數(shù)字電源設(shè)計方案難選？相信我，看了本文就不難了~

作為一名當代的電源設(shè)計工程師，如果正打算為終端系統(tǒng)選擇一款合適的電源解決方案，很可能會感到非常的糾結(jié)：

●   是選擇模擬電源還是數(shù)字電源？

●   如果選擇數(shù)字電源，是選擇基于DSP的控制方案還是基于MCU的控制方案？

我們非常理解電源工程師的難處，希望下面的文字能夠化解這一難題。

模擬電源vs數(shù)字電源

眾所周知，在核心功率轉(zhuǎn)換方面，模擬電源方案一直是行業(yè)的主角，相關(guān)的產(chǎn)品種類豐富且久經(jīng)市場考驗，非常值得信賴。不過，近幾年異軍突起的數(shù)字電源正在打破這種市場狀況。

所謂的數(shù)字電源實際上就是一種采用數(shù)字信號來控制開關(guān)電源的開關(guān)狀態(tài)和頻率，并通過數(shù)字信號處理器（DSP）、微處理器（MCU）等對電源輸出進行控制和監(jiān)測的功率轉(zhuǎn)換解決方案，它具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、高效率且能遠程控制并自動調(diào)節(jié)輸出電壓等特點。

在傳統(tǒng)的模擬電源中，變壓器電源由鐵芯和線圈組成。線圈的匝數(shù)決定了兩端的電壓比。主線圈產(chǎn)生頻率為50Hz的變化磁場，這種變化的磁場通過鐵芯傳輸?shù)酱渭壘€圈，并在次級線圈中產(chǎn)生感應電壓，依靠變壓器來實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。這種模擬電源的缺點是，由于線圈和鐵芯是導體，因此在電壓轉(zhuǎn)換過程中會因自感電流而產(chǎn)生能量損耗，變壓器的效率很低，一般不超過35%。另外，這種產(chǎn)品的體積也比較大，會占用較多的PCB面積。

開關(guān)電源解決了傳統(tǒng)模擬電源變壓器效率低下的問題，其工作原理是，在電流進入變壓器之前，通過晶體管的開關(guān)功能提高線圈的頻率，通常會將50HZ的電流頻率提高到數(shù)萬HZ。在如此高的頻率下，磁場變化的頻率也達到數(shù)萬HZ，因此線圈的尺寸將大大縮小。由于匝數(shù)和磁芯體積的減少，熱損耗明顯降低。通常，開關(guān)電源的效率能達到90%以上，并且體積非常小，輸出穩(wěn)定，具有傳統(tǒng)模擬電源難以實現(xiàn)的優(yōu)點。

數(shù)字電源是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中降低功耗和管理日益增長的電源復雜性的重要技術(shù)之一。從智能手持設(shè)備到數(shù)據(jù)服務(wù)器和無線基站，數(shù)字電源的管理和控制提供了實時智能，使開發(fā)人員能夠構(gòu)建自動適應環(huán)境并優(yōu)化效率的電力系統(tǒng)。數(shù)字電源的使用意味著對負載和系統(tǒng)溫度的變化可進行自動補償，通過自適應死區(qū)控制實現(xiàn)節(jié)能，動態(tài)電壓縮放實現(xiàn)優(yōu)秀的系統(tǒng)性能，并在各種故障條件下通過強大的保護實現(xiàn)安全運行。

從技術(shù)角度看，數(shù)字電源由DSP或MCU控制，相對而言，DSP控制的電源采用數(shù)字濾波，可以滿足復雜的電源要求，實時響應速度更快，電源電壓調(diào)節(jié)性能更好?，F(xiàn)在的功率模塊IC將脈寬調(diào)制器（PWM）、電感、功率MOSFET和無源元件均集成到一個小封裝中用于高效功率轉(zhuǎn)換，因此，構(gòu)建一個完整的數(shù)字電源系統(tǒng)只需幾個輸入和輸出端，電源的設(shè)計變得越來越簡單易行。由于電源模塊IC僅以較小的PCB面積即可為各種導軌供電，因此，系統(tǒng)設(shè)計者可以開發(fā)出更緊湊、外形更小的電子產(chǎn)品。

綜合來看，在易于使用且?guī)缀醪恍枰墓ぷ鲄?shù)的應用中，我們可以通過硬件固化來實現(xiàn)有針對性的應用，這種情形模擬電源產(chǎn)品更有優(yōu)勢。然而，在復雜的多系統(tǒng)業(yè)務(wù)中，與模擬電源相比，數(shù)字電源的優(yōu)勢就顯得非常突出，比如數(shù)字電源是通過軟件編程實現(xiàn)的，其可擴展性和可重用性允許用戶輕松更改工作參數(shù)并優(yōu)化電力系統(tǒng)。另外，通過實時過電流保護和管理，還能有效減少外圍設(shè)備的數(shù)量。

數(shù)字電源的優(yōu)勢

有關(guān)數(shù)字電源的優(yōu)勢，我們可以歸納為以下幾點：

實現(xiàn)了電源的智能管理，很大限度地提高了系統(tǒng)性能和效率。數(shù)字功率IC通過使用功率管理總線（PMBus）協(xié)議的系統(tǒng)管理總線（SMBus）彼此通信，使用支持SMBus和PMBus的設(shè)備進行功率轉(zhuǎn)換提供了傳統(tǒng)模擬電源系統(tǒng)無法實現(xiàn)的靈活性和控制。通過基于PMBus協(xié)議的I2C通信總線，主機控制器能輕松管理輸出電壓的調(diào)整、功率排序和多個電壓軌的同步。PMBus支持的數(shù)字電源模塊IC使高效、緊湊和智能電源的設(shè)計變得簡單。

有效縮短了產(chǎn)品的開發(fā)時間。新產(chǎn)品的設(shè)計可能隨時都會發(fā)生變化，比如增加電源軌、電流或瞬態(tài)響應需要調(diào)整。對于數(shù)字電源而言，借助SMBus可輕松地將新的電源軌添加到電源管理系統(tǒng)中。

較低的運營成本，包括降低系統(tǒng)BOM成本，同時提高可靠性和產(chǎn)品壽命。有了數(shù)字電源，許多系統(tǒng)管理和電源控制功能可以用固件實現(xiàn)，節(jié)省了硬件成本。憑借更少的組件和全面的數(shù)字管理保護功能，系統(tǒng)產(chǎn)品可以享有更高的可靠性和更長的使用壽命。

當今許多電子系統(tǒng)的電源需求即使是領(lǐng)先的模擬電源也無法滿足。數(shù)字電源具有很高的靈活性和適應性，效率高且成本相對較低，它解決了各種應用在電力方面的設(shè)計需求。

兩種全數(shù)字電源設(shè)計方案

數(shù)字電源的發(fā)展并不是一成不變的，始終處于技術(shù)的快速演變中。數(shù)字電源的定義也會因電源轉(zhuǎn)換供應商的不同而略有差異。有人說它僅是在模擬電源基礎(chǔ)上增加了控制回路，具有數(shù)字接口，通過PMBus添加了數(shù)字電源功能；有人堅持認為數(shù)字電源是基于MCU或DSP解決方案的全數(shù)字控制回路。第一種情形因為模擬功率控制核心由數(shù)字管理電路封裝，常常被稱為數(shù)字封裝解決方案。后者則被稱為全數(shù)字解決方案，用戶可能需要進行大量的軟件編碼。

這兩種數(shù)字電源解決方案各有利弊。數(shù)字封裝解決方案不需要編程來控制功率轉(zhuǎn)換，但無法提供數(shù)字電源的全部好處，另外還需要補償回路設(shè)計，這對不是電源設(shè)計專家的系統(tǒng)設(shè)計人員來說可能是一個挑戰(zhàn)。全數(shù)字電源解決方案在閉環(huán)控制方案中具有高靈活性，但需要良好的控制算法和固件設(shè)計。此外，為了實現(xiàn)高系統(tǒng)精度，需要高分辨率的A/D電路和更快的時鐘，一定程度上會增加電源部分的成本。

其實，設(shè)計電源或功率轉(zhuǎn)換器的目標很簡單，即：在輸入電壓或負載條件發(fā)生變化的情況下，以所需的電壓值提供穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)的直流輸出。一個全數(shù)字電源方案通常都會具備下面四個功能：

●   能發(fā)PWM波，并且具備保護關(guān)斷功能；

●   能進行環(huán)路運算；

●   可實現(xiàn)快速ADC采樣；

●   擁有常規(guī)的通信接口，如I2C、串口等。

除去這些基本功能，全數(shù)字電源設(shè)計還有DSP和MCU控制之分，這個又該如何選擇呢？

開關(guān)電源的數(shù)字控制在當今工業(yè)中變得越來越普遍，對于全數(shù)字電源設(shè)計，通用MCU的基本外設(shè)包括PWM、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、UART以及定時器等。相對DSP而言，它欠缺了高分辨率PWM（HRPWM）外設(shè)。然而，就是這個外設(shè)，它的作用卻非比尋常。HRPWM 外設(shè)是獨立于常規(guī)PWM模塊之外的一個外設(shè)，也是對全數(shù)字電源精度影響極大的一個外設(shè)。

低成本、高性能的DSP控制器具有增強和集成的電力電子外圍設(shè)備，如ADC和HRPWM，基于DSP的數(shù)字控制允許實現(xiàn)更多功能的控制方案、多平臺的標準控制硬件設(shè)計以及快速修改設(shè)計以滿足特定客戶需求的靈活性。由于DSP不太容易受到老化和環(huán)境變化的影響，并且具有更好的抗噪聲性。因此，對電源精度有較高要求的能量轉(zhuǎn)換與存儲等應用，DSP方案可能是更優(yōu)的選擇。

TI的TMS320F280x是32位DSP，處理速度高達100MHz，有增強的外圍設(shè)備，如HRPWM模塊、轉(zhuǎn)換速度高達160ns的12位A/D轉(zhuǎn)換器、32x32位乘法器、32位定時器和實時代碼調(diào)試能力等，為電源設(shè)計人員提供了數(shù)字控制的所有好處，并允許實現(xiàn)高帶寬，高頻電源而不犧牲性能。

DSP的額外計算能力還允許實現(xiàn)復雜的非線性控制算法，將多個轉(zhuǎn)換器控制集成到同一處理器中，優(yōu)化總系統(tǒng)成本。在基于TMS320F280x的數(shù)字控制DC-DC開關(guān)電源的設(shè)計中，圖1顯示了需要單信號測量來實現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換器的電壓模式控制。

其瞬時輸出電壓Vout由電壓感測電路感測和調(diào)節(jié)，然后經(jīng)由ADC通道輸入到DSP。電壓環(huán)路控制器Gc被設(shè)計為使輸出電壓Vout跟蹤參考Vref，同時實現(xiàn)期望的動態(tài)性能。

該控制器的數(shù)字化輸出U為降壓調(diào)節(jié)器開關(guān)Q1提供占空比命令。該命令輸出用于計算片上PWM模塊中定時器比較寄存器的適當值。PWM模塊使用該值來生成PWM輸出（當前情況為PWM1），PWM1輸出最終驅(qū)動降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)Q1。

圖1：基于TMS320F280x 的數(shù)字控制DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案簡化框圖（圖源：Texas Instruments）

在基于MCU控制的全數(shù)字電源設(shè)計中，STMicroelectronics的STM32數(shù)字電源（D-Power）產(chǎn)品組合包括STM32產(chǎn)品系列的多個產(chǎn)品線，涵蓋了從入門級到高性能，包括帶有嵌入式高分辨率定時器（HRTimer）的STM32F3、STM32G4 和 STM32H7 MCU。

該計時器作為一種功能強大且靈活的脈沖寬度調(diào)制（PWM）發(fā)生器，可提供高達184ps的分辨率。當STM32F3、STM32G4和STM32H7 MCU包含模擬組件時，其產(chǎn)品編號變成STM32F334、STM32G474和STM32H743。

STM32 D-Power 生態(tài)系統(tǒng)還為數(shù)字電源領(lǐng)域從初學者到專家級開發(fā)人員提供了開發(fā)上的便利，比如B-G474E-DPOW1 探索套件就是一個完整的數(shù)字電源解決方案，并且是一種基于STM32G474RET6 MCU的完整演示與開發(fā)平臺，它充分利用了HRTimer的性能，幫助設(shè)計人員以數(shù)字電源為原型應用，快速實現(xiàn)降壓-升壓轉(zhuǎn)換。

圖2：B-G474E-DPOW1 探索套件

（圖源：STMicroelectronics）

隨著MCU技術(shù)的進步，HRPWM外設(shè)并非DSP獨有。NXP的數(shù)字信號控制器（DSC）在一個芯片中集成了微控制器（MCU）的功能和強大的數(shù)字信號處理（DSP）的功能，適用于從通用嵌入式市場到電機控制和功率變換等各種應用。

在數(shù)字電源領(lǐng)域，NXP近年來推出的全新DSC產(chǎn)品，針對新的數(shù)字電源應用集成了高性能的CPU內(nèi)核的智能控制外設(shè)，如皮秒級精度的eFlexPWM、高速且觸發(fā)靈活的ADC、帶同步斜坡生成的DAC、高速可靠的比較器、多模式內(nèi)置運放OPAMP，以及靈活配置的XBAR和事件觸發(fā)發(fā)生器。這些外設(shè)的靈活組合使得DSC能夠針對不同的開關(guān)模式電源（SMPS）拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同的控制功能和高效率的設(shè)計。

MC56F8xx 32位DSP是NXP新一代入門級DSC產(chǎn)品，基于高性能56800EX DSP內(nèi)核，頻率高達100MHz，它還是NXP第一款集成數(shù)字簽名算法安全子系統(tǒng)（DSASS）和高速低功耗運算放大器的DSC產(chǎn)品。

此外，MC56F81xxx系列對MC56F82xxx系列進行了許多功能增強，包括增強的DMA功能（eDMA），可配置邏輯事件發(fā)生器（EVTG），雙1.6MSps 12位ADC和完全PMBus支持，為功率轉(zhuǎn)換應用提供了極具成本效益的解決方案。

圖3：MC56F81xxx系列系統(tǒng)框圖

（圖源：NXP）

結(jié)語

數(shù)字電源轉(zhuǎn)換市場約占電源轉(zhuǎn)換市場的50%。這一市場的增長主要歸因于工業(yè)、通信、計算和汽車電子產(chǎn)品的各種數(shù)字電源系統(tǒng)中越來越多地采用AC/DC電源轉(zhuǎn)換、隔離電源轉(zhuǎn)換、DC/DC功率轉(zhuǎn)換、DC/AC功率轉(zhuǎn)換、功率調(diào)節(jié)、有源功率濾波等。

未來幾年，數(shù)字電源轉(zhuǎn)換市場的需求預計將大幅增長，F(xiàn)uture Market Insights（FMI）的分析認為，數(shù)字電源轉(zhuǎn)換市場將從2022年的176.06億美元增長到2029年的383.40億美元，2022-2029年期間的復合年增長率達到11.8%。而中國將成為數(shù)字電源轉(zhuǎn)換市場中表現(xiàn)非常突出的市場，預計中國將在2022-2029年間在數(shù)字電源轉(zhuǎn)換市場的復合年增長率將高達14.1%。

如果說幾年前數(shù)字電源還是一個概念，那么，如今的數(shù)字電源技術(shù)在數(shù)據(jù)中心等電力密集型應用中已獲廣泛應用。通過使用數(shù)字電源模塊，系統(tǒng)設(shè)計者可以為更多系統(tǒng)功能節(jié)省PCB空間，減少產(chǎn)品開發(fā)時間，降低研發(fā)成本，并快速將新產(chǎn)品推向市場。通過數(shù)字控制和高可靠性，可以優(yōu)化系統(tǒng)運行，以實現(xiàn)低功耗和更長的使用壽命。

全數(shù)字電源解決方案主要借助通用MCU或DSP實現(xiàn)，然而，MCU和DSP并不是專門為電源設(shè)計的產(chǎn)品，通常需要過多的編碼和固件設(shè)計時間，這使得全數(shù)字電源解決方案的設(shè)計變得困難。這一過程對有著數(shù)年設(shè)計經(jīng)驗的模擬電源工程師而言存在著非常大的挑戰(zhàn)。為此，各數(shù)字電源方案的供應商在提供產(chǎn)品的同時，基本都會同步提供配套的開發(fā)工具或開發(fā)板，使得這一困境得到了極大的緩解，進一步推動了數(shù)字電源方案的普及應用。

盡管如此，我們還必須認清一個事實，那就是模擬電源仍將存在一段時間并占據(jù)較大的市場份額，與當今市場上的數(shù)字電源和諧共處。