大勢所趨的數字電源設計方式

圖說(shuō)：PWM的結構區塊圖。

第二種：透過(guò)高性能數字芯片如DSP對電源實(shí)現直接控制，數字芯片完成訊號取樣AD轉換和PWM輸出等工作，由于輸出的數字PWM訊號功率不足以驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管，需通過(guò)一個(gè)驅動(dòng)芯片進(jìn)行開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)。這樣就可以簡(jiǎn)化控制電路的設計，由于而這些芯片有比較高的取樣速度(TMS320LF2407內部的10位AD轉換器完成 一次AD轉換只需500ns的轉換時(shí)間，相較之下，最快的8位單芯片控制器也要數微秒之久)和運算速度，可以快速有效的實(shí)現各種復雜的控制算法，實(shí)現對電源系統的有效控制，這樣的設計具備較高的動(dòng)態(tài)性能和穩壓精度。不過(guò)DSP芯片結構復雜，成本比較高;而且DSP控制技術(shù)比較難以掌握，對設計者要求比較高，在主流交換式電源領(lǐng)域中難以廣泛應用。雖然 DSP技術(shù)已經(jīng)在交換式電源中開(kāi)始應用，但目前主要仍局限在對電源性能要求較高的而且價(jià)格比較昂貴的應用領(lǐng)域上。

電源控制數字化之后所需面對的問(wèn)題

數字控制的交換式電源不可避免地存在以下問(wèn)題：A/D(模擬/數字)轉換器的速度和精度成反比。為了保證交換式電源有較高的穩壓精度，A/D轉換器必需要有比較高精度的取樣，但高精度的取樣頻率需要的更長(cháng)的A/D轉換時(shí)間。作為反饋回路的一部分，A/D轉換時(shí)間過(guò)長(cháng)必然造成額外的相位延遲時(shí)間。除了和模擬控制存在的相位延遲，轉換過(guò)程的延遲時(shí)間必然也會(huì )造成額外的等待循環(huán)，造成回路的實(shí)時(shí)反應能力變差。

和模擬芯片用RC(電阻電容)補償進(jìn)行PI調節(PI regulator)的方法一樣，在控制回路中用引入PI調節的方法以提高控制回路的實(shí)時(shí)反應能力，這種做法需要占用數字芯片較大的系統資源，因為數字控制和模擬控制不同，訊號取樣不是連續不斷的，而是規則離散的，兩次取樣之間會(huì )有一段間隔時(shí)間，這段時(shí)間的值是無(wú)法取得的。為了要達到精確的控制，每次取樣之間的時(shí)間間隔不能太長(cháng)，即取樣頻率不能太低。作為數字芯片，每次AD轉換結束后，得到的結果都會(huì )被送到系統的中央處理器，然后由處理器對取樣的值進(jìn)行運算和PI調節。

在取樣頻率比較高的時(shí)候，這種做法相當耗費系統運算資源，因此對數字芯片的效能要求也比較高。專(zhuān)門(mén)用于電源控制的數字芯片并不算多，雖然在要求比較高的場(chǎng)合一般都會(huì )用DSP芯片，其運算和取樣速度快，功能強大，但價(jià)格比較昂貴。而且通用DSP芯片不是專(zhuān)門(mén)的做為電源控制芯片使用，一般的電源應用對其芯片資源的利用率不高，在某些狀況之下，采用DSP芯片做為電源數字控制的核心是一種浪費。

應用在電源設計的DSP與MCU架構之爭

目前在數字電源領(lǐng)域占有龍頭地位的非屬德州儀器以及Microchip這兩家半導體公司，然而單純MCU或者是單純的DSP架構，在應用上都有其缺憾之處，因此兩家半導體業(yè)者都不約而同的朝向結合MCU與DSP的架構來(lái)進(jìn)行數字電源設計，DSP擁有強大的數字計算處理能力，MCU則是對周邊擁有強大的控制能力，對于設計可以面面俱到的數字控制電源而言，兩者不可偏廢。

圖說(shuō)：Microchip公司的DSC產(chǎn)品。

雖然如此，兩家業(yè)者還是認為各自專(zhuān)長(cháng)領(lǐng)域中可占有較佳的優(yōu)勢，德州儀器自然是以DSP做為主角，極力強調強大計算能力所能帶來(lái)的實(shí)時(shí)反應能力與控制精確度，而DSP的可程序化能力對系統的架構、可移植性以及可維護能力有著(zhù)絕佳的表現;Microchip公司則是強調一般客戶(hù)并不需要太過(guò)強大的DSP計算能力，復雜的可程序化設計只會(huì )拉長(cháng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)程，該公司所提供的DSC(Digital Signal Controller)架構，將MCU與DSP成功整合，不僅在指令流成功單純化，透過(guò)標準的C語(yǔ)言編譯器，更能夠有效縮短產(chǎn)品的設計時(shí)程。

電源供應器的模擬組件可以完全被取代?　倒也未必!

許多激進(jìn)的廠(chǎng)商宣稱(chēng)，利用數字組件與電路，可以完全取代掉交換式穩壓器中的模擬組件，藉此可以大幅簡(jiǎn)化交換式穩壓器的設計，并且有助于整個(gè)供電系統的穩定，但是電源本身就物理定律而言，是屬于模擬的范疇，就算是利用ADC(模擬/數字轉換器)或DSP來(lái)取代誤差放大器與脈沖寬度調變的數字交換式穩壓器，也依舊需要電壓基準、電流檢測電路/開(kāi)關(guān)以及FET驅動(dòng)器，這些組件只存在于模擬形式，而且被普遍應用于各種類(lèi)的交換式穩壓器中，無(wú)法被取代。即使是ADC組件本身也是如此，ADC基本上要比較偏向于模擬多一點(diǎn)。

模擬設計向來(lái)被比做為藝術(shù)，很多時(shí)候，模擬組件的調整與整體架構設計總要依靠設計者的經(jīng)驗與手腕才能調配出完美的比例，就好比是一名廚師，在做菜時(shí)對火侯的掌控必須依靠長(cháng)久的經(jīng)驗，才能烹調出一道色香味俱全的料理。雖然模擬電路架構單純，但往往在布局上都是牽一發(fā)而動(dòng)全身，既然電源供應器無(wú)法拋棄模擬組件的包袱，在模擬技術(shù)上就更需要進(jìn)一步的研究與發(fā)展，畢竟大多數的半導體公司都僅在數字領(lǐng)域稱(chēng)霸，對于模擬架構卻都往往流于一知半解。以臺灣為例，臺灣雖然是IC設計的大宗，但是對于模擬制程卻甚少有著(zhù)墨，雖然市場(chǎng)上數字IC可以找到非常豐富的解決方案，但是在模擬方案上，卻只能向國外廠(chǎng)商尋求。

追求純數字電源目前仍遙不可及　數字與模擬合理的搭配設計才是正途

數字電源在近幾年來(lái)引起了相當廣泛的討論，但是業(yè)界一般對于這個(gè)產(chǎn)業(yè)的看法并不一致。雖然行動(dòng)裝置對于電源管理所提出的嚴苛需求讓數字電源得以大展身手，但是傳統的模擬電源方案在經(jīng)過(guò)數十年的發(fā)展，在大多數的應用領(lǐng)域中依然獨占鰲頭，即便模擬方案在某些方面較為弱勢，比如控制回路組件數目、系統穩定性、靈活的可配置能力以及通訊能力等等，但是電源廠(chǎng)商也逐漸朝向不同的設計思維，并且開(kāi)始加入數字組件或設計方式，以期突破傳統的模擬電源設計藩籬。

傳統模擬電源簡(jiǎn)單易用，雖然可變更的參數不多，但是單純是其最大的優(yōu)點(diǎn)。而在較高階的應用中，系統管理者可以需要額外的控制功能來(lái)監控電源供應器的狀態(tài)，這些狀態(tài)可能包含了溫度、輸出入電流、輸出入電壓等等，并且依據系統管理者的設定，定期向中央控制系統回報。除此之外，一些如ID標記、故障狀態(tài)訊息、時(shí)間標記等等都可以?xún)Υ嬖谖⒖刂破魃系拈W存或其它非易失性?xún)Υ婕軜嬛?，并且在指定的時(shí)間回報這些訊息。這些設計需要具備大量的整合數字電路，通?？赡茌^常在高階服務(wù)器中見(jiàn)到這些數字電源供應器，在一般平價(jià)消費性產(chǎn)品中，就不需要用到這些額外的控制功能。