STM32助你輕松解碼數(shù)字電源設計

如果把處理器和傳感器分別比作是電子設備的“大腦”和“五官”，那么電源管理就是電子設備的“心臟”，其重要性不言而喻。

物聯(lián)網(wǎng)時代，功能越來越強大的服務器、通信設備等產(chǎn)品推動了半導體工藝技術(shù)不斷升級，體積小、性能強大的芯片要求電源管理IC能提供更智能的控制環(huán)路、更快速的動態(tài)響應、更高的電壓反饋精度以及更簡化的外圍電路布局設計。

面對這些要求，擁有集成度高、快速響應、設計靈活、可控性強等優(yōu)勢的數(shù)字電源技術(shù)備受青睞。

如何定義數(shù)字電源？

數(shù)字電源，以數(shù)字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，將數(shù)字電源驅(qū)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(chǎn)品。它是通過設定開關電源的內(nèi)部參數(shù)來改變其外特性，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(shù)字電源的管理（如電源排序）必須全部采用數(shù)字技術(shù)。

▲ 數(shù)字電源原理框圖

通過軟件編程實現(xiàn)的用于電源控制算法的復雜度遠遠高于模擬電路所能實現(xiàn)的硬控制算法，后者僅局限于PID控制。 DSP/MCU的應用使得開關電源能夠用上各種現(xiàn)代控制算法 ，比如自適應控制、預測控制等。這些先進的控制算法大大的擴展了數(shù)字電源的性能，豐富了其應用場景。

除了通過軟件編程可以帶來多功能以及控制算法上的優(yōu)勢外，數(shù)字電源所采用的DSP/MCU往往還帶有豐富的通信外設。各 種接口的使用讓數(shù)字電源具備了通信能力 ，這大大擴展了數(shù)字電源的應用場景和功能，比如遠程控制、在線監(jiān)測、在線升級軟件、多電源組網(wǎng)、集群管理、故障報警等等。這是純模擬電源完全不具備的。

DSP/MCU在數(shù)字電源的應用還催生了數(shù)字電源專用的通訊協(xié)議——PMBus（Power Management Bus，電源管理總線），這是一種開放標準的數(shù)字電源管理協(xié)議。通過定義傳輸和物理接口以及命令語言，即可促進與電源轉(zhuǎn)換器或其他設備的通信。支持PMBus的芯片已經(jīng)出現(xiàn)在了很多大牌半導體廠商的產(chǎn)品庫中。

數(shù)字電源有何所長？

數(shù)字電源相對于模擬電源的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

便于高度集成化。 由于數(shù)字電路采用二進制，所以電路基本單元簡單，而且對元件要求也不嚴格，允許電路參數(shù)有較大的離散性，有利于將眾多的基本單元集成在同一硅片上進行批量生產(chǎn)。

工作準確可靠，抗干擾能力強。 數(shù)字電源用1和0來表示信號，數(shù)字電路辨別信號有無簡單，大大提高了電路的工作可靠性。同時數(shù)字信號不易受到噪聲干擾，抗干擾能力極強。

數(shù)字信息便于長期保存。 借助某種媒體(磁盤、光盤等)可將數(shù)字信息長期保存下來。

**數(shù)字集成電路產(chǎn)品多、通用性強且成本低。 **

保密性好。 數(shù)字信息容易進行加密處理，不易被竊取。

不僅能完成數(shù)值運算，還可以進行邏輯運算和判斷。 這在控制系統(tǒng)中是不可缺少的。

▲ 數(shù)字電源與模擬電源對比

從應用角度分析：

• 數(shù)字電源適合于控制參數(shù)較多、實時響應速度快、復雜的高性能電源系統(tǒng)，例如設計從AC線路到負載的高端電源系統(tǒng)?？蓮V泛用于移動通信設備、計算機服務器、數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)及不間斷電源（UPS）等。負載波動大，要求多路不同的供電電壓，甚至對供電的時序也有特殊要求，比如通信用電源、數(shù)據(jù)中心供配電、復雜電路系統(tǒng)（FPGA/CPU）等，這些用戶就需要數(shù)字電源。究其原因，就是復雜的功能可以由靈活的軟件編程來實現(xiàn)，高難度的控制需求可以有先進的算法來滿足。
• 模擬電源適應于簡單易用、控制參數(shù)少、成本低的應用場合。負載波動不大，電壓等級需求單一的系統(tǒng)適合采用模擬電源。這種條件下，由于模擬電源沒有軟件計算的延遲，其響應性能反而優(yōu)于數(shù)字電源。

STM32助你輕松解碼數(shù)字電源設計

5G、物聯(lián)網(wǎng)、AI等新興技術(shù)的加速落地，推動數(shù)字電源從消費電子、網(wǎng)絡通信延伸至汽車電子、新能源、智能硬件等廣泛領域。

從模擬電源轉(zhuǎn)到數(shù)字電源，開發(fā)人員會面臨諸多挑戰(zhàn)，如響應速度或帶寬、DSP或MCU的處理速度、ADC采樣延時、復雜拓撲支持、自適應環(huán)路/斜坡/均流/溫度補償及復雜算法等，分分鐘為設計帶來不同挑戰(zhàn)。此外，模塊化、集成化、系統(tǒng)化的發(fā)展趨勢也為數(shù)字電源設計帶來更多挑戰(zhàn)。

從硬件、軟件工具和嵌入式軟件到培訓資源和文檔，STM32數(shù)字電源一站式資源庫（也稱為D-Power）提供一整套材料，以支持并加快數(shù)字電源應用的開發(fā)，如D-SMPS、照明、焊接、太陽能系統(tǒng)和無線充電器的逆變器。

▲ 基于STM32的數(shù)字電源市場應用

** STM32 D-Power 產(chǎn)品線**

STM32 D-Power產(chǎn)品組合包括STM32產(chǎn)品系列的幾個產(chǎn)品線，并涵蓋了入門級到高性能產(chǎn)品，從而能夠在性能方面實現(xiàn)最大可擴展性與靈活性。

STM32D-Power產(chǎn)品組合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。STM32F3、STM32G4和STM32H7 MCU包含模擬組件的產(chǎn)品編號為STM32F334、STM32G474和STM32H743等。

▲ 可用于數(shù)字電源的產(chǎn)品型號

嵌入式HRTimer主要特點包括：

1. 高分辨率 ：184ps（STM32G474）或217ps（STM32F334）

• 多達12個通道的定時器單元組成，支持交叉互補或獨立工作模式
• 無論電壓、溫度或制造偏差如何，始終可以在所有通道上實現(xiàn)高分辨率

2.** 波形生成與事件管理**

• 軟件介入最少的高級PWM波形生成
  • 智能功能，如硬件突發(fā)模式控制器，自動延遲模式，外部事件窗口，平衡空閑模式(帶延遲與自動恢復功能)，斜坡補償，谷值跳躍，多種保護方案。
  • 每個定時器都有一路DMA通道
  • 修改一個參數(shù)可更改多個事件（定時器級聯(lián)）
• 復雜事件管理：10路外部事件輸入，最多6路故障輸入
• 眾多互連

▲ 可用于數(shù)字電源的STM32產(chǎn)品線