數字電源

目前，數字電源有多種定義。

定義一：通過數字介面控制的開關電源(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，能實現控制、管理和監測功能的電源產品。它是通過設定開關電源的內部參數來改變其外在特性，並在“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)必須全部採用數字技術。

與傳統的模擬電源相比，數字電源的主要區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勢，因為其應用的針對性可以通過硬體固化來實現，而在可控因素較多、實時反應速度更快、需要多個模擬系統電源管理的、複雜的高性能系統應用中，數字電源則具有優勢。

此外，在複雜的多系統業務中，相對模擬電源，數字電源是通過軟體編程來實現多方面的應用，其具備的可擴展性與重複使用性使用戶可以方便更改工作參數，優化電源系統。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控制的電源採用數字濾波方式，較MCU控制的電源更能滿足複雜的電源需求，而且實時反應速度更快、電源穩壓性能更好。

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。傳統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，並非真正意義的數字電源。

2.數模組件組合優化

採用“整合數字電源”(Fusion Digital Power)技術，實現了開關電源中模擬組件與數字組件的優化組合。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並實現各種保護及偏置電源管理，而PWM控制器也屬於數控模擬晶元。

3.集成度高

實現了電源系統單片集成化(Power System on Chip)，將大量的分立式元器件整合到一個晶元或一組晶元中。

4.控制精度高

能充分發揮數字信號處理器及微控制器的優勢，使所設計的數字電源達到高技術指標。例如，其脈寬調製(PWM)分辨力可達150ps(10~12s)的水平，這是傳統開關電源所望塵莫及的。數字電源還能實現多相位控制、非線性控制、負載均流以及故障預測等功能，為研製綠色節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有機融合，便於構成分散式數字電源系統，提高電源系統的可靠性。

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：在保障穩定性的前提下，具有快速性、平穩性和準確性。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原理和方法。

負載點變換器(POL)通常用於將直流輸入電壓(一般為5V~12V)調節成適用於負載要求的直流輸出電壓(0.7V~3.3V)。例如，在典型的基於降壓(Buck)開關變換器的電路中，Buck變換器包含一個脈衝寬度調製(PWM)主控制晶元，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。在脈衝寬度調製控制晶元中，一個電阻分壓器對電源的輸出電壓進行採樣，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律的誤差補償器(Compensator)進行放大后，其輸出進入脈寬調製器(PWM)，經過與載波(通常為鋸齒波或三角波)比較之後產生脈衝波，從而控制功率開關(通常為MOSFET)的導通與關斷。由於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路一般會作為補償迴路，以確保動態響應和穩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路。這些部分由感應器、電容和電阻構成，可以提供數種功能。輸入濾波器有助於保護電源不受電源電壓瞬態的影響，在動態負載變化過程中提供一些能量存儲，並附帶濾波器網路以使電源滿足其輸入引起的發射規範。輸出濾波器穩定輸出電壓以確保電源滿足其紋波和雜訊規範，此外還存儲能量以幫助維護負載電路的動態電流要求。重要的是，對於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結構中，輸出電壓感應排列類似於模擬系統。但是，模數轉換器(ADC)代替了模擬系統的誤差放大器，從而將感應到的模擬電壓值轉換成二進位數。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，但是採用單個ADC並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，並依次將每個輸入發送至ADC.

由於MUX和ADC的採樣速率是固定的，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。這些值供給為系統提供處理能力的微控制器。卡上程序內存存儲著微控制器的控制演演算法，這些演演算法負責執行一系列有關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迴路補償等參數。有了這些參數，數字脈寬調製器(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介面及協議與外界通信了。模擬系統的外部迴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。在系統啟動時，數據會由EEPROM下載到數據內存中，主晶元據此控制模塊的工作狀態。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。

數字電源正是為了克服現代電源的複雜性而提出的，它實現了數字和模擬技術的融合，提供了很強的適應性與靈活性，具備直接監視、處理並適應系統條件的能力，能夠滿足幾乎任何電源要求。數字電源還可通過遠程診斷以確保持續的系統可靠性，實現故障管理、過電壓（流）保護、自動冗餘等功能。由於數字電源的集成度很高，系統的複雜性並不隨功能的增加而增加過多，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，簡化了設計製造流程。同時，數字電源的自動診斷、調節的能力使調試和維護工作變得輕鬆。

數字電源管理晶元易於在多相以及同步信號下進行多相式並聯應用，可擴展性與重複性優秀，輕鬆實現負載均流，減少EMI，並簡化濾波電路設計。數字控制的靈活性能把電源組合成串聯或並聯模型，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上都具有最優的功率轉換效率。

相對模擬控制技術，數字技術的獨特優勢還包括在線可編程能力、更先進的控制演演算法、更好的效率優化、更高的操作精確度和可靠性、優秀的系統管理和互聯功能。數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、補償等問題，無須調諧、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於實現非線性控制（可改善電源的瞬態響應能力）和多環路控制等高級控制演演算法；更新固件即可實現新的拓撲結構和控制演演算法，更改電源參數也無須變更板卡上的元器件。

數字控制還能讓硬體平台重複使用，通過設計不同固件即可滿足各種最終系統的獨特要求，從而加快產品上市，減少開發成本、元器件庫存與風險。

數字電源已經表現出相當多的優點，但仍有一些缺點需要克服。例如，模擬控制對信號狀態的反應是瞬時的，而數字電源需要一個採樣、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於模擬電源，精度和效率也比模擬電源稍差。雖然數字控制方法的優點在負載點（POL）系統中非常明顯，但模擬電源在解析度、帶寬、與功率元件的電壓兼容性、功耗、開關頻率和成本（在簡單應用中）等方面仍然佔有優勢。不過，如果考慮到數字電源解決方案具有的優點，使用模擬電路搭建功能相似的電路，成本並不一定就比數字電源低。

數字電源中包含的技術無疑是複雜的，但它的使用並不一定就複雜。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。

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於模擬電路一樣，可靠性是設計的問題，而不是數字化的問題。

不過，成本顯然是約束數字電源廣泛應用的一個主要因素。由於數字實現方式的成本看似高於相似的模擬實現方式，而且人們對於數字電源產品的採用存在顧慮，所以，從用戶的角度來說，也只有當數字電源的成本等於或低於模擬電源（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。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勢，因為其應用的針對性可以通過硬體固化來實現。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、複雜的高性能系統應用中，數字電源則具有優勢。

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。

(一)驅動器

目前，數字控制電源驅動器晶元中比較典型的應用有美國德州儀器公司(TI)公司的UCD7100/7201晶元。二者的區別是：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。主控制器可監控其輸出電流，快速檢測過流故障並迅速關斷電源，檢測周期僅為25ns.

現以UCD7100為例，該晶元主要包括3.3V電壓調整器及基準電壓源、觸發器、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。“True Drive”(真驅動)為TI公司的專有技術，它是由並聯雙極性晶體管和MOSFET管組成上拉/下拉電路構成的混合輸出級。其優點是驅動能力強，在低電壓時也能正常輸出，並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體。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輸出停在高電平上併發生過電流故障，電流檢測電路就關斷驅動器的輸出，系統可進入重試模式。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)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。二者區別是UCD8220可利用48V低壓啟動，UCD8620內部增加了110V高壓啟動電路。

該晶元主要包括3.3V電壓調整器及基準電壓源、脈寬調製器(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控的極限電流數字標誌。

(三)處理器

目前，專為數字電源系統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匯流排、SPI匯流排、CAN匯流排及I2C匯流排介面、12路PWM信號輸出、系統控制器、16通道12位ADC、16K×16Flash、6K×16SARAM、1K×16ROM.它採用標準的3.3V輸入/輸出介面，與UCD8K系列完全兼容，利用Power PADTM HTSSOP和QFN軟體包可進行編程。

在啟動和停機之間，數字電源器件起什麼作用呢？兩種核心功能是監控和遙測。監控是一種快速動作安全功能，其可防止器件和/或負載受損。遙測是一種持續的質量管理功能。以下是上述兩種功能對於數字電源有以下好處：

●徠 優化

● 預見性維護

● 故障檢測

在這我們來看看一種典型的POL內部架構，並研究其對電源系統設計的影響。

POL內部架構

圖1示出了具有3個主要功能塊的簡化POL。

● 監控器

● 監視器

● 數字處理單元

數字處理單元是“大腦”(未示出的是內核電源轉換)。數字處理單元負責處理PMBus和CONTROL輸入，並把POWER_GOOD和FAULT/置為有效。

大多數器件都具有多個這樣的POL，不過為簡單起見，我們可以插入輸入和輸出。

圖1：POL結構