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 加平均售價卻不斷下降。此外用戶對電源的故障修復(fù)時間、電源運行狀態(tài)的感知與控制的要求越來越高電源設(shè)計人員不再滿足于實時監(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 而生其目標就是將電源轉(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)字方式實現(xiàn)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(yīng)性和數(shù)字環(huán)路控制是表征數(shù)字電源的3個主要特征。
隨著電源系統(tǒng)的性能和功率的不斷提高實現(xiàn)電源性能指標所必需的元件數(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 實現(xiàn)。一般認為在設(shè)計DC/DC變換器時通常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AC/DC變換器時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)將共存相當一段時間。30年前電源行業(yè)轉(zhuǎn)向開關(guān)電源是一個很大的變化而電 源數(shù)字化趨勢將會是一個更大的變化。
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)換器及負載點POL轉(zhuǎn)換器仍采用模擬控制。這是因為許多模擬電源系統(tǒng)經(jīng)過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（如負載變化時的電源響應(yīng)時間）、占板面積等指標都優(yōu)于當前的數(shù)字電源解決方案，時代布氏硬度計但對開發(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)生的模擬信號進行設(shè)置和控制。即使是具有最先進拓撲結(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間、輸出點值及開關(guān)頻率等參數(shù)。這些電阻、電容的值都是設(shè)計調(diào)試時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現(xiàn)。而且為實現(xiàn)更多功能就要設(shè)計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隨使 用時間、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 范圍狹窄的特定負載因此無法為所有電壓值或負載點提供最優(yōu)化的控制響應(yīng)。換句話說如果你需要一個可以在很多產(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)雜性而提出的它實現(xiàn)了數(shù)字和模擬技術(shù)的融合提供了很強的適應(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(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(yīng)用可擴展性與重復(fù)性優(yōu)秀輕松實現(xiàn)負載均流減少EMI，并簡化濾波電路設(shè) 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(shù)數(shù)字技術(shù)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(yīng)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(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(yīng)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(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(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)計人員具有一定的程序設(shè)計能力而目前的電源設(shè)計人員普遍都是模擬設(shè)計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)字電源還有一個擔心就是它還不像模擬電源那樣經(jīng)過多年應(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)用場合模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢因為其應(yīng)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(yīng)速度、需要管理多個電源、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)字電源的實現(xiàn)與進展
數(shù)字電源有幾種不同的含意實現(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)需求向主機報告。故障狀態(tài)信息甚至時間標記等信息可以存儲在非易失性存儲器中并在將來某個時間上報這些信息。
第二個定義是在“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、故障保護等等。實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、配置而且更穩(wěn)定。但要實現(xiàn)這點從目前看來是 相當困難的因為從物理定律上來說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、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現(xiàn)數(shù)字電源時也是不能沒有的。
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定義（即數(shù)字控制+數(shù)字監(jiān)視）實現(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)字化是個漸進的過程其發(fā)展很可能由同時使用模擬和數(shù)字技術(shù)的混合系統(tǒng)開始進而演進到全數(shù)字實現(xiàn)。以前數(shù)字化是以采用高成本的復(fù)雜多芯片電路 方案為代價的。例如一個具有電壓、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苛的產(chǎn)品上市時間要求以數(shù)字方式管理電源的確需要人們付出不菲的代價。
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)達到一個更高的高度。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)換芯片進行取樣取樣后對得到的數(shù)據(jù)進行運算處理再把結(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現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法使設(shè)計具備較高的動態(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)大部分數(shù)字電源的功能需求但如果不添加一些額外部件還實現(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)換時間造成回路的實時反應(yīng)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時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芯片其運算和取樣速度快功能強大但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（如Zilker公司）的方案。MCU長于控制而狀態(tài)機的優(yōu)點是低功耗。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)計對數(shù)字電源設(shè)計人員而言是另一個挑戰(zhàn)。為降低數(shù)字電源的設(shè)計門檻很多半導(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)定每個輸出電壓的 跟蹤、升壓時間和延時等。有的數(shù)字電源管理芯片允許設(shè)計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)運行中通過電源管理總線 （PMBus）來實時更改電源輸出特性。系統(tǒng)控制算法的設(shè)計通常是在專用的集成開發(fā)環(huán)境IDE中進行例如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)計在數(shù)字電源芯片上采用先進的封裝技術(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)品的接口完成了標準化。借助PMBus數(shù)字電源可以依據(jù)一套標準命令進行配置、監(jiān)控和維護（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)生時采取應(yīng)對措施）還能使多個數(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版本這是個功能更為強健的基于業(yè)界標準I2C串行總線的版本具有分組錯誤檢查和主機通知功能。
PMBus規(guī)范定義了2個必需信號和3個可選信號：必需信號為時鐘信號（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SMBALERT#有效時主控器在PMBus上發(fā)送告 警（alert）響應(yīng)地址然后每個發(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（如負載點轉(zhuǎn)換器）中斷系統(tǒng)主機或總線的控制這就使設(shè)計人員能夠更容易地實現(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)計的控制語言。PMBus的通信是按照一個連續(xù)的字節(jié)流進行的。每個字節(jié)流 包含一個地址字節(jié)一個命令字節(jié)若干個數(shù)據(jù)字節(jié)以及一個可選的包錯誤碼（PEC）字節(jié)。主機使用單獨的“開始”和 “停止”信號來表明一個通信過程的開始和結(jié)束。而從屬設(shè)備則使用單獨的位來確認收到的每個字節(jié)。為了減少響應(yīng)時間及處理器開銷 從屬設(shè)備在收到“停止”信號時立即處理并執(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)計領(lǐng)域注入了新的活力同時也對電源設(shè)計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)新進而設(shè)計出滿足未來市場需求的電源系統(tǒng)將成為電源設(shè)計人員必須面對的新課題。