近年來，數字控制技術在電源中得到迅速的發(fā)展，各種在模擬電路中難以實現(xiàn)的現(xiàn)代控制方法開始應用于電源的控制中。隨著數字信號處理器DSP的發(fā)展，使數字式的開關電源能達到較高的開關頻率。相對模擬系統(tǒng)而言，數字系統(tǒng)在開關電源中具有設計周期短、靈活多變、易實現(xiàn)模塊化管理、能夠消除由離散元件引起的不穩(wěn)定和電磁干擾等優(yōu)點。因此，數字電源在高精度電源中的應用越來越廣泛，成為現(xiàn)代電源技術發(fā)展的一個重要方向。

　　一、數字電源的定義和特點

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　　目前，數字電源有多種定義。

　　定義一：通過數字接口控制的開關電源（它強調的是數字電源的“通信”功能）。

　　定義二：具有數字控制功能的開關電源（它強調的是數字電源的“數控”功能）。

　　定義三：具有數字監(jiān)測功能的開關電源（它強調的是數字電源對溫度等參數的“監(jiān)測”功能）。

　　上述三種定義的共同特點是“模擬開關電源的改造升級”，所強調的是“電源控制”，其控制對象主要是開關電源的外特性。

　　定義四：以數字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，將數字電源驅動器、PWM控制器等作為控制對象，能實現(xiàn)控制、管理和監(jiān)測功能的電源產品。它是通過設定開關電源的內部參數來改變其外在特性，并在“電源控制”的基礎上增加了“電源管理”。所謂電源管理是指將電源有效地分配給系統(tǒng)的不同組件，最大限度地降低損耗。數字電源的管理（如電源排序）必須全部采用數字技術。

　　與傳統(tǒng)的模擬電源相比，數字電源的主要區(qū)別是控制與通信部分。在簡單易用、參數變更要求不多的應用場合，模擬電源產品更具優(yōu)勢，因為其應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、實時反應速度更快、需要多個模擬系統(tǒng)電源管理的、復雜的高性能系統(tǒng)應用中，數字電源則具有優(yōu)勢。

　　此外，在復雜的多系統(tǒng)業(yè)務中，相對模擬電源，數字電源是通過軟件編程來實現(xiàn)多方面的應用，其具備的可擴展性與重復使用性使用戶可以方便更改工作參數，優(yōu)化電源系統(tǒng)。通過實時過電流保護與管理，它還可以減少外圍器件的數量。

　　數字電源有用DSP控制的，還有用MCU控制的。相對來講，DSP控制的電源采用數字濾波方式，較MCU控制的電源更能滿足復雜的電源需求，而且實時反應速度更快、電源穩(wěn)壓性能更好。

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　　1.控制智能化

　　它是以數字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，將數字電源驅動器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開關電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的由微控制器控制的開關電源，一般只是控制電源的啟動和關斷，并非真正意義的數字電源。

　　2.數模組件組合優(yōu)化

　　采用“整合數字電源”（Fusion Digital Power）技術，實現(xiàn)了開關電源中模擬組件與數字組件的優(yōu)化組合。例如，功率級所用的模擬組件MOSFET驅動器，可以很方便地與數字電源控制器相連并實現(xiàn)各種保護及偏置電源管理，而PWM控制器也屬于數控模擬芯片。

　　3.集成度高

　　實現(xiàn)了電源系統(tǒng)單片集成化（Power System on Chip），將大量的分立式元器件整合到一個芯片或一組芯片中。

　　4.控制精度高

　　能充分發(fā)揮數字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢，使所設計的數字電源達到高技術指標。例如，其脈寬調制（PWM）分辨力可達150ps（10~12s）的水平，這是傳統(tǒng)開關電源所望塵莫及的。數字電源還能實現(xiàn)多相位控制、非線性控制、負載均流以及故障預測等功能，為研制綠色節(jié)能型開關電源提供了便利條件。

　　5.模塊化程度高

　　數字電源模塊化程度高，各模塊之間可以方便地實現(xiàn)有機融合，便于構成分布式數字電源系統(tǒng)，提高電源系統(tǒng)的可靠性。

　　二、數字電源的基本原理

　　數字電源的關鍵是電源管理、控制信號的數字化處理，其基本要求是：在保障穩(wěn)定性的前提下，具有快速性、平穩(wěn)性和準確性。下面以負載點變換器（POL）為例說明數字電源控制功能的實現(xiàn)原理和方法。

　　負載點變換器（POL）通常用于將直流輸入電壓（一般為5V~12V）調節(jié)成適用于負載要求的直流輸出電壓（0.7V~3.3V）。例如，在典型的基于降壓（Buck）開關變換器的電路中，Buck變換器包含一個脈沖寬度調制（PWM）主控制芯片，一對主功率開關和一個由儲能電感和電容構成的低通濾波器。在脈沖寬度調制控制芯片中，一個電阻分壓器對電源的輸出電壓進行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與直流參考電壓進行比較從而產生電壓誤差信號，誤差信號是一個強度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號。通過具有某種控制規(guī)律的誤差補償器（Compensator）進行放大后，其輸出進入脈寬調制器（PWM），經過與載波（通常為鋸齒波或三角波）比較之后產生脈沖波，從而控制功率開關（通常為MOSFET）的導通與關斷。由于MOSFET具有較大的輸入門電容，因此驅動器電路有必要有效率地導通和關斷它們。另有固定電阻電容網絡一般會作為補償回路，以確保動態(tài)響應和穩(wěn)定性之間的正常平衡。

　　電源的兩個其它主要部分是輸入和輸出濾波器網絡。這些部分由感應器、電容和電阻構成，可以提供數種功能。輸入濾波器有助于保護電源不受電源電壓瞬態(tài)的影響，在動態(tài)負載變化過程中提供一些能量存儲，并附帶濾波器網絡以使電源滿足其輸入引起的發(fā)射規(guī)范。輸出濾波器穩(wěn)定輸出電壓以確保電源滿足其紋波和噪聲規(guī)范，此外還存儲能量以幫助維護負載電路的動態(tài)電流要求。重要的是，對于模擬或數字控制結構而言，輸入和輸出濾波器以及電源器件將基本上保持相同。

　　在典型的數字電源控制系統(tǒng)結構中，輸出電壓感應排列類似于模擬系統(tǒng)。但是，模數轉換器（ADC）代替了模擬系統(tǒng)的誤差放大器，從而將感應到的模擬電壓值轉換成二進制數。除了輸出電壓之外，了解電源的輸出電流和溫度等其它模擬參數也非常有用。雖然獨立的ADC可以感應每個參數，但是采用單個ADC并在它前面加設一個多路復用路往往是更加常用的方法。多路復用器 （MUX）則將在要測量的模擬輸入之間切換，并依次將每個輸入發(fā)送至ADC.

　　由于MUX和ADC的采樣速率是固定的，因此ADC對每個參數都輸出一系列數字，每個數字由己知的時間段分隔。這些值供給為系統(tǒng)提供處理能力的微控制器?？ㄉ铣绦騼却娲鎯χ⒖刂破鞯目刂?a target="_blank">算法，這些算法負責執(zhí)行一系列有關ADC的輸出值的計算。這些計算的結果包括誤差信號、想要的驅動器級脈寬、各種驅動器輸出的最佳延遲值以及回路補償等參數。有了這些參數，數字脈寬調制器（DPWM）就可以通過驅動后控制外接的功率MOSFET，而電源管理部分也可以通過一定的接口及協(xié)議與外界通信了。模擬系統(tǒng)的外部回路補償元件此時變得不再是必需的。輸出電壓、輸出電流和溫度限制等參數的參考值在生產期間被保存在非易失性內存中，或者可以通過PMBus輸入。在系統(tǒng)啟動時，數據會由EEPROM下載到數據內存中，主芯片據此控制模塊的工作狀態(tài)。同時，可以通過一定的外部操作來重新讀入EEPROM中的默認設置。

　　三、數字電源的組成結構

　　圖1為數字控制的電源系統(tǒng)的典型結構框圖。系統(tǒng)包括模擬部分、數字部分以及模擬數字的接口電路。模擬部分主要是各種拓撲的變換電路及負載電路組成；數字部分為微處理器芯片及其外設；接口電路包括從模擬部分到數字部分的采樣網絡及A/D轉換器和從數字部分到模擬部分的PWM外圍電路、相應的門極驅動電路及D/A轉換器或I/O外圍電路。

　　數字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數字控制和數字電源管理與通信任務。系統(tǒng)可以使用一種或兩種形式的數字電源。數字電源的關鍵數字器件有數字電源驅動器、數字電源PWM控制器和數字信號處理器等。

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　　目前，數字控制電源驅動器芯片中比較典型的應用有美國德州儀器公司（TI）公司的UCD7100/7201芯片。二者的區(qū)別是：UCD7100為單端輸出，UCD7201為雙端輸出，額定輸出電流均為±4A，可驅動MOSFET開關功率管，均可適配UCD9110/9501型數字控制器。主控制器可監(jiān)控其輸出電流，快速檢測過流故障并迅速關斷電源，檢測周期僅為25ns.

　　現(xiàn)以UCD7100為例，該芯片主要包括3.3V電壓調整器及基準電壓源、觸發(fā)器、施密特比較器、欠壓關斷電路、控制門、True Drive驅動器等部分組成?！癟rue Drive”（真驅動）為TI公司的專有技術，它是由并聯(lián)雙極性晶體管和MOSFET管組成上拉/下拉電路構成的混合輸出級。其優(yōu)點是驅動能力強，在低電壓時也能正常輸出，并能在極低輸出阻抗下控制外部功率MOSFET的過壓、欠壓保護，功率MOSFET不需要接起保護作用的肖特基鉗位二極管。UCD7100能在幾百FIS的時間內給MOSFET的柵極提供一個高峰值電流，快速開啟驅動器。UCD7100的高阻抗數字輸入端（IN）能接收3.3V邏輯電平、最高開關頻率達2MHz的信號。利用施密特比較器能將內部電路與外部噪音隔離。若控制器的PWM輸出停在高電平上并發(fā)生過電流故障，電流檢測電路就關斷驅動器的輸出，系統(tǒng)可進入重試模式。通過DSP或MCU內部的看門狗電路，能重新啟動片。UCD7100內部的3.3V/10mA電壓調整器可作為數字控制器的電源。

　　（二）數字電源控制器

　　美國德州儀器公司（TI）公司的UCD8220/8620是受DSP或MCU數字控制的雙端推挽式PWM控制器。二者區(qū)別是UCD8220可利用48V低壓啟動，UCD8620內部增加了110V高壓啟動電路。UCD8220的內部框圖如圖2所示。

　　該芯片主要包括3.3V電壓調整器及基準電壓源、脈寬調制器（PWM）、驅動邏輯、推挽式驅動器、欠壓關斷電路、限流電路、電流檢測電路。UCD8220/8620可運行在峰值電流模式或電壓模式，不僅能對極限電流進行編程，還輸出一個能受主控制器監(jiān)控的極限電流數字標志。UCD8220/8620的時序T作波形如圖3所示。

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　　目前，專為數字電源系統(tǒng)配套的數字信號處理器有美國德州儀器公司（TI）公司的UCD9501、TMS320F2808和TMS320F2806等。它們內部主要包含100MHz的32位CPU、時鐘振蕩器、3個32位定時器、看門狗電路、內部/外部中斷控制器、SCI總線、SPI總線、CAN總線及I2C總線接口、12路PWM信號輸出、系統(tǒng)控制器、16通道12位ADC、16K×16Flash、6K×16SARAM、1K×16ROM.它采用標準的3.3V輸入/輸出接口，與UCD8K系列完全兼容，利用Power PADTM HTSSOP和QFN軟件包可進行編程。

　　四、數字電源發(fā)展面臨的問題

　　數字電源已經表現(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)的反應是瞬時的，而數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、與功率組件的電壓兼容性、功耗、開關頻率和成本（在簡單應用中）等方面仍然占有優(yōu)勢。不過，如果考慮到數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字電源低。

　　數字電源中包含的技術無疑是復雜的，但它的使用并不一定就復雜。不過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。

　　數字電源中，A/D轉換器的速度和精度成反比。為了保證交換式電源有較高的穩(wěn)壓精度，A/D轉換器必需要有比較高精度的取樣，但高精度的取樣頻率需要更長的A/D轉換時間，作為反饋回路的一部分，A/D轉換時間過長必然造成額外的相位延遲時間。除了和模擬控制存在的相位延遲，轉換過程的延遲時間必然也會造成額外的等待循環(huán)，造成回路的實時反應能力變差。和模擬芯片用RC補償進行PI調節(jié)的方法一樣，在控制回路中用引入PI調節(jié)的方法以提高控制回路的實時反應能力，這種做法需要占用數字芯片較大的系統(tǒng)資源，因為數字控制和模擬控制不同，信號取樣不是連續(xù)不斷的，而是規(guī)則離散的，兩次取樣之間會有一段間隔時間，這段時間的值是無法取得的。為了要達到精確的控制，每次取樣之間的時間間隔不能太長，即取樣頻率不能太低。作為數字芯片，每次AD轉換結束后，得到的結果都會被送到系統(tǒng)的中央處理器，然后由處理器對取樣的值進行運算和PI調節(jié)。在取樣頻率比較高的時候，這種做法相當耗費系統(tǒng)運算資源，因此對數字芯片的效能要求也比較高。專門用于電源控制的數字芯片并不算多，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，但價格比較昂貴。而且通用DSP芯片不是專門的做為電源控制芯片使用，一般的電源應用對其芯片資源的利用率不高，在某些狀況之下，采用DSP芯片做為電源數字控制的核心是一種浪費。

　　因此，成本顯然是約束數字電源廣泛應用的一個主要因素。由于數字實現(xiàn)方式的成本看似高于相似的模擬實現(xiàn)方式，而且人們對于數字電源產品的采用存在顧慮，所以，從用戶的角度來說，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，數字電源才會被考慮。

　　人們對數字電源還有一個擔心就是它還不像模擬電源那樣經過多年應用的考驗，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，可靠性是設計的問題，而不是數字化的問題。

　　綜上所述，在簡單易用、參數變更不多的應用場合，模擬電源產品更具優(yōu)勢，因為其應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、需要更快實時反應速度、需要管理多個電源、復雜的高性能系統(tǒng)應用中，數字電源則具有優(yōu)勢。