隨著(zhù)半導體工藝技術(shù)的不斷升級電路板上的元器件運行速度更快、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；最終系統的功能不斷增 加平均售價(jià)卻不斷下降。此外用戶(hù)對電源的故障修復時(shí)間、電源運行狀態(tài)的感知與控制的要求越來(lái)越高電源設計人員不再滿(mǎn)足于實(shí)時(shí)監控電流、電壓、溫度 還提出了診斷電源供應情況、靈活設定每個(gè)輸出電壓參數的要求。這些需求已是今日的模擬解決方案難以滿(mǎn)足的。因此作為電源管理發(fā)展的新思路的數字電源應運 而生其目標就是將電源轉換與電源管理架構用數字方法集成到單芯片中實(shí)現智能、高效的轉換與控制及通信。
數字電源是采用數字方式實(shí)現電源的控制、保護回路與通信接口的新型電源技術(shù)。可編程、響應性和數字環(huán)路控制是表征數字電源的3個(gè)主要特征。
隨著(zhù)電源系統的性能和功率的不斷提高實(shí)現電源性能指標所必需的元件數量和成本也隨之增加越來(lái)越多的控制需要通過(guò)具有成本效益的數字電路 實(shí)現。一般認為在設計DC/DC變換器時(shí)通常100W以上的系統中會(huì )應用數字控制技術(shù)；而在設計AC/DC變換器時(shí)250W以上的系統會(huì )應用數字技 術(shù)這樣電源的經(jīng)濟性會(huì )更高一些。因此在未來(lái)的電源系統中模擬與數字技術(shù)將共存相當一段時(shí)間。30年前電源行業(yè)轉向開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)很大的變化而電 源數字化趨勢將會(huì )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(zhuān)門(mén)用于微處理器的轉換器之外市場(chǎng)上大多數磚形轉換器、中間總線(xiàn)轉換器及負載點(diǎn)POL轉換器仍采用模擬控制。這是因為許多模擬電源系統經(jīng)過(guò)了多年的檢驗可靠性還是很高的。
可盡管模擬電源解決方案的成本、性能（如負載變化時(shí)的電源響應時(shí)間）、占板面積等指標都優(yōu)于當前的數字電源解決方案，時(shí)代布氏硬度計但對開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)它 完全是一種固定模式的黑盒應用抑制了開(kāi)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轉換器仍通過(guò)簡(jiǎn)單的無(wú)源器件產(chǎn)生的模擬信號進(jìn)行設置和控制。即使是具有最先進(jìn)拓撲結構的高性能轉換器也還需 要使用外部電阻、電容來(lái)確定諸如啟動(dòng)時(shí)間、輸出點(diǎn)值及開(kāi)關(guān)頻率等參數。這些電阻、電容的值都是設計調試時(shí)確定的制造完成后不可輕易更改因此自適應的電 源管理方案也就不可能實(shí)現。而且為實(shí)現更多功能就要設計更多的直接反饋電路所以模擬控制環(huán)路會(huì )變得非常復雜。
傳統的模擬控制架構已經(jīng)使用多年但仍有不少缺陷。舉例來(lái)說(shuō)模擬控制電路因為使用許多元器件而需要很大空間這些元器件本身的值還會(huì )隨使 用時(shí)間、溫度和其他環(huán)境條件的變化而變動(dòng)從而對系統穩定性和響應能力造成負面影響。模擬控制的控制-響應特性是由分立元器件的值決定的它總是面向一個(gè) 范圍狹窄的特定負載因此無(wú)法為所有電壓值或負載點(diǎn)提供最優(yōu)化的控制響應。換句話(huà)說(shuō)如果你需要一個(gè)可以在很多產(chǎn)品中重復使用而不必更換部件的設計平臺 則模擬方案難以勝任。除此之外模擬系統的測試和維修都非常困難。
數字電源的優(yōu)勢與不足
數字電源正是為了克服現代電源的復雜性而提出的它實(shí)現了數字和模擬技術(shù)的融合提供了很強的適應性與靈活性具備直接監視、處理并適應系 統條件的能力能夠滿(mǎn)足幾乎任何電源要求。數字電源還可通過(guò)遠程診斷以確保持續的系統可靠性實(shí)現故障管理、過(guò)電壓（流）保護、自動(dòng)冗余等功能。由于數字 電源的集成度很高系統的復雜性并不隨功能的增加而增加過(guò)多外圍器件很少（數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(jiǎn)化了設計制造流程。同時(shí)數字電源的自動(dòng)診斷、調節的能力使調試和維護工作變得輕松。
數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)應用可擴展性與重復性?xún)?yōu)秀輕松實(shí)現負載均流減少EMI，并簡(jiǎn)化濾波電路設 計。數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。而且數字電源的智能化可保證在各種輸入電壓和負載點(diǎn)上都具有最優(yōu)的功率轉換效率。
相對模擬控制技術(shù)數字技術(shù)的獨特優(yōu)勢還包括在線(xiàn)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)秀的系統管 理和互聯(lián)功能。數字電源不存在模擬電源中常見(jiàn)的誤差、老化（包括模擬器件的精度）、溫度影響、漂移、補償等問(wèn)題無(wú)須調諧、可靠性好可以獲得一致、穩定 的控制參數。數字電源的運算特性使它更易于實(shí)現非線(xiàn)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(shí)現新的拓撲結構和控制 算法更改電源參數也無(wú)須變更板卡上的元器件。
數字控制還能讓硬件平臺重復使用通過(guò)設計不同固件即可滿(mǎn)足各種最終系統的獨特要求從而加快產(chǎn)品上市減少開(kāi)發(fā)成本、元器件庫存與風(fēng)險。
數字電源已經(jīng)表現出相當多的優(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)的反應是瞬時(shí)的而數字電源需要一個(gè)采樣、量化和處理 的過(guò)程來(lái)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 數字控制方法的優(yōu)點(diǎn)在負載點(diǎn)（POL）系統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(kāi)關(guān)頻率和成本（在簡(jiǎn)單應用中）等方面 仍然占有優(yōu)勢。不過(guò)如果考慮到數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字電源低。
數字電源中包含的技術(shù)無(wú)疑是復雜的但它的使用并不一定就復雜。不過(guò)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。這對數字電源的推廣也造成了一定的障礙。
人們對數字電源還有一個(gè)擔心就是它還不像模擬電源那樣經(jīng)過(guò)多年應用的考驗因而可靠性不高。但就像數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(wèn)題而不是數字化的問(wèn)題。
不過(guò)成本顯然是約束數字電源廣泛應用的一個(gè)主要因素。由于數字實(shí)現方式的成本看似高于相似的模擬實(shí)現方式而且人們對于數字電源產(chǎn)品的采 用存在顧慮所以從用戶(hù)的角度來(lái)說(shuō)也只有當數字電源的成本等于或低于模擬電源（因為成本是中國市場(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)候數字電源才會(huì )被考慮。
綜上所述在簡(jiǎn)單易用、參數變更不多的應用場(chǎng)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(guò)硬件固化來(lái)實(shí)現。而在可控因素較多、需要更快實(shí)時(shí)反應速度、需要管理多個(gè)電源、復雜的高性能系統應用中數字電源則具有優(yōu)勢。
數字電源的實(shí)現與進(jìn)展
數字電源有幾種不同的含意實(shí)現方式也各不相同。
最簡(jiǎn)單的是數字檢測包括監視開(kāi)關(guān)電源的狀態(tài)如溫度、輸入/出電流、輸入/出電壓、開(kāi)關(guān)頻率（占空比）等并根據需求向主機報告。故障狀態(tài)信息甚至時(shí)間標記等信息可以存儲在非易失性存儲器中并在將來(lái)某個(gè)時(shí)間上報這些信息。
第二個(gè)定義是在“數字檢測”的基礎上通過(guò)數字接口控制開(kāi)關(guān)電源一般是通過(guò)I2C或類(lèi)似的數字總線(xiàn)控制輸出電壓、 開(kāi)關(guān)頻率、多通道電源的（上/下電）排序、上升斜率、跟蹤、（軟）啟動(dòng)、裕度控制、故障保護等等。實(shí)際上目前市場(chǎng)上的很多電源管理集成電路都以這種方式 工作。
第三個(gè)定義是用數字電路徹底取代開(kāi)關(guān)電源中的所有模擬電路這是真正的原生數字電源。只須編寫(xiě)幾行簡(jiǎn)單的代碼一個(gè)核心數字電源集成電路就 可以配置成升壓穩壓器、降壓穩壓器、負輸出、SEPIC、反激式或正激式轉換器這樣將使開(kāi)關(guān)電源更容易設計、配置而且更穩定。但要實(shí)現這點(diǎn)從目前看來(lái)是 相當困難的因為從物理定律上來(lái)說(shuō)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制器的數字開(kāi)關(guān)電源也仍然需要電壓基準、電流檢測電 路和FET驅動(dòng)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)現數字電源時(shí)也是不能沒(méi)有的。
傳統的模擬電源是以模擬控制環(huán)路為基礎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成上面第一個(gè)定義中所指的帶數字檢測的比較初級的數字電源。
目前的數字電源大都是按照上面第二個(gè)定義（即數字控制+數字監視）實(shí)現的電源內部的模擬控制環(huán)路由數字控制環(huán)路替代。未來(lái)是屬于數字電源 的但數字化是個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程其發(fā)展很可能由同時(shí)使用模擬和數字技術(shù)的混合系統開(kāi)始進(jìn)而演進(jìn)到全數字實(shí)現。以前數字化是以采用高成本的復雜多芯片電路 方案為代價(jià)的。例如一個(gè)具有電壓、電流監視及控制能力的應用可能需要很多集成電路如高穩定度基準源、高精度多通道ADC、DAC和專(zhuān)用微控制器此外 還需要不小的軟件開(kāi)發(fā)工作量。如果再考慮成本、復雜性、線(xiàn)路板空間限制和嚴苛的產(chǎn)品上市時(shí)間要求以數字方式管理電源的確需要人們付出不菲的代價(jià)。
最近出現的數字電源產(chǎn)品的集成度和易用性已經(jīng)達到一個(gè)更高的高度。包括傳統的模擬電源廠(chǎng)商和新興的數字電源芯片設計廠(chǎng)商在內的大部分廠(chǎng)商都 在著(zhù)手解決純粹的電源轉換以外的問(wèn)題包括添加監測功能提供可與系統通信的數字接口以及建立數字控制反饋環(huán)路即在模擬變換器外面使用“ 數字外殼”。常見(jiàn)的方案有兩種：（1）單芯片控制器方案。通過(guò)外接A/D轉換芯片進(jìn)行取樣取樣后對得到的數據進(jìn)行運算處理再把結果通過(guò) D/A轉換后傳送到PWM芯片從而實(shí)現單芯片控制器對開(kāi)關(guān)電源的控制。這種方案的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟設計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)芯片電路比較復雜；且經(jīng)過(guò)A/D和D/A轉換等步驟會(huì )造成比較大的信號延遲進(jìn)而影響電源的動(dòng)態(tài)性能和穩壓精 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行頻率有限無(wú)法產(chǎn)生足夠高的頻率和精度的PWM輸出信號。（2）通過(guò)高性能數字芯片（如 DSP或MCU）對電源實(shí)現直接控制的方案。數字芯片完成信號采樣、處理和PWM輸出等工作。由于數字PWM輸出的信號功率不足以驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管一般還需通 過(guò)一個(gè)驅動(dòng)芯片驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管即數字控制器與功率級之間的接口由MOSFET驅動(dòng)器提供。由于這些數字芯片有較高的取樣速度（DSP片內的AD轉換器完成一 次A/D轉換只需數百納秒相較之下一般8位MCU控制器要數微秒之久）和指令周期輸出的PWM信號的分辨率僅數百皮秒過(guò)流檢測和關(guān)閉電源僅須數十 納秒可以快速有效的實(shí)現各種復雜的控制算法使設計具備較高的動(dòng)態(tài)性能和穩壓精度。此外在微處理器的支持下添加RS232/485、USB、以太網(wǎng)等 擴展通信手段也非常方便。數字控制的電源產(chǎn)品能夠實(shí)現大部分數字電源的功能需求但如果不添加一些額外部件還實(shí)現不了全部功能需求。
這種“數字外殼”的架構存在以下問(wèn)題：為了保證電源有較高的穩壓精度A/D轉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(cháng)的A/D轉換時(shí)間造成回路的實(shí)時(shí)反應能力變差。而且高速的采樣和運算將產(chǎn)生巨大的運算量能達到實(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(chǎng)合一般都會(huì )用DSP芯片其運算和取樣速度快功能強大但DSP芯片結構復雜成本比較高；而且DSP控制技術(shù)較難掌握對設 計者要求比較高。通用DSP芯片不是專(zhuān)門(mén)作為電源控制芯片使用的一般的電源應用對通用DSP芯片資源的利用率不高。不過(guò)目前以DSP為主要處理單元的數 字電源芯片廠(chǎng)商如TI、Freescale等公司都在優(yōu)化其作為數字電源核心的DSP的結構同時(shí)努力降低成本并改善開(kāi)發(fā)手段（提供評估板、IP模塊 等）以幫助開(kāi)發(fā)人員輕松地如期完成開(kāi)發(fā)。除了DSP的方案有的廠(chǎng)商提供基于MCU（如Silicon Labs公司）或狀態(tài)機（如Zilker公司）的方案。MCU長(cháng)于控制而狀態(tài)機的優(yōu)點(diǎn)是低功耗。鑒于DSP和MCU兩種方案各有長(cháng)處現在有的廠(chǎng)商（如 SiliconLabs公司、Microchip公司）開(kāi)始將硬件DSP和輔助MCU同時(shí)集成入芯片中使系統性能最優(yōu)效率已經(jīng)可以與模擬電源相媲美。
軟件設計對數字電源設計人員而言是另一個(gè)挑戰。為降低數字電源的設計門(mén)檻很多半導體廠(chǎng)商推出了不需要軟件編程或者支持圖形用戶(hù)接口 （GUI）的數字電源解決方案設計人員通過(guò)GUI界面就能設定電源特性參數而不需要任何編程技能。此外還可根據具體系統的情況設定每個(gè)輸出電壓的 跟蹤、升壓時(shí)間和延時(shí)等。有的數字電源管理芯片允許設計人員通過(guò)芯片管腳配置電源特性參數。許多數字電源芯片允許在系統運行中通過(guò)電源管理總線(xiàn) （PMBus）來(lái)實(shí)時(shí)更改電源輸出特性。系統控制算法的設計通常是在專(zhuān)用的集成開(kāi)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。
目前數字電源芯片的集成度已經(jīng)達到較高的水平適合復雜系統如服務(wù)器、通信設備等使用。芯片中集成數個(gè)同步控制器和自適應驅動(dòng)器有的集成了MOSFET或功率驅動(dòng)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(mén)狗等。
先進(jìn)的半導體制造工藝在數字電源芯片上也得以利用其中數字電路應用0.18～0.25μm VLSI工藝；模數混合電路應用高壓BiCMOS工藝還比較常見(jiàn)。有的廠(chǎng)商借鑒大功率芯片的成功設計在數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)級的溫度范圍內可靠工作。
PMBus
電源管理總線(xiàn)（PMBus）通信協(xié)議規范定義了一個(gè)用在功率轉換器件和管理器件之間的數字通信協(xié)議（包括接口和命令）。該規范對于數字電源 產(chǎn)品的推廣有著(zhù)非常重要的意義意味著(zhù)數字電源產(chǎn)品的接口完成了標準化。借助PMBus數字電源可以依據一套標準命令進(jìn)行配置、監控和維護（設置電源的 工作參數并監控其工作而且能夠在故障發(fā)生時(shí)采取應對措施）還能使多個(gè)數字電源產(chǎn)品協(xié)同工作。
PMBus規范的傳輸層基于低成本SMBus（系統管理總線(xiàn)）的1.1版本這是個(gè)功能更為強健的基于業(yè)界標準I2C串行總線(xiàn)的版本具有分組錯誤檢查和主機通知功能。
PMBus規范定義了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）和數據信號（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備發(fā)起。當SMBALERT#有效時(shí)主控器在PMBus上發(fā)送告 警（alert）響應地址然后每個(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(xiàn)它就會(huì )釋放 SMBALERT#線(xiàn)。SMBALERT#信號可以使從屬設備（如負載點(diǎn)轉換器）中斷系統主機或總線(xiàn)的控制這就使設計人員能夠更容易地實(shí)現基于事件驅動(dòng) 的閉環(huán)控制方案。CONTROL信號用于啟動(dòng)和關(guān)閉單個(gè)從屬設備。WP信號可用于防止意外更改存儲器中的數據。此外PMBus協(xié)議規定所有從屬設備必須 將其默認的配置數據保存在永久性存儲器內或使用針腳編程這樣它們在上電時(shí)無(wú)須與總線(xiàn)通信。
除采用SMBus傳輸層之外PMBus規范還增加了用于電源設計的控制語(yǔ)言。PMBus的通信是按照一個(gè)連續的字節流進(jìn)行的。每個(gè)字節流 包含一個(gè)地址字節一個(gè)命令字節若干個(gè)數據字節以及一個(gè)可選的包錯誤碼（PEC）字節。主機使用單獨的“開(kāi)始”和 “停止”信號來(lái)表明一個(gè)通信過(guò)程的開(kāi)始和結束。而從屬設備則使用單獨的位來(lái)確認收到的每個(gè)字節。為了減少響應時(shí)間及處理器開(kāi)銷(xiāo) 從屬設備在收到“停止”信號時(shí)立即處理并執行命令。
結語(yǔ)
毫無(wú)疑問(wèn)隨著(zhù)數字控制技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需求的驅動(dòng)電源領(lǐng)域里數字電源的優(yōu)勢將會(huì )越來(lái)越明顯但從模擬電源到數字電源的完全轉換還需要很 長(cháng)時(shí)間因此模擬和數字控制技術(shù)將在未來(lái)數年內共存。數字電源技術(shù)為電源設計領(lǐng)域注入了新的活力同時(shí)也對電源設計人員提出了更高的要求。如何在傳統技術(shù) 的基礎上不斷創(chuàng )新進(jìn)而設計出滿(mǎn)足未來(lái)市場(chǎng)需求的電源系統將成為電源設計人員必須面對的新課題。