數(shù)字電源的特點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀

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(yùn)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(jià)卻不斷下降。此外，用戶對電源|穩(wěn)壓器的故障修復(fù)時(shí)間、電源運(yùn)行狀態(tài)的感知與控制的要求越來越高，電源設(shè)計(jì)人員不再滿足于實(shí)時(shí)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(gè)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(yùn)而生，其目標(biāo)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(shí)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(shí)現(xiàn)電源的控制、保護(hù)回路與通信接口的新型電源技術(shù)?？删幊?、響應(yīng)性和數(shù)字環(huán)路控制是表征數(shù)字電源的3個(gè)主要特征。

隨著電源系統(tǒng)的性能和功率的不斷提高，實(shí)現(xiàn)電源性能指標(biāo)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(shí)現(xiàn)。一般認(rèn)為，在設(shè)計(jì)DC/DC變換器時(shí)，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(jì)AC/DC變換器時(shí)，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(jì)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(dāng)一段時(shí)間。30年前，電源行業(yè)轉(zhuǎn)向開關(guān)電源是一個(gè)很大的變化，而電源數(shù)字化趨勢將會是一個(gè)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(fù)載點(diǎn)POL轉(zhuǎn)換器仍采用模擬控制。這是因?yàn)樵S多模擬電源系統(tǒng)經(jīng)過了多年的檢驗(yàn)，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(fù)載變化時(shí)的電源響應(yīng)時(shí)間）、占板面積等指標(biāo)都優(yōu)于當(dāng)前的數(shù)字電源解決方案，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(jìn)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(jìn)行設(shè)置和控制。即使是具有最先進(jìn)拓?fù)浣Y(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(dòng)時(shí)間、輸出點(diǎn)值及開關(guān)頻率等參數(shù)。這些電阻、電容的值都是設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí)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(shí)現(xiàn)。而且，為實(shí)現(xiàn)更多功能，就要設(shè)計(jì)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?yàn)槭褂迷S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(shí)間、溫度和其他環(huán)境條件的變化而變動(dòng)，從而對系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)能力造成負(fù)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(gè)范圍狹窄的特定負(fù)載，因此無法為所有電壓值或負(fù)載點(diǎn)提供最優(yōu)化的控制響應(yīng)。換句話說，如果你需要一個(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬技術(shù)的融合，提供了很強(qiáng)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(yuǎn)程診斷以確保持續(xù)的系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)故障管理、過電壓（流）保護(hù)、自動(dòng)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(jì)制造流程。同時(shí)，數(shù)字電源的自動(dòng)診斷、調(diào)節(jié)的能力使調(diào)試和維護(hù)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(jìn)行多相式并聯(lián)應(yīng)用，可擴(kuò)展性與重復(fù)性優(yōu)秀，輕松實(shí)現(xiàn)負(fù)載均流，減少EMI，并簡化濾波電路設(shè)計(jì)。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(fù)載點(diǎn)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(dú)特優(yōu)勢還包括在線可編程能力、更先進(jìn)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(bǔ)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(yùn)算特性使它更易于實(shí)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(shí)現(xiàn)新的拓?fù)浣Y(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(jì)不同固件即可滿足各種最終系統(tǒng)的獨(dú)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(fēng)險(xiǎn)。