數(shù)字電源的原理與特點(diǎn)解析

? ? ? ?數(shù)字電源的基本原理

　　數(shù)字電源的關(guān)鍵是電源管理、控制信號(hào)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(zhǔn)確性。下面以負(fù)載點(diǎn)變換器（POL）為例說明數(shù)字電源控制功能的實(shí)現(xiàn)原理和方法。

　　負(fù)載點(diǎn)變換器（POL）通常用于將直流輸入電壓（一般為5V~12V）調(diào)節(jié)成適用于負(fù)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(guān)變換器的電路中，Buck變換器包含一個(gè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）主控制芯片，一對(duì)主功率開關(guān)和一個(gè)由儲(chǔ)能電感和電容構(gòu)成的低通濾波器。在脈沖寬度調(diào)制控制芯片中，一個(gè)電阻分壓器對(duì)電源的輸出電壓進(jìn)行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與直流參考電壓進(jìn)行比較從而產(chǎn)生電壓誤差信號(hào)，誤差信號(hào)是一個(gè)強(qiáng)度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號(hào)。通過具有某種控制規(guī)律的誤差補(bǔ)償器（Compensator）進(jìn)行放大后，其輸出進(jìn)入脈寬調(diào)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(guān)（通常為MOSFET）的導(dǎo)通與關(guān)斷。由于MOSFET具有較大的輸入門電容，因此驅(qū)動(dòng)器電路有必要有效率地導(dǎo)通和關(guān)斷它們。另有固定電阻電容網(wǎng)絡(luò)一般會(huì)作為補(bǔ)償回路，以確保動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性之間的正常平衡。

　　電源的兩個(gè)其它主要部分是輸入和輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)。這些部分由感應(yīng)器、電容和電阻構(gòu)成，可以提供數(shù)種功能。輸入濾波器有助于保護(hù)電源不受電源電壓瞬態(tài)的影響，在動(dòng)態(tài)負(fù)載變化過程中提供一些能量存儲(chǔ)，并附帶濾波器網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)能量以幫助維護(hù)負(fù)載電路的動(dòng)態(tài)電流要求。重要的是，對(duì)于模擬或數(shù)字控制結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，輸出電壓感應(yīng)排列類似于模擬系統(tǒng)。但是，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）代替了模擬系統(tǒng)的誤差放大器，從而將感應(yīng)到的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)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(dú)立的ADC可以感應(yīng)每個(gè)參數(shù)，但是采用單個(gè)ADC并在它前面加設(shè)一個(gè)多路復(fù)用路往往是更加常用的方法。多路復(fù)用器（MUX）則將在要測(cè)量的模擬輸入之間切換，并依次將每個(gè)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(duì)每個(gè)參數(shù)都輸出一系列數(shù)字，每個(gè)數(shù)字由己知的時(shí)間段分隔。這些值供給為系統(tǒng)提供處理能力的微控制器?？ㄉ铣绦騼?nèi)存存儲(chǔ)著微控制器的控制算法，這些算法負(fù)責(zé)執(zhí)行一系列有關(guān)ADC的輸出值的計(jì)算。這些計(jì)算的結(jié)果包括誤差信號(hào)、想要的驅(qū)動(dòng)器級(jí)脈寬、各種驅(qū)動(dòng)器輸出的最佳延遲值以及回路補(bǔ)償?shù)葏?shù)。有了這些參數(shù)，數(shù)字脈寬調(diào)制器（DPWM）就可以通過驅(qū)動(dòng)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(bǔ)償元件此時(shí)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(nèi)存中，或者可以通過PMBus輸入。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)由EEPROM下載到數(shù)據(jù)內(nèi)存中，主芯片據(jù)此控制模塊的工作狀態(tài)。同時(shí)，可以通過一定的外部操作來(lái)重新讀入EEPROM中的默認(rèn)設(shè)置。

　　數(shù)字電源的特點(diǎn)

　　1.控制智能化

　　它是以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器及PWM控制器作為控制對(duì)象而構(gòu)成的智能化開關(guān)電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的由微控制器控制的開關(guān)電源，一般只是控制電源的啟動(dòng)和關(guān)斷，并非真正意義的數(shù)字電源。

　　2.數(shù)模組件組合優(yōu)化

　　采用“整合數(shù)字電源”（Fusion Digital Power）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。例如，功率級(jí)所用的模擬組件MOSFET驅(qū)動(dòng)器，可以很方便地與數(shù)字電源控制器相連并實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)及偏置電源管理，而PWM控制器也屬于數(shù)控模擬芯片。

　　3.集成度高

　　實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)單片集成化（Power System on Chip），將大量的分立式元器件整合到一個(gè)芯片或一組芯片中。

　　4.控制精度高

　　能充分發(fā)揮數(shù)字信號(hào)處理器及微控制器的優(yōu)勢(shì)，使所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源達(dá)到高技術(shù)指標(biāo)。例如，其脈寬調(diào)制（PWM）分辨力可達(dá)150ps（10~12s）的水平，這是傳統(tǒng)開關(guān)電源所望塵莫及的。數(shù)字電源還能實(shí)現(xiàn)多相位控制、非線性控制、負(fù)載均流以及故障預(yù)測(cè)等功能，為研制綠色節(jié)能型開關(guān)電源提供了便利條件。

　　5.模塊化程度高

　　數(shù)字電源模塊化程度高，各模塊之間可以方便地實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合，便于構(gòu)成分布式數(shù)字電源系統(tǒng)，提高電源系統(tǒng)的可靠性。

　　影馳HOF1000通過自家顯卡結(jié)合磨盤軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)控理念，為主機(jī)提供了更多的功能。

　　不難看出，在以往市場(chǎng)上常見的電源我們都可以稱之為模擬電源。但是現(xiàn)在數(shù)字電源成本基本較高，問題恰恰是中國(guó)市場(chǎng)上對(duì)成本概念非?？粗?，而這一點(diǎn)可以說是可以說讓數(shù)字電源還未普及的原因之一。

　　但不得不承認(rèn)，這一點(diǎn)是未來(lái)電源發(fā)展的催勢(shì)。在這一點(diǎn)上面我們不難看到現(xiàn)在越來(lái)越多高端電源開始擁有一部份的數(shù)字電源功能，并且現(xiàn)在這類電源價(jià)格也不會(huì)非?？鋸?，猶如上述的影馳HOF1000。數(shù)字電源的多樣性功能還能彌補(bǔ)上傳統(tǒng)PC平臺(tái)上面的功能性缺陷，還能增加傳統(tǒng)PC平臺(tái)上面的可玩性。