數(shù)字電源知識(shí)普及

　　過(guò)去的幾年里，半導(dǎo)體和電源供貨商花了很大力氣，通過(guò)大量市場(chǎng)上發(fā)布的關(guān)于數(shù)字技術(shù)文獻(xiàn)，推廣數(shù)字電源的概念，這也可以解釋為什么我們?cè)诮裉炜吹皆絹?lái)越多的復(fù)雜的電源系統(tǒng)。但很多最終用戶都持觀望的態(tài)度，主要是由于不同的電源廠家采用不同的實(shí)現(xiàn)方法和架構(gòu)。目前來(lái)看，還沒(méi)有一個(gè)明確的大范圍采用數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)的征兆，設(shè)計(jì)人員仍處于不明確的氛圍。此外，各種各樣的供應(yīng)商對(duì)“數(shù)字電源”定義也不同，這也引起市場(chǎng)層面對(duì)這一概念的混淆。那么，什么是真正的數(shù)字電源，它又能帶來(lái)什么直接的好處呢？

　　電源管理和電源控制的區(qū)別

　　電源控制和電源管理之間的區(qū)別，是關(guān)于數(shù)字電源討論中的關(guān)鍵概念。愛(ài)立信使用“電源控制”術(shù)語(yǔ)來(lái)強(qiáng)調(diào)電源供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的控制功能，尤其是個(gè)體內(nèi)部能量流的循環(huán)管理。這一定義包含了反饋回路和內(nèi)部管理維持功能。功率控制功能在與電源供應(yīng)的開(kāi)關(guān)頻率實(shí)時(shí)監(jiān)控中起到作用。這種類型的控制功能可以由模擬或者數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)，電源供應(yīng)系統(tǒng)無(wú)論采用哪種方式，呈現(xiàn)給最終用戶的表現(xiàn)是基本一致的。這就是說(shuō)，數(shù)字電源的使用不要求最終用戶做任何改變和新的設(shè)計(jì)。

　　相應(yīng)的，“電源管理”是關(guān)于一個(gè)或多個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)之外的通訊和控制。

　　包括電源系統(tǒng)配置，單個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)的監(jiān)控，以及故障監(jiān)測(cè)信息傳送等。電源管理功能不是實(shí)時(shí)的，它們?cè)谝欢ǖ臅r(shí)間范圍內(nèi)起作用，要慢于電源供應(yīng)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率。目前，這些功能都趨于將模擬和數(shù)字技術(shù)結(jié)合。例如，電阻器通常用于調(diào)整輸出電壓，而給每個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)的電源排序則需要專線控制。按照愛(ài)立信的定義，數(shù)字電源管理意味著這些功能全部使用數(shù)字技術(shù)。此外，簡(jiǎn)化互連方式應(yīng)用在某些類型的數(shù)據(jù)通信母線結(jié)構(gòu)，優(yōu)于在每個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)之間使用多種定制的互連手段進(jìn)行排序和偵錯(cuò)。

　　電源控制的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

　　參見(jiàn)圖1左面，脈寬調(diào)制芯片提供了典型的原邊模擬控制回路。電源的輸出電壓由一個(gè)阻性分壓器件采樣后送入誤差放大器與直流標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。誤差放大器的輸出是一個(gè)模擬信號(hào)，其幅度與電源輸出電壓所需要的校正大小成正比。這個(gè)信號(hào)反饋到脈寬調(diào)制芯片，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)脈寬的脈沖信號(hào)，用以控制功率半導(dǎo)體器件（一般為MOS管）的“導(dǎo)通時(shí)間”。因?yàn)镸OS管的輸入門電容較大，驅(qū)動(dòng)電路便能有效地開(kāi)關(guān)它們。一般使用一個(gè)固定的阻容網(wǎng)絡(luò)來(lái)補(bǔ)償控制回路，以確保電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定度之間的合理平衡。

　　電源的另外兩個(gè)主要部分就是輸入輸出的濾波網(wǎng)絡(luò)。它們通常由電感、電容和電阻組成并提供多種功能。輸入濾波部分保護(hù)電源不受輸入電壓跳變的影響，在負(fù)載跳變時(shí)提供儲(chǔ)能，同時(shí)和外部濾波電路一起使電源滿足輸入傳導(dǎo)電磁兼容的要求。輸出濾波部分使輸出電壓更平滑以滿足紋波噪聲的指標(biāo)，同時(shí)也幫助電源儲(chǔ)能以滿足負(fù)載的動(dòng)態(tài)電流要求。重要的是，無(wú)論是模擬或數(shù)字控制架構(gòu)，輸入和輸出濾波電路以及功率器件在本質(zhì)上會(huì)保留一致。

　　典型的數(shù)字電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1右面。輸出電壓的遙測(cè)與模擬系統(tǒng)相似。但是數(shù)字控制系統(tǒng)中使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器替代了模擬控制系統(tǒng)中的誤差放大器，將采樣得到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。除了輸出電壓，知道其它模擬參數(shù)也很重要，例如輸出電流和電源的溫度。當(dāng)然使用多個(gè)分開(kāi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠測(cè)量各個(gè)參數(shù)，但是一般使用一個(gè)前置多路復(fù)用器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將會(huì)更經(jīng)濟(jì)。復(fù)用器會(huì)在各個(gè)測(cè)得的模擬參數(shù)之間切換并將其按序（并—》串）輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

　　由于多路復(fù)用器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率是固定的，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為每一個(gè)參數(shù)輸出一系列數(shù)字，每一系列數(shù)字是由一個(gè)已知的周期分開(kāi)。這些數(shù)值提供給一個(gè)微處理器，為系統(tǒng)提供了工作流程。板子上的程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)了微處理器的控制運(yùn)算法，用于執(zhí)行一系列基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出值的計(jì)算。這些計(jì)算的結(jié)果是一些參數(shù)，例如誤差信號(hào)，驅(qū)動(dòng)極所需的脈寬，針對(duì)各種驅(qū)動(dòng)輸出優(yōu)化的延遲值，以及環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)。模擬系統(tǒng)中外部環(huán)路補(bǔ)償元件就不再需要了。生產(chǎn)過(guò)程中，參數(shù)的比較參考值，例如輸出電壓、輸出電流、溫度限定值存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器里，或者在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)可以下載到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

　　和模擬控制相比，數(shù)字控制在適應(yīng)輸入和負(fù)載條件變化方面更加靈活。通常，模擬的方法是為一個(gè)給定的控制參數(shù)配置一個(gè)折衷的設(shè)置，然而數(shù)字控制系統(tǒng)能夠在轉(zhuǎn)換器工作環(huán)境作用下改變控制參數(shù)。例如，在同步的負(fù)載點(diǎn)（POL）降壓型的穩(wěn)壓器里，死區(qū)時(shí)間保證了上端和下端的場(chǎng)效應(yīng)晶體管永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)工作。模擬控制系統(tǒng)為了最惡劣的工作條件，采用了固定的定時(shí)網(wǎng)絡(luò)去設(shè)置死區(qū)時(shí)間。但是對(duì)于典型的工作環(huán)境下，這個(gè)死區(qū)時(shí)間比需要的時(shí)間長(zhǎng)，從而降低了轉(zhuǎn)換器的效率。通過(guò)對(duì)比，一個(gè)數(shù)字控制環(huán)可以根據(jù)工作環(huán)境動(dòng)態(tài)的變化死區(qū)時(shí)間，優(yōu)化了POL整流器的效率。

　　同時(shí)，模擬系統(tǒng)中的反饋回路補(bǔ)償是必要的，是環(huán)路穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的折衷。使用數(shù)字控制技術(shù)，能夠建立非線性或者自適應(yīng)的控制環(huán)路，從而補(bǔ)償因數(shù)可以根據(jù)工作環(huán)境來(lái)改變。也就是說(shuō)，電源或者負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器在需要時(shí)提高了響應(yīng)速度，或者在某些情況下放慢了響應(yīng)速度。這種方法還有其它好處，輸出電容就減少了。對(duì)于給定的電壓穩(wěn)定度，輸出電容的減少是必須的，因?yàn)樗档土顺杀竞蜏p小了元件占用的空間。數(shù)字控制可以允許工作在非連續(xù)模式，即，當(dāng)電源在非常小的負(fù)載時(shí)跳過(guò)一些開(kāi)關(guān)周期，而且沒(méi)有動(dòng)態(tài)負(fù)載特性變壞這樣的常見(jiàn)問(wèn)題。

　　數(shù)字電源管理

　　數(shù)字電源管理是指利用數(shù)字的方式從供電單元外部對(duì)于板上的電源進(jìn)行監(jiān)控。例如，控制多個(gè)電壓的開(kāi)啟和關(guān)斷順序，用以滿足系統(tǒng)的每個(gè)單元對(duì)于供電電壓裕量的要求。這類數(shù)字控制對(duì)于在系統(tǒng)中正確運(yùn)行DSP和FPGA等器件尤顯重要，因?yàn)檫@類器件通常需要供給低壓的核心電壓和多種I/O電壓。

　　今天的數(shù)字電源管理系統(tǒng)的架構(gòu)通常由板級(jí)電源和其通過(guò)數(shù)字通信總線連接的中心控制器件等部分組成。板級(jí)電源可以是隔離的DC/DC模塊或者是非隔離的POL DC/DC轉(zhuǎn)換器。中心控制器件的形式亦可多樣化，可以是專用的電源管理芯片、微控制器，或者利用FPGA中空閑的門陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。中心控制器件通常被叫做“主”單元，而受控的板級(jí)供電電源被定義成“從”單元。對(duì)于大多數(shù)的系統(tǒng)，“主”單元的控

　　制范圍通常為一個(gè)單板。在更大規(guī)模的系統(tǒng)中，“主”單元還可以會(huì)同位于系統(tǒng)其它地方更高級(jí)別的控制器件相互配合，甚至可以通過(guò)長(zhǎng)距離的通信網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程控制器件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于電源系統(tǒng)的數(shù)字管理。圖2是一個(gè)單板數(shù)字電源管理系統(tǒng)的示例。

　　應(yīng)用實(shí)例

　　當(dāng)單板需要更多種不同電壓時(shí)，系統(tǒng)電源管理的復(fù)雜性和難度都會(huì)隨之增加。就設(shè)計(jì)供電次序而言，就有幾種因素需要考慮：上電的先后次序，上電的啟動(dòng)時(shí)間，延時(shí)，關(guān)機(jī)及錯(cuò)誤情況下的保護(hù)操作等。數(shù)字電源控制將以往沿用的模擬控制及延時(shí)電路化繁為簡(jiǎn)。即使是自定義的啟動(dòng)模式，例如：先檢查好電源模組#1的工作狀態(tài)是否正常，然后才設(shè)定開(kāi)啟電源模組#2，都能夠通過(guò)數(shù)字電源控制輕易地做到。

　　輸出電壓調(diào)節(jié)是生產(chǎn)最終測(cè)試階段中，用以判斷電源是否可靠的測(cè)試方式，一般是采用輸出電壓的±5%范圍內(nèi)配以任何程序進(jìn)行測(cè)試。然而采用了數(shù)字信號(hào)母線，即使在沒(méi)有任何附加的硬件配備或連線下，仍可在一秒鐘內(nèi)完成測(cè)試。圖3是時(shí)序及輸出電壓調(diào)節(jié)的例子。

　　數(shù)字電源管理是供電電源和系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的部分。例如在電源供應(yīng)器生產(chǎn)的初步階段時(shí)，通過(guò)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ATE）就可以設(shè)置參數(shù)：輸出電壓調(diào)校、過(guò)流保護(hù)點(diǎn)、過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)、過(guò)熱保護(hù)點(diǎn)、載入生產(chǎn)日期及序號(hào)等等。在電源系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)計(jì)者可利用數(shù)字接口，由電腦去測(cè)量電源的零件溫度、電壓、輸出電流，還可以用來(lái)設(shè)置保護(hù)電路的測(cè)量點(diǎn)，以及優(yōu)化上電時(shí)序。

　　在組裝、測(cè)試單板及系統(tǒng)的過(guò)程中，通過(guò)將數(shù)字電源接口連線至ATE，我們可以做出電壓限度測(cè)試，監(jiān)視調(diào)節(jié)各點(diǎn)電壓，轉(zhuǎn)換效率測(cè)試和記錄產(chǎn)品序號(hào)和生產(chǎn)日期等等。設(shè)計(jì)者更可利用一個(gè)主控制器，就可以在省去額外電路的情況下設(shè)定一些較復(fù)雜的上電和關(guān)機(jī)程序，監(jiān)視工作溫度以調(diào)節(jié)風(fēng)速，在實(shí)時(shí)的情況下監(jiān)測(cè)電源的效率，在失效之前做出應(yīng)變。類似的監(jiān)控電源可以應(yīng)用于系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)部分。

　　最重要的是這個(gè)數(shù)字系統(tǒng)無(wú)須在電路板上專門設(shè)置主控制器或數(shù)字接口，也無(wú)須在生產(chǎn)過(guò)程中加入任何附件就可以使用。如果設(shè)定條件是已知的話，電源供應(yīng)商可在生產(chǎn)過(guò)程中編好程序而無(wú)須改變?nèi)魏斡布O(shè)定?？蛻艏纯蓪⑦@些數(shù)字控制的電源當(dāng)作傳統(tǒng)模擬控制的電源來(lái)使用。

　　基于以上各種優(yōu)點(diǎn)，愛(ài)立信公司認(rèn)為數(shù)控電源是未來(lái)的發(fā)展方向，尤其是模塊電源。因此，愛(ài)立信即將推出更多以數(shù)控電路設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品。值得一提的是，基于電源是數(shù)控的關(guān)系，客戶將可以‘免費(fèi)’享受數(shù)字電路帶來(lái)的好處。