數(shù)字電源控制的真實承諾

　　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，同時面對日益緊張的進(jìn)度表和不斷縮減的人員，即使是最資深的工程師，也會感到“不適”。一些人爭辯說他們不需要像計算機(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)百萬個晶體管的數(shù)字控制芯片怎么可能與包含幾百個晶體管的專用模擬控制器相競爭呢？

　　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)成的模擬計算機(jī)(1940年~1960年)通過實現(xiàn)模擬積分器、加法器和乘法器來執(zhí)行計算功能。早期的數(shù)字計算機(jī)要占據(jù)整個房間，具有數(shù)以萬計的真空管，功耗達(dá)到幾十千瓦。與之相比，臺式模擬計算機(jī)的尺寸只是它的一小部分，功耗是它的百分之一，但數(shù)字計算機(jī)贏得了最終的勝利。為什么呢？主要是由于兩個因素：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)字計算機(jī)會失敗，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)展真正掃除了對數(shù)字計算機(jī)可靠性一直持有的顧慮。這為數(shù)字計算機(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，實現(xiàn)速度控制和PWM信號生成。

　　在整個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。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。

　　因為最早的數(shù)字電機(jī)控制器體積大、價格貴，所以它們最初應(yīng)用于高端的運(yùn)動控制系統(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，便于制造、設(shè)計、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化印刷電路板的設(shè)計。

　　專用電源控制器有兩個子類：純專用邏輯，以及集成了專用邏輯、可實現(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器，用于存儲濾波器系數(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控制器都針對特定應(yīng)用而設(shè)計。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)計師希望實現(xiàn)新的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)洌O(shè)計師將不得不采用現(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)計師放棄開發(fā)新的、可能非常重要的設(shè)計。結(jié)果就是大量的電源設(shè)計都極其類似，使競爭對手可以很容易地進(jìn)行“克隆”，從而降低每個制造商的利潤率。

　　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現(xiàn)控制功能。但是，DSC需要比專用邏輯更大的功耗，因為它提供更多的通用資源。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)軟件知識產(chǎn)權(quán)，使克隆電源設(shè)計變得更難。

　　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，以滿足前沿電路設(shè)計的特定挑戰(zhàn)和需求。最初，功率晶體管用于實現(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更高能效需求的增長，同步整流器變得很普遍。現(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輸出不再是簡單的PWM，它們應(yīng)被視為可編程晶體管控制信號。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。