數(shù)字電源淺析

過去的幾年里，半導體和電源供貨商花了很大力氣，通過大量市場上發(fā)布的關(guān)于數(shù)字技術(shù)文獻，推廣數(shù)字電源的概念，這也可以解釋為什么我們在今天看到越來越多的復雜的電源系統(tǒng)。但很多最終用戶都持觀望的態(tài)度，主要是由于不同的電源廠家采用不同的實現(xiàn)方法和架構(gòu)。目前來看，還沒有一個明確的大范圍采用數(shù)字技術(shù)設計的征兆，設計人員仍處于不明確的氛圍。此外，各種各樣的供應商對“數(shù)字電源”定義也不同，這也引起市場層面對這一概念的混淆。那么，什么是真正的數(shù)字電源，它又能帶來什么直接的好處呢?

電源管理和電源控制的區(qū)別

電源控制和電源管理之間的區(qū)別，是關(guān)于數(shù)字電源討論中的關(guān)鍵概念。愛立信使用“電源控制”術(shù)語來強調(diào)電源供應系統(tǒng)內(nèi)部的控制功能，尤其是個體內(nèi)部能量流的循環(huán)管理。這一定義包含了反饋回路和內(nèi)部管理維持功能。功率控制功能在與電源供應的開關(guān)頻率實時監(jiān)控中起到作用。這種類型的控制功能可以由模擬或者數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)，電源供應系統(tǒng)無論采用哪種方式，呈現(xiàn)給最終用戶的表現(xiàn)是基本一致的。這就是說，數(shù)字電源的使用不要求最終用戶做任何改變和新的設計。

相應的，“電源管理”是關(guān)于一個或多個電源供應系統(tǒng)之外的通訊和控制。

包括電源系統(tǒng)配置，單個電源供應系統(tǒng)的監(jiān)控，以及故障監(jiān)測信息傳送等。電源管理功能不是實時的，它們在一定的時間范圍內(nèi)起作用，要慢于電源供應系統(tǒng)的開關(guān)頻率。目前，這些功能都趨于將模擬和數(shù)字技術(shù)結(jié)合。例如，電阻器通常用于調(diào)整輸出電壓，而給每個電源供應系統(tǒng)的電源排序則需要專線控制。按照愛立信的定義，數(shù)字電源管理意味著這些功能全部使用數(shù)字技術(shù)。此外，簡化互連方式應用在某些類型的數(shù)據(jù)通信母線結(jié)構(gòu)，優(yōu)于在每個電源供應系統(tǒng)之間使用多種定制的互連手段進行排序和偵錯。

電源控制的實現(xiàn)技術(shù)

參見圖1左面，脈寬調(diào)制芯片提供了典型的原邊模擬控制回路。電源的輸出電壓由一個阻性分壓器件采樣后送入誤差放大器與直流標準電壓進行比較。誤差放大器的輸出是一個模擬信號，其幅度與電源輸出電壓所需要的校正大小成正比。這個信號反饋到脈寬調(diào)制芯片，產(chǎn)生一個相應脈寬的脈沖信號，用以控制功率半導體器件(一般為MOS管)的“導通時間”。因為MOS管的輸入門電容較大，驅(qū)動電路便能有效地開關(guān)它們。一般使用一個固定的阻容網(wǎng)絡來補償控制回路，以確保電源動態(tài)響應和穩(wěn)定度之間的合理平衡。

電源的另外兩個主要部分就是輸入輸出的濾波網(wǎng)絡。它們通常由電感、電容和電阻組成并提供多種功能。輸入濾波部分保護電源不受輸入電壓跳變的影響，在負載跳變時提供儲能，同時和外部濾波電路一起使電源滿足輸入傳導電磁兼容的要求。輸出濾波部分使輸出電壓更平滑以滿足紋波噪聲的指標，同時也幫助電源儲能以滿足負載的動態(tài)電流要求。重要的是，無論是模擬或數(shù)字控制架構(gòu)，輸入和輸出濾波電路以及功率器件在本質(zhì)上會保留一致。

典型的數(shù)字電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參見圖1右面。輸出電壓的遙測與模擬系統(tǒng)相似。但是數(shù)字控制系統(tǒng)中使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器替代了模擬控制系統(tǒng)中的誤差放大器，將采樣得到的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個二進制數(shù)。除了輸出電壓，知道其它模擬參數(shù)也很重要，例如輸出電流和電源的溫度。當然使用多個分開的模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠測量各個參數(shù)，但是一般使用一個前置多路復用器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將會更經(jīng)濟。復用器會在各個測得的模擬參數(shù)之間切換并將其按序(并—>串)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

由于多路復用器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率是固定的，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為每一個參數(shù)輸出一系列數(shù)字，每一系列數(shù)字是由一個已知的周期分開。這些數(shù)值提供給一個微處理器，為系統(tǒng)提供了工作流程。板子上的程序存儲器存儲了微處理器的控制運算法，用于執(zhí)行一系列基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出值的計算。這些計算的結(jié)果是一些參數(shù)，例如誤差信號，驅(qū)動極所需的脈寬，針對各種驅(qū)動輸出優(yōu)化的延遲值，以及環(huán)路補償參數(shù)。模擬系統(tǒng)中外部環(huán)路補償元件就不再需要了。生產(chǎn)過程中，參數(shù)的比較參考值，例如輸出電壓、輸出電流、溫度限定值存儲在非易失性存儲器里，或者在系統(tǒng)啟動時可以下載到數(shù)據(jù)存儲器中。

和模擬控制相比，數(shù)字控制在適應輸入和負載條件變化方面更加靈活。通常，模擬的方法是為一個給定的控制參數(shù)配置一個折衷的設置，然而數(shù)字控制系統(tǒng)能夠在轉(zhuǎn)換器工作環(huán)境作用下改變控制參數(shù)。例如，在同步的負載點(POL)降壓型的穩(wěn)壓器里，死區(qū)時間保證了上端和下端的場效應晶體管永遠不會同時工作。模擬控制系統(tǒng)為了最惡劣的工作條件，采用了固定的定時網(wǎng)絡去設置死區(qū)時間。但是對于典型的工作環(huán)境下，這個死區(qū)時間比需要的時間長，從而降低了轉(zhuǎn)換器的效率。通過對比，一個數(shù)字控制環(huán)可以根據(jù)工作環(huán)境動態(tài)的變化死區(qū)時間，優(yōu)化了POL整流器的效率。

同時，模擬系統(tǒng)中的反饋回路補償是必要的，是環(huán)路穩(wěn)定和動態(tài)響應性能的折衷。使用數(shù)字控制技術(shù)，能夠建立非線性或者自適應的控制環(huán)路，從而補償因數(shù)可以根據(jù)工作環(huán)境來改變。也就是說，電源或者負載點穩(wěn)壓器在需要時提高了響應速度，或者在某些情況下放慢了響應速度。這種方法還有其它好處，輸出電容就減少了。對于給定的電壓穩(wěn)定度，輸出電容的減少是必須的，因為它降低了成本和減小了元件占用的空間。數(shù)字控制可以允許工作在非連續(xù)模式，即，當電源在非常小的負載時跳過一些開關(guān)周期，而且沒有動態(tài)負載特性變壞這樣的常見問題。

數(shù)字電源管理

數(shù)字電源管理是指利用數(shù)字的方式從供電單元外部對于板上的電源進行監(jiān)控。例如，控制多個電壓的開啟和關(guān)斷順序，用以滿足系統(tǒng)的每個單元對于供電電壓裕量的要求。這類數(shù)字控制對于在系統(tǒng)中正確運行DSP和FPGA等器件尤顯重要，因為這類器件通常需要供給低壓的核心電壓和多種I/O電壓。

今天的數(shù)字電源管理系統(tǒng)的架構(gòu)通常由板級電源和其通過數(shù)字通信總線連接的中心控制器件等部分組成。板級電源可以是隔離的DC/DC模塊或者是非隔離的POL DC/DC轉(zhuǎn)換器。中心控制器件的形式亦可多樣化，可以是專用的電源管理芯片、微控制器，或者利用FPGA中空閑的門陣列來實現(xiàn)控制功能。中心控制器件通常被叫做“主”單元，而受控的板級供電電源被定義成“從”單元。對于大多數(shù)的系統(tǒng)，“主”單元的控

制范圍通常為一個單板。在更大規(guī)模的系統(tǒng)中，“主”單元還可以會同位于系統(tǒng)其它地方更高級別的控制器件相互配合，甚至可以通過長距離的通信網(wǎng)絡連接遠程控制器件來實現(xiàn)對于電源系統(tǒng)的數(shù)字管理。圖2是一個單板數(shù)字電源管理系統(tǒng)的示例。

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應用實例

當單板需要更多種不同電壓時，系統(tǒng)電源管理的復雜性和難度都會隨之增加。就設計供電次序而言，就有幾種因素需要考慮：上電的先后次序，上電的啟動時間，延時，關(guān)機及錯誤情況下的保護操作等。數(shù)字電源控制將以往沿用的模擬控制及延時電路化繁為簡。即使是自定義的啟動模式，例如：先檢查好電源模組#1的工作狀態(tài)是否正常，然后才設定開啟電源模組#2，都能夠通過數(shù)字電源控制輕易地做到。

輸出電壓調(diào)節(jié)是生產(chǎn)最終測試階段中，用以判斷電源是否可靠的測試方式，一般是采用輸出電壓的±5%范圍內(nèi)配以任何程序進行測試。然而采用了數(shù)字信號母線，即使在沒有任何附加的硬件配備或連線下，仍可在一秒鐘內(nèi)完成測試。圖3是時序及輸出電壓調(diào)節(jié)的例子。

數(shù)字電源管理是供電電源和系統(tǒng)設計過程中不可或缺的部分。例如在電源供應器生產(chǎn)的初步階段時，通過自動測試系統(tǒng)(ATE)就可以設置參數(shù)：輸出電壓調(diào)校、過流保護點、過壓保護點、過熱保護點、載入生產(chǎn)日期及序號等等。在電源系統(tǒng)優(yōu)化過程中，設計者可利用數(shù)字接口，由電腦去測量電源的零件溫度、電壓、輸出電流，還可以用來設置保護電路的測量點，以及優(yōu)化上電時序。

在組裝、測試單板及系統(tǒng)的過程中，通過將數(shù)字電源接口連線至ATE，我們可以做出電壓限度測試，監(jiān)視調(diào)節(jié)各點電壓，轉(zhuǎn)換效率測試和記錄產(chǎn)品序號和生產(chǎn)日期等等。設計者更可利用一個主控制器，就可以在省去額外電路的情況下設定一些較復雜的上電和關(guān)機程序，監(jiān)視工作溫度以調(diào)節(jié)風速，在實時的情況下監(jiān)測電源的效率，在失效之前做出應變。類似的監(jiān)控電源可以應用于系統(tǒng)內(nèi)的各個部分。

最重要的是這個數(shù)字系統(tǒng)無須在電路板上專門設置主控制器或數(shù)字接口，也無須在生產(chǎn)過程中加入任何附件就可以使用。如果設定條件是已知的話，電源供應商可在生產(chǎn)過程中編好程序而無須改變?nèi)魏斡布O定?？蛻艏纯蓪⑦@些數(shù)字控制的電源當作傳統(tǒng)模擬控制的電源來使用。

基于以上各種優(yōu)點，愛立信公司認為數(shù)控電源是未來的發(fā)展方向，尤其是模塊電源。因此，愛立信即將推出更多以數(shù)控電路設計的新產(chǎn)品。值得一提的是，基于電源是數(shù)控的關(guān)系，客戶將可以‘免費’享受數(shù)字電路帶來的好處。