簡述數(shù)字電源的基本原理

數(shù)字電源的關鍵是電源管理、控制信號的數(shù)字化處理，其基本要求是：在保障穩(wěn)定性的前提下，具有快速性、平穩(wěn)性和準確性。下面以負載點變換器（POL）為例說明數(shù)字電源控制功能的實現(xiàn)原理和方法。
負載點變換器（POL）通常用于將直流輸入電壓（一般為5V~12V）調節(jié)成適用于負載要求的直流輸出電壓（0.7V~3.3V）。例如，在典型的基于降壓（Buck）開關變換器的電路中，Buck變換器包含一個脈沖寬度調制（PWM）主控制芯片，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。在脈沖寬度調制控制芯片中，一個電阻分壓器對電源的輸出電壓進行采樣，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(chǎn)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(guī)律的誤差補償器（Compensator）進行放大后，其輸出進入脈寬調制器（PWM），經(jīng)過與載波（通常為鋸齒波或三角波）比較之后產(chǎn)生脈沖波，從而控制功率開關（通常為MOSFET）的導通與關斷。由于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(wǎng)絡一般會作為補償回路，以確保動態(tài)響應和穩(wěn)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(wǎng)絡。這些部分由感應器、電容和電阻構成，可以提供數(shù)種功能。輸入濾波器有助于保護電源不受電源電壓瞬態(tài)的影響，在動態(tài)負載變化過程中提供一些能量存儲，并附帶濾波器網(wǎng)絡以使電源滿足其輸入引起的發(fā)射規(guī)范。輸出濾波器穩(wěn)定輸出電壓以確保電源滿足其紋波和噪聲規(guī)范，此外還存儲能量以幫助維護負載電路的動態(tài)電流要求。重要的是，對于模擬或數(shù)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(shù)字電源控制系統(tǒng)結構中，輸出電壓感應排列類似于模擬系統(tǒng)。但是，模數(shù)轉換器（ADC）代替了模擬系統(tǒng)的誤差放大器，從而將感應到的模擬電壓值轉換成二進制數(shù)。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(shù)也非常有用。雖然獨立的ADC可以感應每個參數(shù)，但是采用單個ADC并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，并依次將每個輸入發(fā)送至ADC.
由于MUX和ADC的采樣速率是固定的，因此ADC對每個參數(shù)都輸出一系列數(shù)字，每個數(shù)字由己知的時間段分隔。這些值供給為系統(tǒng)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算法，這些算法負責執(zhí)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回路補償?shù)葏?shù)。有了這些參數(shù)，數(shù)字脈寬調制器（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接口及協(xié)議與外界通信了。模擬系統(tǒng)的外部回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(shù)的參考值在生產(chǎn)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(tǒng)啟動時，數(shù)據(jù)會由EEPROM下載到數(shù)據(jù)內存中，主芯片據(jù)此控制模塊的工作狀態(tài)。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。