優(yōu)勢與不足
目前除了一些專門用于微處理器的轉(zhuǎn)換器之外市場上大多數(shù)磚形轉(zhuǎn)換器、中間總線轉(zhuǎn)換器及負(fù)載點(diǎn)POL轉(zhuǎn)換器仍采用模擬控制。這是因?yàn)樵S多模擬電源系統(tǒng)經(jīng)過了多年的檢驗(yàn)可靠性還是很高的。
可盡管模擬電源解決方案的成本、性能（如負(fù)載變化時(shí)的電源響應(yīng)時(shí)間）、占板面積等指標(biāo)都優(yōu)于當(dāng)前的數(shù)字電源解決方案但對開發(fā)人員來說它 完全是一種固定模式的黑盒應(yīng)用抑制了開發(fā)人員發(fā)揮創(chuàng)造力的激情。對電源進(jìn)行同步跟蹤、電壓排序、故障診斷及適應(yīng)環(huán)境變化的能力還是比較差的。
目前許多高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換器仍通過簡單的無源器件產(chǎn)生的模擬信號進(jìn)行設(shè)置和控制。即使是具有最先進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高性能轉(zhuǎn)換器也還需 要使用外部電阻、電容來確定諸如啟動時(shí)間、輸出點(diǎn)值及開關(guān)頻率等參數(shù)。這些電阻、電容的值都是設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí)確定的制造完成后不可輕易更改因此自適應(yīng)的電 源管理方案也就不可能實(shí)現(xiàn)。而且為實(shí)現(xiàn)更多功能就要設(shè)計(jì)更多的直接反饋電路所以模擬控制環(huán)路會變得非常復(fù)雜。
傳統(tǒng)的模擬控制架構(gòu)已經(jīng)使用多年但仍有不少缺陷。舉例來說模擬控制電路因?yàn)槭褂迷S多元器件而需要很大空間這些元器件本身的值還會隨使 用時(shí)間、溫度和其他環(huán)境條件的變化而變動從而對系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)能力造成負(fù)面影響。模擬控制的控制-響應(yīng)特性是由分立元器件的值決定的它總是面向一個(gè) 范圍狹窄的特定負(fù)載因此無法為所有電壓值或負(fù)載點(diǎn)提供最優(yōu)化的控制響應(yīng)。換句話說如果你需要一個(gè)可以在很多產(chǎn)品中重復(fù)使用而不必更換部件的設(shè)計(jì)平臺 則模擬方案難以勝任。除此之外模擬系統(tǒng)的測試和維修都非常困難。
數(shù)字電源的優(yōu)勢與不足
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)能力還可以降低對輸出濾波電容的要求）減少了占板面積 簡化了設(shè)計(jì)制造流程。同時(shí)數(shù)字電源的自動診斷、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。
相對模擬控制技術(shù)數(shù)字技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢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。例如模擬控制對信號狀態(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 的過程來對負(fù)載的變化做出反饋因此它對負(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（在簡單應(yīng)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(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(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)槌杀臼侵袊袌隹紤]的第一市場因素）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)字電源才會被考慮。
綜上所述在簡單易用、參數(shù)變更不多的應(yīng)用場合模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對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。
數(shù)字電源的實(shí)現(xiàn)與進(jìn)展
數(shù)字電源有幾種不同的含意實(shí)現(xiàn)方式也各不相同。
最簡單的是數(shù)字檢測包括監(jiān)視開關(guān)電源的狀態(tài)如溫度、輸入/出電流、輸入/出電壓、開關(guān)頻率（占空比）等并根據(jù)需求向主機(jī)報(bào)告。故障狀態(tài)信息甚至?xí)r間標(biāo)記等信息可以存儲在非易失性存儲器中并在將來某個(gè)時(shí)間上報(bào)這些信息。
第二個(gè)定義是在“數(shù)字檢測”的基礎(chǔ)上通過數(shù)字接口控制開關(guān)電源一般是通過I2C或類似的數(shù)字總線控制輸出電壓、 開關(guān)頻率、多通道電源的（上/下電）排序、上升斜率、跟蹤、（軟）啟動、裕度控制、故障保護(hù)等等。實(shí)際上目前市場上的很多電源管理集成電路都以這種方式 工作。
第三個(gè)定義是用數(shù)字電路徹底取代開關(guān)電源中的所有模擬電路這是真正的原生數(shù)字電源。只須編寫幾行簡單的代碼一個(gè)核心數(shù)字電源集成電路就 可以配置成升壓穩(wěn)壓器、降壓穩(wěn)壓器、負(fù)輸出、SEPIC、反激式或正激式轉(zhuǎn)換器這樣將使開關(guān)電源更容易設(shè)計(jì)、配置而且更穩(wěn)定。但要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)從目前看來是 相當(dāng)困難的因?yàn)閺奈锢矶缮蟻碚f電流是模擬信號即使用ADC和DSP取代誤差放大器和脈沖寬度調(diào)制器的數(shù)字開關(guān)電源也仍然需要電壓基準(zhǔn)、電流檢測電 路和FET驅(qū)動器這些組件目前只有模擬形式的產(chǎn)品。此外電感器、變壓器以及電容器等模擬元器件在實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源時(shí)也是不能沒有的。
傳統(tǒng)的模擬電源是以模擬控制環(huán)路為基礎(chǔ)的如果在模擬控制環(huán)路外添加模擬量采樣、量化電路并輔以通信電路即可構(gòu)成上面第一個(gè)定義中所指的帶數(shù)字檢測的比較初級的數(shù)字電源。
目前的數(shù)字電源大都是按照上面第二個(gè)定義（即數(shù)字控制+數(shù)字監(jiān)視）實(shí)現(xiàn)的電源內(nèi)部的模擬控制環(huán)路由數(shù)字控制環(huán)路替代。未來是屬于數(shù)字電源 的但數(shù)字化是個(gè)漸進(jìn)的過程其發(fā)展很可能由同時(shí)使用模擬和數(shù)字技術(shù)的混合系統(tǒng)開始進(jìn)而演進(jìn)到全數(shù)字實(shí)現(xiàn)。以前數(shù)字化是以采用高成本的復(fù)雜多芯片電路 方案為代價(jià)的。例如，水下超聲波測厚儀一個(gè)具有電壓、電流監(jiān)視及控制能力的應(yīng)用可能需要很多集成電路如高穩(wěn)定度基準(zhǔn)源、高精度多通道ADC、DAC和專用微控制器此外 還需要不小的軟件開發(fā)工作量。如果再考慮成本、復(fù)雜性、線路板空間限制和嚴(yán)苛的產(chǎn)品上市時(shí)間要求以數(shù)字方式管理電源的確需要人們付出不菲的代價(jià)。
最近出現(xiàn)的數(shù)字電源產(chǎn)品的集成度和易用性已經(jīng)達(dá)到一個(gè)更高的高度。包括傳統(tǒng)的模擬電源廠商和新興的數(shù)字電源芯片設(shè)計(jì)廠商在內(nèi)的大部分廠商都 在著手解決純粹的電源轉(zhuǎn)換以外的問題包括添加監(jiān)測功能提供可與系統(tǒng)通信的數(shù)字接口以及建立數(shù)字控制反饋環(huán)路即在模擬變換器外面使用“ 數(shù)字外殼”。常見的方案有兩種：（1）單芯片控制器方案。通過外接A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行取樣取樣后對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，再把結(jié)果通過 D/A轉(zhuǎn)換后傳送到PWM芯片從而實(shí)現(xiàn)單芯片控制器對開關(guān)電源的控制。這種方案的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟設(shè)計(jì)方法容易掌握而且對單芯片控制器的要求不 高成本比較低。但是整套電路用到多個(gè)芯片電路比較復(fù)雜；且經(jīng)過A/D和D/A轉(zhuǎn)換等步驟會造成比較大的信號延遲進(jìn)而影響電源的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精 度。有些單芯片控制器整合了PWM輸出但一般單芯片控制器的運(yùn)行頻率有限無法產(chǎn)生足夠高的頻率和精度的PWM輸出信號。（2）通過高性能數(shù)字芯片（如 DSP或MCU）對電源實(shí)現(xiàn)直接控制的方案。數(shù)字芯片完成信號采樣、處理和PWM輸出等工作。由于數(shù)字PWM輸出的信號功率不足以驅(qū)動開關(guān)管一般還需通 過一個(gè)驅(qū)動芯片驅(qū)動開關(guān)管即數(shù)字控制器與功率級之間的接口由MOSFET驅(qū)動器提供。由于這些數(shù)字芯片有較高的取樣速度（DSP片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器完成一 次A/D轉(zhuǎn)換只需數(shù)百納秒相較之下一般8位MCU控制器要數(shù)微秒之久）和指令周期輸出的PWM信號的分辨率僅數(shù)百皮秒過流檢測和關(guān)閉電源僅須數(shù)十 納秒可以快速有效的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法使設(shè)計(jì)具備較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。此外在微處理器的支持下添加RS232/485、USB、以太網(wǎng)等 擴(kuò)展通信手段也非常方便。數(shù)字控制的電源產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)大部分?jǐn)?shù)字電源的功能需求但如果不添加一些額外部件還實(shí)現(xiàn)不了全部功能需求。
這種“數(shù)字外殼”的架構(gòu)存在以下問題：為了保證電源有較高的穩(wěn)壓精度A/D轉(zhuǎn)換器必需要有較高精度的取樣但高 精度的取樣頻率需要更長的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間造成回路的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力變差。而且高速的采樣和運(yùn)算將產(chǎn)生巨大的運(yùn)算量能達(dá)到實(shí)時(shí)要求的核心處理器還是很少 的。雖然在要求比較高的場合一般都會用DSP芯片其運(yùn)算和取樣速度快功能強(qiáng)大但DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本比較高；而且DSP控制技術(shù)較難掌握對設(shè) 計(jì)者要求比較高。通用DSP芯片不是專門作為電源控制芯片使用的一般的電源應(yīng)用對通用DSP芯片資源的利用率不高。不過目前以DSP為主要處理單元的數(shù) 字電源芯片廠商如TI、Freescale等公司都在優(yōu)化其作為數(shù)字電源核心的DSP的結(jié)構(gòu)同時(shí)努力降低成本并改善開發(fā)手段（提供評估板、IP模塊 等）以幫助開發(fā)人員輕松地如期完成開發(fā)。除了DSP的方案有的廠商提供基于MCU（如Silicon Labs公司）或狀態(tài)機(jī)（如Zilker公司）的方案。MCU長于控制而狀態(tài)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是低功耗。鑒于DSP和MCU兩種方案各有長處現(xiàn)在有的廠商（如 SiliconLabs公司、Microchip公司）開始將硬件DSP和輔助MCU同時(shí)集成入芯片中使系統(tǒng)性能最優(yōu)效率已經(jīng)可以與模擬電源相媲美。
軟件設(shè)計(jì)對數(shù)字電源設(shè)計(jì)人員而言是另一個(gè)挑戰(zhàn)。為降低數(shù)字電源的設(shè)計(jì)門檻很多半導(dǎo)體廠商推出了不需要軟件編程或者支持圖形用戶接口 （GUI）的數(shù)字電源解決方案設(shè)計(jì)人員通過GUI界面就能設(shè)定電源特性參數(shù)而不需要任何編程技能。此外還可根據(jù)具體系統(tǒng)的情況設(shè)定每個(gè)輸出電壓的 跟蹤、升壓時(shí)間和延時(shí)等。有的數(shù)字電源管理芯片允許設(shè)計(jì)人員通過芯片管腳配置電源特性參數(shù)。許多數(shù)字電源芯片允許在系統(tǒng)運(yùn)行中通過電源管理總線 （PMBus）來實(shí)時(shí)更改電源輸出特性。系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)通常是在專用的集成開發(fā)環(huán)境IDE中進(jìn)行例如TI的面向DSP的CCS、Silicon Labs的基于MCS51的IDE等。
目前數(shù)字電源芯片的集成度已經(jīng)達(dá)到較高的水平適合復(fù)雜系統(tǒng)如服務(wù)器、通信設(shè)備等使用。芯片中集成數(shù)個(gè)同步控制器和自適應(yīng)驅(qū)動器有的集成了MOSFET或功率驅(qū)動模塊、LDO、電荷泵及電源管理（包括熱管理）功能。其他有特色的特性還包括可編程中斷輸出、看門狗等。
先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝在數(shù)字電源芯片上也得以利用其中數(shù)字電路應(yīng)用0.18～0.25μm VLSI工藝；模數(shù)混合電路應(yīng)用高壓BiCMOS工藝還比較常見。有的廠商借鑒大功率芯片的成功設(shè)計(jì)在數(shù)字電源芯片上采用先進(jìn)的封裝技術(shù)使芯片可在工 業(yè)級的溫度范圍內(nèi)可靠工作。
PMBus
電源管理總線（PMBus）通信協(xié)議規(guī)范定義了一個(gè)用在功率轉(zhuǎn)換器件和管理器件之間的數(shù)字通信協(xié)議（包括接口和命令）。該規(guī)范對于數(shù)字電源 產(chǎn)品的推廣有著非常重要的意義意味著數(shù)字電源產(chǎn)品的接口完成了標(biāo)準(zhǔn)化。借助PMBus數(shù)字電源可以依據(jù)一套標(biāo)準(zhǔn)命令進(jìn)行配置、監(jiān)控和維護(hù)（設(shè)置電源的 工作參數(shù)并監(jiān)控其工作而且能夠在故障發(fā)生時(shí)采取應(yīng)對措施）還能使多個(gè)數(shù)字電源產(chǎn)品協(xié)同工作。
PMBus規(guī)范的傳輸層基于低成本SMBus（系統(tǒng)管理總線）的1.1版本這是個(gè)功能更為強(qiáng)健的基于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)I2C串行總線的版本具有分組錯(cuò)誤檢查和主機(jī)通知功能。
PMBus規(guī)范定義了2個(gè)必需信號和3個(gè)可選信號：必需信號為時(shí)鐘信號（SCL）和數(shù)據(jù)信號（SDA）可選信號為SMBALERT#、 CONTROL和WP。SMBALERT#由任何需要獲得PMBus主控器支持的從屬設(shè)備發(fā)起。當(dāng)SMBALERT#有效時(shí)主控器在PMBus上發(fā)送告 警（alert）響應(yīng)地址然后每個(gè)發(fā)信號（alerting）的器件將其器件地址放在SDA上。一旦器件成功地將其地址加入總線它就會釋放 SMBALERT#線。SMBALERT#信號可以使從屬設(shè)備（如負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器）中斷系統(tǒng)主機(jī)或總線的控制這就使設(shè)計(jì)人員能夠更容易地實(shí)現(xiàn)基于事件驅(qū)動 的閉環(huán)控制方案。CONTROL信號用于啟動和關(guān)閉單個(gè)從屬設(shè)備。WP信號可用于防止意外更改存儲器中的數(shù)據(jù)。此外PMBus協(xié)議規(guī)定所有從屬設(shè)備必須 將其默認(rèn)的配置數(shù)據(jù)保存在永久性存儲器內(nèi)或使用針腳編程這樣它們在上電時(shí)無須與總線通信。
除采用SMBus傳輸層之外PMBus規(guī)范還增加了用于電源設(shè)計(jì)的控制語言。PMBus的通信是按照一個(gè)連續(xù)的字節(jié)流進(jìn)行的。每個(gè)字節(jié)流 包含一個(gè)地址字節(jié)一個(gè)命令字節(jié)若干個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)以及一個(gè)可選的包錯(cuò)誤碼（PEC）字節(jié)。主機(jī)使用單獨(dú)的“開始”和 “停止”信號來表明一個(gè)通信過程的開始和結(jié)束。而從屬設(shè)備則使用單獨(dú)的位來確認(rèn)收到的每個(gè)字節(jié)。為了減少響應(yīng)時(shí)間及處理器開銷 從屬設(shè)備在收到“停止”信號時(shí)立即處理并執(zhí)行命令。
結(jié)語
毫無疑問隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展和市場需求的驅(qū)動電源領(lǐng)域里數(shù)字電源的優(yōu)勢將會越來越明顯但從模擬電源到數(shù)字電源的完全轉(zhuǎn)換還需要很 長時(shí)間因此模擬和數(shù)字控制技術(shù)將在未來數(shù)年內(nèi)共存。數(shù)字電源技術(shù)為電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域注入了新的活力同時(shí)也對電源設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。如何在傳統(tǒng)技術(shù) 的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新進(jìn)而設(shè)計(jì)出滿足未來市場需求的電源系統(tǒng)將成為電源設(shè)計(jì)人員必須面對的新課題。
數(shù)字電源是采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)電源的控制、保護(hù)回路與通信接口的新型電源技術(shù)。可編程、響應(yīng)性和數(shù)字環(huán)路控制是表征數(shù)字電源的3個(gè)主要特征。
隨著電源系統(tǒng)的性能和功率的不斷提高實(shí)現(xiàn)電源性能指標(biāo)所必需的元件數(shù)量和成本也隨之增加越來越多的控制需要通過具有成本效益的數(shù)字電路 實(shí)現(xiàn)。一般認(rèn)為在設(shè)計(jì)DC/DC變換器時(shí)通常100W以上的系統(tǒng)中會應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)；而在設(shè)計(jì)AC/DC變換器時(shí)250W以上的系統(tǒng)會應(yīng)用數(shù)字技 術(shù)這樣電源的經(jīng)濟(jì)性會更高一些。因此在未來的電源系統(tǒng)中模擬與數(shù)字技術(shù)將共存相當(dāng)一段時(shí)間。30年前電源行業(yè)轉(zhuǎn)向開關(guān)電源是一個(gè)很大的變化而電 源數(shù)字化趨勢將會是一個(gè)更大的變化。
模擬電源的優(yōu)勢與不足
目前除了一些專門用于微處理器的轉(zhuǎn)換器之外市場上大多數(shù)磚形轉(zhuǎn)換器、中間總線轉(zhuǎn)換器及負(fù)載點(diǎn)POL轉(zhuǎn)換器仍采用模擬控制。這是因?yàn)樵S多模擬電源系統(tǒng)經(jīng)過了多年的檢驗(yàn)可靠性還是很高的。
可盡管模擬電源解決方案的成本、性能（如負(fù)載變化時(shí)的電源響應(yīng)時(shí)間）、占板面積等指標(biāo)都優(yōu)于當(dāng)前的數(shù)字電源解決方案但對開發(fā)人員來說它 完全是一種固定模式的黑盒應(yīng)用抑制了開發(fā)人員發(fā)揮創(chuàng)造力的激情。對電源進(jìn)行同步跟蹤、電壓排序、故障診斷及適應(yīng)環(huán)境變化的能力還是比較差的。
目前許多高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換器仍通過簡單的無源器件產(chǎn)生的模擬信號進(jìn)行設(shè)置和控制。即使是具有最先進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高性能轉(zhuǎn)換器也還需 要使用外部電阻、電容來確定諸如啟動時(shí)間、輸出點(diǎn)值及開關(guān)頻率等參數(shù)。這些電阻、電容的值都是設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí)確定的制造完成后不可輕易更改因此自適應(yīng)的電 源管理方案也就不可能實(shí)現(xiàn)。而且為實(shí)現(xiàn)更多功能就要設(shè)計(jì)更多的直接反饋電路所以模擬控制環(huán)路會變得非常復(fù)雜。
傳統(tǒng)的模擬控制架構(gòu)已經(jīng)使用多年但仍有不少缺陷。舉例來說模擬控制電路因?yàn)槭褂迷S多元器件而需要很大空間這些元器件本身的值還會隨使 用時(shí)間、溫度和其他環(huán)境條件的變化而變動從而對系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)能力造成負(fù)面影響。模擬控制的控制-響應(yīng)特性是由分立元器件的值決定的它總是面向一個(gè) 范圍狹窄的特定負(fù)載因此無法為所有電壓值或負(fù)載點(diǎn)提供最優(yōu)化的控制響應(yīng)。換句話說如果你需要一個(gè)可以在很多產(chǎn)品中重復(fù)使用而不必更換部件的設(shè)計(jì)平臺 則模擬方案難以勝任。除此之外模擬系統(tǒng)的測試和維修都非常困難。
數(shù)字電源的優(yōu)勢與不足
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)能力還可以降低對輸出濾波電容的要求）減少了占板面積 簡化了設(shè)計(jì)制造流程。同時(shí)數(shù)字電源的自動診斷、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。
相對模擬控制技術(shù)數(shù)字技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢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。例如模擬控制對信號狀態(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 的過程來對負(fù)載的變化做出反饋因此它對負(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（在簡單應(yīng)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(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(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)槌杀臼侵袊袌隹紤]的第一市場因素）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)字電源才會被考慮。
綜上所述在簡單易用、參數(shù)變更不多的應(yīng)用場合模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對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。
數(shù)字電源的實(shí)現(xiàn)與進(jìn)展
數(shù)字電源有幾種不同的含意實(shí)現(xiàn)方式也各不相同。
最簡單的是數(shù)字檢測包括監(jiān)視開關(guān)電源的狀態(tài)如溫度、輸入/出電流、輸入/出電壓、開關(guān)頻率（占空比）等并根據(jù)需求向主機(jī)報(bào)告。故障狀態(tài)信息甚至?xí)r間標(biāo)記等信息可以存儲在非易失性存儲器中并在將來某個(gè)時(shí)間上報(bào)這些信息。
第二個(gè)定義是在“數(shù)字檢測”的基礎(chǔ)上通過數(shù)字接口控制開關(guān)電源一般是通過I2C或類似的數(shù)字總線控制輸出電壓、 開關(guān)頻率、多通道電源的（上/下電）排序、上升斜率、跟蹤、（軟）啟動、裕度控制、故障保護(hù)等等。實(shí)際上目前市場上的很多電源管理集成電路都以這種方式 工作。
第三個(gè)定義是用數(shù)字電路徹底取代開關(guān)電源中的所有模擬電路這是真正的原生數(shù)字電源。只須編寫幾行簡單的代碼一個(gè)核心數(shù)字電源集成電路就 可以配置成升壓穩(wěn)壓器、降壓穩(wěn)壓器、負(fù)輸出、SEPIC、反激式或正激式轉(zhuǎn)換器這樣將使開關(guān)電源更容易設(shè)計(jì)、配置而且更穩(wěn)定。但要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)從目前看來是 相當(dāng)困難的因?yàn)閺奈锢矶缮蟻碚f電流是模擬信號即使用ADC和DSP取代誤差放大器和脈沖寬度調(diào)制器的數(shù)字開關(guān)電源也仍然需要電壓基準(zhǔn)、電流檢測電 路和FET驅(qū)動器這些組件目前只有模擬形式的產(chǎn)品。此外電感器、變壓器以及電容器等模擬元器件在實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源時(shí)也是不能沒有的。
傳統(tǒng)的模擬電源是以模擬控制環(huán)路為基礎(chǔ)的如果在模擬控制環(huán)路外添加模擬量采樣、量化電路并輔以通信電路即可構(gòu)成上面第一個(gè)定義中所指的帶數(shù)字檢測的比較初級的數(shù)字電源。
目前的數(shù)字電源大都是按照上面第二個(gè)定義（即數(shù)字控制+數(shù)字監(jiān)視）實(shí)現(xiàn)的電源內(nèi)部的模擬控制環(huán)路由數(shù)字控制環(huán)路替代。未來是屬于數(shù)字電源 的但數(shù)字化是個(gè)漸進(jìn)的過程其發(fā)展很可能由同時(shí)使用模擬和數(shù)字技術(shù)的混合系統(tǒng)開始進(jìn)而演進(jìn)到全數(shù)字實(shí)現(xiàn)。以前數(shù)字化是以采用高成本的復(fù)雜多芯片電路 方案為代價(jià)的。例如，水下超聲波測厚儀一個(gè)具有電壓、電流監(jiān)視及控制能力的應(yīng)用可能需要很多集成電路如高穩(wěn)定度基準(zhǔn)源、高精度多通道ADC、DAC和專用微控制器此外 還需要不小的軟件開發(fā)工作量。如果再考慮成本、復(fù)雜性、線路板空間限制和嚴(yán)苛的產(chǎn)品上市時(shí)間要求以數(shù)字方式管理電源的確需要人們付出不菲的代價(jià)。
最近出現(xiàn)的數(shù)字電源產(chǎn)品的集成度和易用性已經(jīng)達(dá)到一個(gè)更高的高度。包括傳統(tǒng)的模擬電源廠商和新興的數(shù)字電源芯片設(shè)計(jì)廠商在內(nèi)的大部分廠商都 在著手解決純粹的電源轉(zhuǎn)換以外的問題包括添加監(jiān)測功能提供可與系統(tǒng)通信的數(shù)字接口以及建立數(shù)字控制反饋環(huán)路即在模擬變換器外面使用“ 數(shù)字外殼”。常見的方案有兩種：（1）單芯片控制器方案。通過外接A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行取樣取樣后對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，再把結(jié)果通過 D/A轉(zhuǎn)換后傳送到PWM芯片從而實(shí)現(xiàn)單芯片控制器對開關(guān)電源的控制。這種方案的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟設(shè)計(jì)方法容易掌握而且對單芯片控制器的要求不 高成本比較低。但是整套電路用到多個(gè)芯片電路比較復(fù)雜；且經(jīng)過A/D和D/A轉(zhuǎn)換等步驟會造成比較大的信號延遲進(jìn)而影響電源的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精 度。有些單芯片控制器整合了PWM輸出但一般單芯片控制器的運(yùn)行頻率有限無法產(chǎn)生足夠高的頻率和精度的PWM輸出信號。（2）通過高性能數(shù)字芯片（如 DSP或MCU）對電源實(shí)現(xiàn)直接控制的方案。數(shù)字芯片完成信號采樣、處理和PWM輸出等工作。由于數(shù)字PWM輸出的信號功率不足以驅(qū)動開關(guān)管一般還需通 過一個(gè)驅(qū)動芯片驅(qū)動開關(guān)管即數(shù)字控制器與功率級之間的接口由MOSFET驅(qū)動器提供。由于這些數(shù)字芯片有較高的取樣速度（DSP片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器完成一 次A/D轉(zhuǎn)換只需數(shù)百納秒相較之下一般8位MCU控制器要數(shù)微秒之久）和指令周期輸出的PWM信號的分辨率僅數(shù)百皮秒過流檢測和關(guān)閉電源僅須數(shù)十 納秒可以快速有效的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法使設(shè)計(jì)具備較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。此外在微處理器的支持下添加RS232/485、USB、以太網(wǎng)等 擴(kuò)展通信手段也非常方便。數(shù)字控制的電源產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)大部分?jǐn)?shù)字電源的功能需求但如果不添加一些額外部件還實(shí)現(xiàn)不了全部功能需求。
這種“數(shù)字外殼”的架構(gòu)存在以下問題：為了保證電源有較高的穩(wěn)壓精度A/D轉(zhuǎn)換器必需要有較高精度的取樣但高 精度的取樣頻率需要更長的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間造成回路的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力變差。而且高速的采樣和運(yùn)算將產(chǎn)生巨大的運(yùn)算量能達(dá)到實(shí)時(shí)要求的核心處理器還是很少 的。雖然在要求比較高的場合一般都會用DSP芯片其運(yùn)算和取樣速度快功能強(qiáng)大但DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本比較高；而且DSP控制技術(shù)較難掌握對設(shè) 計(jì)者要求比較高。通用DSP芯片不是專門作為電源控制芯片使用的一般的電源應(yīng)用對通用DSP芯片資源的利用率不高。不過目前以DSP為主要處理單元的數(shù) 字電源芯片廠商如TI、Freescale等公司都在優(yōu)化其作為數(shù)字電源核心的DSP的結(jié)構(gòu)同時(shí)努力降低成本并改善開發(fā)手段（提供評估板、IP模塊 等）以幫助開發(fā)人員輕松地如期完成開發(fā)。除了DSP的方案有的廠商提供基于MCU（如Silicon Labs公司）或狀態(tài)機(jī)（如Zilker公司）的方案。MCU長于控制而狀態(tài)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是低功耗。鑒于DSP和MCU兩種方案各有長處現(xiàn)在有的廠商（如 SiliconLabs公司、Microchip公司）開始將硬件DSP和輔助MCU同時(shí)集成入芯片中使系統(tǒng)性能最優(yōu)效率已經(jīng)可以與模擬電源相媲美。
軟件設(shè)計(jì)對數(shù)字電源設(shè)計(jì)人員而言是另一個(gè)挑戰(zhàn)。為降低數(shù)字電源的設(shè)計(jì)門檻很多半導(dǎo)體廠商推出了不需要軟件編程或者支持圖形用戶接口 （GUI）的數(shù)字電源解決方案設(shè)計(jì)人員通過GUI界面就能設(shè)定電源特性參數(shù)而不需要任何編程技能。此外還可根據(jù)具體系統(tǒng)的情況設(shè)定每個(gè)輸出電壓的 跟蹤、升壓時(shí)間和延時(shí)等。有的數(shù)字電源管理芯片允許設(shè)計(jì)人員通過芯片管腳配置電源特性參數(shù)。許多數(shù)字電源芯片允許在系統(tǒng)運(yùn)行中通過電源管理總線 （PMBus）來實(shí)時(shí)更改電源輸出特性。系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)通常是在專用的集成開發(fā)環(huán)境IDE中進(jìn)行例如TI的面向DSP的CCS、Silicon Labs的基于MCS51的IDE等。
目前數(shù)字電源芯片的集成度已經(jīng)達(dá)到較高的水平適合復(fù)雜系統(tǒng)如服務(wù)器、通信設(shè)備等使用。芯片中集成數(shù)個(gè)同步控制器和自適應(yīng)驅(qū)動器有的集成了MOSFET或功率驅(qū)動模塊、LDO、電荷泵及電源管理（包括熱管理）功能。其他有特色的特性還包括可編程中斷輸出、看門狗等。
先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝在數(shù)字電源芯片上也得以利用其中數(shù)字電路應(yīng)用0.18～0.25μm VLSI工藝；模數(shù)混合電路應(yīng)用高壓BiCMOS工藝還比較常見。有的廠商借鑒大功率芯片的成功設(shè)計(jì)在數(shù)字電源芯片上采用先進(jìn)的封裝技術(shù)使芯片可在工 業(yè)級的溫度范圍內(nèi)可靠工作。
PMBus
電源管理總線（PMBus）通信協(xié)議規(guī)范定義了一個(gè)用在功率轉(zhuǎn)換器件和管理器件之間的數(shù)字通信協(xié)議（包括接口和命令）。該規(guī)范對于數(shù)字電源 產(chǎn)品的推廣有著非常重要的意義意味著數(shù)字電源產(chǎn)品的接口完成了標(biāo)準(zhǔn)化。借助PMBus數(shù)字電源可以依據(jù)一套標(biāo)準(zhǔn)命令進(jìn)行配置、監(jiān)控和維護(hù)（設(shè)置電源的 工作參數(shù)并監(jiān)控其工作而且能夠在故障發(fā)生時(shí)采取應(yīng)對措施）還能使多個(gè)數(shù)字電源產(chǎn)品協(xié)同工作。
PMBus規(guī)范的傳輸層基于低成本SMBus（系統(tǒng)管理總線）的1.1版本這是個(gè)功能更為強(qiáng)健的基于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)I2C串行總線的版本具有分組錯(cuò)誤檢查和主機(jī)通知功能。
PMBus規(guī)范定義了2個(gè)必需信號和3個(gè)可選信號：必需信號為時(shí)鐘信號（SCL）和數(shù)據(jù)信號（SDA）可選信號為SMBALERT#、 CONTROL和WP。SMBALERT#由任何需要獲得PMBus主控器支持的從屬設(shè)備發(fā)起。當(dāng)SMBALERT#有效時(shí)主控器在PMBus上發(fā)送告 警（alert）響應(yīng)地址然后每個(gè)發(fā)信號（alerting）的器件將其器件地址放在SDA上。一旦器件成功地將其地址加入總線它就會釋放 SMBALERT#線。SMBALERT#信號可以使從屬設(shè)備（如負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器）中斷系統(tǒng)主機(jī)或總線的控制這就使設(shè)計(jì)人員能夠更容易地實(shí)現(xiàn)基于事件驅(qū)動 的閉環(huán)控制方案。CONTROL信號用于啟動和關(guān)閉單個(gè)從屬設(shè)備。WP信號可用于防止意外更改存儲器中的數(shù)據(jù)。此外PMBus協(xié)議規(guī)定所有從屬設(shè)備必須 將其默認(rèn)的配置數(shù)據(jù)保存在永久性存儲器內(nèi)或使用針腳編程這樣它們在上電時(shí)無須與總線通信。
除采用SMBus傳輸層之外PMBus規(guī)范還增加了用于電源設(shè)計(jì)的控制語言。PMBus的通信是按照一個(gè)連續(xù)的字節(jié)流進(jìn)行的。每個(gè)字節(jié)流 包含一個(gè)地址字節(jié)一個(gè)命令字節(jié)若干個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)以及一個(gè)可選的包錯(cuò)誤碼（PEC）字節(jié)。主機(jī)使用單獨(dú)的“開始”和 “停止”信號來表明一個(gè)通信過程的開始和結(jié)束。而從屬設(shè)備則使用單獨(dú)的位來確認(rèn)收到的每個(gè)字節(jié)。為了減少響應(yīng)時(shí)間及處理器開銷 從屬設(shè)備在收到“停止”信號時(shí)立即處理并執(zhí)行命令。
結(jié)語
毫無疑問隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展和市場需求的驅(qū)動電源領(lǐng)域里數(shù)字電源的優(yōu)勢將會越來越明顯但從模擬電源到數(shù)字電源的完全轉(zhuǎn)換還需要很 長時(shí)間因此模擬和數(shù)字控制技術(shù)將在未來數(shù)年內(nèi)共存。數(shù)字電源技術(shù)為電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域注入了新的活力同時(shí)也對電源設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。如何在傳統(tǒng)技術(shù) 的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新進(jìn)而設(shè)計(jì)出滿足未來市場需求的電源系統(tǒng)將成為電源設(shè)計(jì)人員必須面對的新課題。
上一篇：防塵防水等級對照表