數(shù)字電源控制的真實(shí)承諾

數(shù)字電源控制引領(lǐng)著新的潮流，預(yù)示著更高的效率和更低的成本。但是，需要學(xué)習(xí)新技能和使用新工具集，同時(shí)面對(duì)日益緊張的進(jìn)度表和不斷縮減的人員，即使是最資深的工程師，也會(huì)感到“不適”。一些人爭(zhēng)辯說他們不需要像計(jì)算機(jī)這樣復(fù)雜的設(shè)備來控制他們的電路。畢竟，就成本而言，含有數(shù)百萬個(gè)晶體管的數(shù)字控制芯片怎么可能與包含幾百個(gè)晶體管的專用模擬控制器相競(jìng)爭(zhēng)呢？

那么，數(shù)字電源是否有未來？答案是不容置疑的：“有”！

回顧計(jì)算機(jī)和電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的歷史，就可知道通向未來的道路。在數(shù)字計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，由真空管放大器和開關(guān)構(gòu)成的模擬計(jì)算機(jī)(1940年~1960年)通過實(shí)現(xiàn)模擬積分器、加法器和乘法器來執(zhí)行計(jì)算功能。早期的數(shù)字計(jì)算機(jī)要占據(jù)整個(gè)房間，具有數(shù)以萬計(jì)的真空管，功耗達(dá)到幾十千瓦。與之相比，臺(tái)式模擬計(jì)算機(jī)的尺寸只是它的一小部分，功耗是它的百分之一，但數(shù)字計(jì)算機(jī)贏得了最終的勝利。為什么呢？主要是由于兩個(gè)因素：可重復(fù)性，以及通過編程能處理日益復(fù)雜的任務(wù)。曾經(jīng)有許多工程師打賭數(shù)字計(jì)算機(jī)會(huì)失敗，但他們自己失敗了。

在20世紀(jì)六七十年代，大規(guī)模集成電路的發(fā)展真正掃除了對(duì)數(shù)字計(jì)算機(jī)可靠性一直持有的顧慮。這為數(shù)字計(jì)算機(jī)開啟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，如電機(jī)控制。20世紀(jì)60年代之前，電機(jī)速度控制僅限于強(qiáng)力方法，例如將可變電阻與電機(jī)電源串聯(lián)；或者復(fù)雜的機(jī)制，例如使用電機(jī)放大器控制流經(jīng)電機(jī)/發(fā)電機(jī)組的控制繞組的電流。由于與A類放大器相關(guān)的功率損耗，通過真空放大器直接控制電機(jī)從來都是不切實(shí)際的。20世紀(jì)70年代，高速、大電流晶體管的發(fā)展促使脈寬調(diào)制(Pulse-Width Modulated，PWM)方法控制電機(jī)的方式普遍使用。最初的PWM放大器由分立模擬電路組成，實(shí)現(xiàn)速度控制和PWM信號(hào)生成。

在整個(gè)20世紀(jì)70年代，隨著微處理器性能的提高和成本的降低，電機(jī)控制工程師開始尋求降低系統(tǒng)成本的方法。位置環(huán)路首先步入數(shù)字領(lǐng)域，然后又以軟件實(shí)現(xiàn)了速度環(huán)路。這樣就不再需要昂貴的電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)。接著就消除從微處理器到放大器的模擬指令電壓。微處理器系統(tǒng)直接生成供功率晶體管使用的PWM信號(hào)。

因?yàn)樽钤绲臄?shù)字電機(jī)控制器體積大、價(jià)格貴，所以它們最初應(yīng)用于高端的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在接下來的15年~20年，摩爾定律的殘酷法則使單片機(jī)成本不斷降低，而性能持續(xù)提高，以至于很少有工程師會(huì)考慮使用“專用模擬電機(jī)控制器”，而不用低成本的單片機(jī)。

模擬電機(jī)控制PWM電路最終以集成電路的形式實(shí)現(xiàn)，成為現(xiàn)代模擬電源控制器的基礎(chǔ)。

那么，為什么電源工程師要采用數(shù)字控制方法呢？原因有很多：元件數(shù)減少，能效提升，行為可預(yù)測(cè)，便于制造、設(shè)計(jì)、支持，并且可以添加新功能。

假如采用數(shù)字電源控制是必然的決定，那么如何選擇適合的控制器呢？

有兩類基本的數(shù)字電源控制器：專用數(shù)字PWM控制器和基于數(shù)字信號(hào)控制器(Digital Signal Controller，DSC)的產(chǎn)品。這兩類數(shù)字控制器都具有提供可預(yù)測(cè)的行為、用于濾波器系數(shù)的可編程參數(shù)，以及通過消除大量無源元件可簡(jiǎn)化印刷電路板的設(shè)計(jì)。

專用電源控制器有兩個(gè)子類：純專用邏輯，以及集成了專用邏輯、可實(shí)現(xiàn)控制算法的單片機(jī)。

純專用數(shù)字控制器可以最低的成本和功耗實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制環(huán)路。此類器件通常提供一定量的非易失性存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)濾波器系數(shù)，以及電壓和電流參數(shù)。

另一種方法使用具有專用控制環(huán)路邏輯的單片機(jī)，通過犧牲功耗來提高適應(yīng)性。但是，它能夠支持更復(fù)雜的電源系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)，并支持與外部設(shè)備通信，以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

大多數(shù)專用數(shù)字PWM控制器都針對(duì)特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)。因此，模擬和數(shù)字PWM控制器都容易受到相同問題的影響。如果電源設(shè)計(jì)師希望實(shí)現(xiàn)新的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?，設(shè)計(jì)師將不得不采用現(xiàn)有的控制器來滿足新的電源轉(zhuǎn)換電路的需求，或者設(shè)計(jì)師放棄開發(fā)新的、可能非常重要的設(shè)計(jì)。結(jié)果就是大量的電源設(shè)計(jì)都極其類似，使競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手可以很容易地進(jìn)行“克隆”，從而降低每個(gè)制造商的利潤(rùn)率。

DSC方式通過將DSP引擎與單片機(jī)相結(jié)合來代替專用PWM控制邏輯電路。DSC方法使用以軟件編寫的算法，而不是專用電路來實(shí)現(xiàn)控制功能。但是，DSC需要比專用邏輯更大的功耗，因?yàn)樗峁└嗟耐ㄓ觅Y源。DSC的優(yōu)點(diǎn)是十分靈活，可以適應(yīng)新需求和尚待開發(fā)的拓?fù)?。一些DSC還為嵌入式軟件提供安全保護(hù)，即保護(hù)軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)，使克隆電源設(shè)計(jì)變得更難。

可以說，DSC電源控制器最重要的特性之一是讓工程師可以完全自由地創(chuàng)造新的電路設(shè)計(jì)，以滿足前沿電路設(shè)計(jì)的特定挑戰(zhàn)和需求。最初，功率晶體管用于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電源拓?fù)渲械?ldquo;電源開關(guān)”。后來，隨著功率晶體管成本的降低和對(duì)更高能效需求的增長(zhǎng)，同步整流器變得很普遍?，F(xiàn)在，隨著功率晶體管成本的持續(xù)下降，電源電路中添加了更多的晶體管，以便彌補(bǔ)在緩沖器中以其它方式消耗掉的能量。此外，許多設(shè)計(jì)師現(xiàn)在添加了更多的晶體管來接通或斷開一些電路元件，以滿足當(dāng)前的工作條件。PWM輸出不再是簡(jiǎn)單的PWM，它們應(yīng)被視為可編程晶體管控制信號(hào)。與傳統(tǒng)的模擬PWM控制器相比，通過采用現(xiàn)代小尺寸半導(dǎo)體工藝，添加更多PWM輸出的成本可以忽略不計(jì)。

DSC使電源設(shè)計(jì)工程師脫離了傳統(tǒng)專用PWM控制器的桎梏，但它們的編程是否很復(fù)雜呢？

簡(jiǎn)短的回答是“否”。DSC供應(yīng)商開發(fā)了基于圖形用戶界面的工具，幫助用戶輕松地開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)涞目刂葡到y(tǒng)，并且他們還提供大量的應(yīng)用筆記和參考設(shè)計(jì)，進(jìn)一步幫助設(shè)計(jì)工程師。

許多電源設(shè)計(jì)小組都增加了一些熟悉單片機(jī)編程并了解軟件開發(fā)相關(guān)工具的工程師。因?yàn)閾碛须娫崔D(zhuǎn)換技術(shù)方面的知識(shí)，以及多年累積的豐富歷練，傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)工程師仍然在領(lǐng)導(dǎo)項(xiàng)目?；贒SC的設(shè)計(jì)的前期開發(fā)投入可能會(huì)高于使用傳統(tǒng)PWM控制器的投入。但是，許多設(shè)計(jì)師相信，一旦設(shè)計(jì)了產(chǎn)品平臺(tái)之后，開發(fā)其他同類新產(chǎn)品的輕松程度真正會(huì)令人震驚。

正如大多數(shù)定時(shí)應(yīng)用都可以通過單片機(jī)以低成本的方式實(shí)現(xiàn)，而不是使用古老的模擬555定時(shí)器。對(duì)于數(shù)字電源控制器與模擬控制器，也正在發(fā)生著相同的變化。