數(shù)字電源設(shè)計(jì)方案難選？相信我，看了本文就不難了~

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作為一名當(dāng)代的電源設(shè)計(jì)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(huì)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(chǎng)考驗(yàn)，非常值得信賴。不過(guò)，近幾年異軍突起的數(shù)字電源正在打破這種市場(chǎng)狀況。

所謂的數(shù)字電源實(shí)際上就是一種采用數(shù)字信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和頻率，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、微處理器（MCU）等對(duì)電源輸出進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)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(yuǎn)程控制并自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓等特點(diǎn)。

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(chǎng)，這種變化的磁場(chǎng)通過(guò)鐵芯傳輸?shù)酱渭?jí)線圈，并在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，依靠變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。這種模擬電源的缺點(diǎn)是，由于線圈和鐵芯是導(dǎo)體，因此在電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)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(guò)35%。另外，這種產(chǎn)品的體積也比較大，會(huì)占用較多的PCB面積。

開(kāi)關(guān)電源解決了傳統(tǒng)模擬電源變壓器效率低下的問(wèn)題，其工作原理是，在電流進(jìn)入變壓器之前，通過(guò)晶體管的開(kāi)關(guān)功能提高線圈的頻率，通常會(huì)將50HZ的電流頻率提高到數(shù)萬(wàn)HZ。在如此高的頻率下，磁場(chǎng)變化的頻率也達(dá)到數(shù)萬(wàn)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(kāi)關(guān)電源的效率能達(dá)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(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

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(zhǎng)的電源復(fù)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(wú)線基站，數(shù)字電源的管理和控制提供了實(shí)時(shí)智能，使開(kāi)發(fā)人員能夠構(gòu)建自動(dòng)適應(yīng)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(duì)負(fù)載和系統(tǒng)溫度的變化可進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，通過(guò)自適應(yīng)死區(qū)控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能，動(dòng)態(tài)電壓縮放實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的系統(tǒng)性能，并在各種故障條件下通過(guò)強(qiáng)大的保護(hù)實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。

從技術(shù)角度看，數(shù)字電源由DSP或MCU控制，相對(duì)而言，DSP控制的電源采用數(shù)字濾波，可以滿足復(fù)雜的電源要求，實(shí)時(shí)響應(yīng)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(wú)源元件均集成到一個(gè)小封裝中用于高效功率轉(zhuǎn)換，因此，構(gòu)建一個(gè)完整的數(shù)字電源系統(tǒng)只需幾個(gè)輸入和輸出端，電源的設(shè)計(jì)變得越來(lái)越簡(jiǎn)單易行。由于電源模塊IC僅以較小的PCB面積即可為各種導(dǎo)軌供電，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以開(kāi)發(fā)出更緊湊、外形更小的電子產(chǎn)品。

綜合來(lái)看，在易于使用且?guī)缀醪恍枰墓ぷ?a target="_blank">參數(shù)的應(yīng)用中，我們可以通過(guò)硬件固化來(lái)實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的應(yīng)用，這種情形模擬電源產(chǎn)品更有優(yōu)勢(shì)。然而，在復(fù)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(shì)就顯得非常突出，比如數(shù)字電源是通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)的，其可擴(kuò)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(guò)實(shí)時(shí)過(guò)電流保護(hù)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(shì)

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

實(shí)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(guò)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(jìn)行功率轉(zhuǎn)換提供了傳統(tǒng)模擬電源系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的靈活性和控制。通過(guò)基于PMBus協(xié)議的I²C通信總線，主機(jī)控制器能輕松管理輸出電壓的調(diào)整、功率排序和多個(gè)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(jì)變得簡(jiǎn)單。

有效縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間。新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可能隨時(shí)都會(huì)發(fā)生變化，比如增加電源軌、電流或瞬態(tài)響應(yīng)需要調(diào)整。對(duì)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(yùn)營(yíng)成本，包括降低系統(tǒng)BOM成本，同時(shí)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(shí)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(hù)功能，系統(tǒng)產(chǎn)品可以享有更高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命。

當(dāng)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(wú)法滿足。數(shù)字電源具有很高的靈活性和適應(yīng)性，效率高且成本相對(duì)較低，它解決了各種應(yīng)用在電力方面的設(shè)計(jì)需求。

兩種全數(shù)字電源設(shè)計(jì)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(huì)因電源轉(zhuǎn)換供應(yīng)商的不同而略有差異。有人說(shuō)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(guò)PMBus添加了數(shù)字電源功能；有人堅(jiān)持認(rèn)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?yàn)槟M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(jìn)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(lái)控制功率轉(zhuǎn)換，但無(wú)法提供數(shù)字電源的全部好處，另外還需要補(bǔ)償回路設(shè)計(jì)，這對(duì)不是電源設(shè)計(jì)專家的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)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(jì)。此外，為了實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)精度，需要高分辨率的A/D電路和更快的時(shí)鐘，一定程度上會(huì)增加電源部分的成本。

其實(shí)，設(shè)計(jì)電源或功率轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)很簡(jiǎn)單，即：在輸入電壓或負(fù)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(gè)全數(shù)字電源方案通常都會(huì)具備下面四個(gè)功能：

能發(fā)PWM波，并且具備保護(hù)關(guān)斷功能；

能進(jìn)行環(huán)路運(yùn)算；

可實(shí)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(jì)還有DSP和MCU控制之分，這個(gè)又該如何選擇呢？

開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字控制在當(dāng)今工業(yè)中變得越來(lái)越普遍，對(duì)于全數(shù)字電源設(shè)計(jì)，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(shí)器等。相對(duì)DSP而言，它欠缺了高分辨率PWM（HRPWM）外設(shè)。然而，就是這個(gè)外設(shè)，它的作用卻非比尋常。HRPWM 外設(shè)是獨(dú)立于常規(guī)PWM模塊之外的一個(gè)外設(shè)，也是對(duì)全數(shù)字電源精度影響極大的一個(gè)外設(shè)。

低成本、高性能的DSP控制器具有增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)更多功能的控制方案、多平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)控制硬件設(shè)計(jì)以及快速修改設(shè)計(jì)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(duì)電源精度有較高要求的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)等應(yīng)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(dá)100MHz，有增強(qiáng)的外圍設(shè)備，如HRPWM模塊、轉(zhuǎn)換速度高達(dá)160ns的12位A/D轉(zhuǎn)換器、32x32位乘法器、32位定時(shí)器和實(shí)時(shí)代碼調(diào)試能力等，為電源設(shè)計(jì)人員提供了數(shù)字控制的所有好處，并允許實(shí)現(xiàn)高帶寬，高頻電源而不犧牲性能。

DSP的額外計(jì)算能力還允許實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的非線性控制算法，將多個(gè)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(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，圖1顯示了需要單信號(hào)測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換器的電壓模式控制。

其瞬時(shí)輸出電壓V_out由電壓感測(cè)電路感測(cè)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(jì)為使輸出電壓V_out跟蹤參考V_ref，同時(shí)實(shí)現(xiàn)期望的動(dòng)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(kāi)關(guān)Q1提供占空比命令。該命令輸出用于計(jì)算片上PWM模塊中定時(shí)器比較寄存器的適當(dāng)值。PWM模塊使用該值來(lái)生成PWM輸出（當(dāng)前情況為PWM1），PWM1輸出最終驅(qū)動(dòng)降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)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(jiǎn)化框圖（圖源：Texas Instruments）

在基于MCU控制的全數(shù)字電源設(shè)計(jì)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(gè)產(chǎn)品線，涵蓋了從入門級(jí)到高性能，包括帶有嵌入式高分辨率定時(shí)器（HRTimer）的STM32F3、STM32G4 和 STM32H7 MCU。

該計(jì)時(shí)器作為一種功能強(qiáng)大且靈活的脈沖寬度調(diào)制（PWM）發(fā)生器，可提供高達(dá)184ps的分辨率。當(dāng)STM32F3、STM32G4和STM32H7 MCU包含模擬組件時(shí)，其產(chǎn)品編號(hào)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(xué)者到專家級(jí)開(kāi)發(fā)人員提供了開(kāi)發(fā)上的便利，比如B-G474E-DPOW1 探索套件就是一個(gè)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，它充分利用了HRTimer的性能，幫助設(shè)計(jì)人員以數(shù)字電源為原型應(yīng)用，快速實(shí)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(jìn)步，HRPWM外設(shè)并非DSP獨(dú)有。NXP的數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）在一個(gè)芯片中集成了微控制器（MCU）的功能和強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的功能，適用于從通用嵌入式市場(chǎng)到電機(jī)控制和功率變換等各種應(yīng)用。

在數(shù)字電源領(lǐng)域，NXP近年來(lái)推出的全新DSC產(chǎn)品，針對(duì)新的數(shù)字電源應(yīng)用集成了高性能的CPU內(nèi)核的智能控制外設(shè)，如皮秒級(jí)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(yùn)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(duì)不同的開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的控制功能和高效率的設(shè)計(jì)。

MC56F8xx 32位DSP是NXP新一代入門級(jí)DSC產(chǎn)品，基于高性能56800EX DSP內(nèi)核，頻率高達(dá)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(yùn)算放大器的DSC產(chǎn)品。

此外，MC56F81xxx系列對(duì)MC56F82xxx系列進(jìn)行了許多功能增強(qiáng)，包括增強(qiáng)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(yīng)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(yǔ)

數(shù)字電源轉(zhuǎn)換市場(chǎng)約占電源轉(zhuǎn)換市場(chǎng)的50%。這一市場(chǎng)的增長(zhǎng)主要?dú)w因于工業(yè)、通信、計(jì)算和汽車電子產(chǎn)品的各種數(shù)字電源系統(tǒng)中越來(lái)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。

176.06億美元

2022年

383.40億美元

2029年

未來(lái)幾年，數(shù)字電源轉(zhuǎn)換市場(chǎng)的需求預(yù)計(jì)將大幅增長(zhǎng)，F(xiàn)uture Market Insights（FMI）的分析認(rèn)為，數(shù)字電源轉(zhuǎn)換市場(chǎng)將從2022年的176.06億美元增長(zhǎng)到2029年的383.40億美元，2022-2029年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)到11.8%。而中國(guó)將成為數(shù)字電源轉(zhuǎn)換市場(chǎng)中表現(xiàn)非常突出的市場(chǎng)，預(yù)計(jì)中國(guó)將在2022-2029年間在數(shù)字電源轉(zhuǎn)換市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率將高達(dá)14.1%。

如果說(shuō)幾年前數(shù)字電源還是一個(gè)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(yīng)用中已獲廣泛應(yīng)用。通過(guò)使用數(shù)字電源模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以為更多系統(tǒng)功能節(jié)省PCB空間，減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低研發(fā)成本，并快速將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)。通過(guò)數(shù)字控制和高可靠性，可以優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)低功耗和更長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)，然而，MCU和DSP并不是專門為電源設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，通常需要過(guò)多的編碼和固件設(shè)計(jì)時(shí)間，這使得全數(shù)字電源解決方案的設(shè)計(jì)變得困難。這一過(guò)程對(duì)有著數(shù)年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(yīng)商在提供產(chǎn)品的同時(shí)，基本都會(huì)同步提供配套的開(kāi)發(fā)工具或開(kāi)發(fā)板，使得這一困境得到了極大的緩解，進(jìn)一步推動(dòng)了數(shù)字電源方案的普及應(yīng)用。

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