走進數(shù)字電源新時代

近來，市場對數(shù)字化電源的需求已大幅攀升。先進的半導(dǎo)體工藝技術(shù)不但使元器件速度更快、體積更小，而且它們還要求更低 (密度更大) 的供電電壓和更高的供電電流；在此同時，最終系統(tǒng)的功能持續(xù)提升，而體積和平均售價則不斷下降。這些因素迫使電源設(shè)計者要不斷地開發(fā)出更精確、響應(yīng)速度更快、效率更高、體積更小、成本更低和上市時間更快的電源產(chǎn)品。面對這些問題，傳統(tǒng)模擬控制解決方案正逐漸變得束手無策。

根據(jù)定義，數(shù)字化電源控制器會在數(shù)字域 (digital domain) 執(zhí)行所有系統(tǒng)控制算法。它會將所有模擬系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并在數(shù)字域利用這些數(shù)據(jù)計算控制響應(yīng)，然后將新產(chǎn)生的控制信息回傳給系統(tǒng)。任何控制器只要不能完整做到上述功能就稱為“數(shù)字輔助”產(chǎn)品。電源業(yè)者大都認為真正的數(shù)字化電源是解決這些困境的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字控制的精準和算法特性可用來發(fā)展更先進的控制算法以提高系統(tǒng)效能，例如執(zhí)行非線性控制來改善瞬時響應(yīng)能力。數(shù)字電源的高集成度帶來了小巧而且低成本的控制解決方案，其可編程能力促進了硬件平臺標準化和軟件定制化，進而提高生產(chǎn)效率并加快新品上市進程。

數(shù)字化電源控制的優(yōu)點

傳統(tǒng)的模擬控制使用比較器、誤差放大器和模擬調(diào)變器等元器件來調(diào)整電源輸出電壓。雖然這些為人熟知的電路架構(gòu)已經(jīng)使用數(shù)十年，它們?nèi)允艿皆S多限制。舉例來說，模擬控制電路因為使用許多元器件而需要很大空間，這些元器件本身的值還會隨著使用時間、溫度和其他環(huán)境條件的變化而變動，并對系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)能力造成負面影響。模擬控制的控制響應(yīng)特性是由分立元器件的值決定的，因此無法為所有電源值或負載點提供最優(yōu)化的控制響應(yīng)；除此之外，模擬系統(tǒng)的測試和維修都非常困難。

數(shù)字控制型開關(guān)電源（SMPS）的靈活特性讓它們在許多方面勝過了模擬技術(shù)。與模擬控制一樣，數(shù)字控制也采用閉環(huán)回路反饋控制理論來穩(wěn)定電源輸出電壓，只不過數(shù)字控制型電源會用一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器把模擬參數(shù)（如輸入和輸出電壓以及電流等）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后完全在數(shù)字域里對這些參數(shù)進行必要的處理。它會立即將輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)并傳送給一個數(shù)字控制器，再由數(shù)字控制器利用這些信息計算出新的控制輸出。

相較于模擬控制器，在數(shù)字域執(zhí)行控制計算可以提供許多優(yōu)點。數(shù)字的演算特性使它能實現(xiàn)更復(fù)雜的控制算法，例如實時改變控制響應(yīng)特性能讓電源在各種輸入電壓或負載點下都能達到最理想的操作結(jié)果。數(shù)字化電源還具備完整的可編程能力，這使它們的修改非常容易。數(shù)字控制可以省下原本需要外接的臨界值設(shè)定和時序元器件，不但節(jié)省成本和電路板面積，還能避免分立無源元件的生產(chǎn)變異、溫度梯度和元器件公差等問題。它還能發(fā)揮各種經(jīng)濟優(yōu)勢，包括更低成本、更大的最終產(chǎn)品市場和更多的用戶IP功能模塊。數(shù)字控制還能讓硬件平臺重復(fù)使用、加快產(chǎn)品上市日程，并減少開發(fā)成本與風(fēng)險，例如可以利用一種硬件平臺設(shè)計多種電源產(chǎn)品，再透過不同固件滿足各種最終系統(tǒng)的獨特要求。設(shè)計人員只要修改固件就能開發(fā)出不同的電源產(chǎn)品，不但能加速產(chǎn)品上市日程，還能減少元器件的庫存。

Silicon Laboratories的Si825x系列

Silicon Laboratories采用獨特的數(shù)字化電源控制并開發(fā)出一套架構(gòu)，其中包含主回路控制所需的硬件DSP和提供系統(tǒng)管理功能的輔助微控制器，這使它兼具DSP和固定功能硬件解決方案的優(yōu)點。Si8250將主回路控制和系統(tǒng)管理功能集成至單一封裝，以簡化系統(tǒng)設(shè)計，并節(jié)省成本與空間，這與DSP解決方案完全不同。另外，Si8250的體積只有其他解決方案的1/10，而且功耗更低，價格也只有其他方案的一半。

Si825x包含開關(guān)電源主回路控制所需的專屬硬件DSP和負責系統(tǒng)電源管理功能的輔助的50MIPS 8051微控制器，見圖2。主回路DSP濾波器引擎提供兩倍于其他DSP器件的專屬帶寬，操作電流消耗則比其他DSP減少15%，這能簡化控制器的偏壓電源設(shè)計，并在負載較小的時候維持較高的工作效率。50MIPS的嵌入式微控制器則通過低帶寬系統(tǒng)優(yōu)化和保護功能(例如電流過載保護、電壓過載保護、過熱保護、軟啟動和軟停止等)以支持系統(tǒng)電源管理。Silicon Laboratories還為Si8250提供一套易于使用的工具，它能利用用戶現(xiàn)有的S域設(shè)計法，并將數(shù)字化電源設(shè)計的學(xué)習(xí)難度減至最小，進而加快產(chǎn)品的上市日程。

服務(wù)器和電信系統(tǒng)的負載點轉(zhuǎn)換器是目前最常見的數(shù)字化電源應(yīng)用，這類應(yīng)用需要高效率、快速瞬時響應(yīng)和通訊連結(jié)能力（目前主要指PMBusTM，這種「標準化」串行通訊協(xié)議可以讓系統(tǒng)主處理器與電源控制器「交談」以便要求數(shù)據(jù)或執(zhí)行命令）。其他應(yīng)用則會使用磚型 (brick) 或模塊等電路板安裝式的電源產(chǎn)品，它們的主要考慮是高功率、高電流密度、高效率和快速瞬時響應(yīng)的某種組合，這類應(yīng)用包括工業(yè)自動化系統(tǒng)以及醫(yī)療診斷和治療設(shè)備。Si825x系列特別適合這些應(yīng)用。

所有電子系統(tǒng)都需要系統(tǒng)電源提供穩(wěn)定精確的電壓才能正常工作。開關(guān)電源由于工作效率遠超過傳統(tǒng)的線性電源，因此常用于電源輸入與輸出相差很大的應(yīng)用或是高功率應(yīng)用。

一個典型的開關(guān)電源由單級或多級電源轉(zhuǎn)換電路組成，它們會由控制電路以很高的頻率不斷開啟和關(guān)閉（又稱為調(diào)變）。每一級電源轉(zhuǎn)換電路通常都會包含開關(guān)器件 （如MOSFET、IGBT或二極管）和電感儲能電路。

電源轉(zhuǎn)換級電路的設(shè)計通常會讓其輸出電壓正比于控制器輸出脈沖的寬度，因此控制器通過不停地從參考電壓中減掉輸出電壓，然后調(diào)整脈沖寬度讓其相差值等于零，以保持穩(wěn)定的輸出電壓，這個過程稱為脈沖寬度調(diào)變(PWM) 穩(wěn)壓。控制器除了提供PWM穩(wěn)壓器功能之外，還必須提供安全保護以確保系統(tǒng)在電源發(fā)生故障時不會損壞。電源轉(zhuǎn)換電路的架構(gòu)和控制機制可分為許多種，它們各有各自的優(yōu)缺點。Silicon Laboratories Si825x數(shù)字化電源控制器的彈性足以支持這些電路架構(gòu)與控制機制的多數(shù)組合方式，進而提高電源的工作效能并減少控制器的體積、成本與復(fù)雜性。