數字電源知識普及

　　過(guò)去的幾年里，半導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)于數字技術(shù)文獻，推廣數字電源的概念，這也可以解釋為什么我們在今天看到越來(lái)越多的復雜的電源系統。但很多最終用戶(hù)都持觀(guān)望的態(tài)度，主要是由于不同的電源廠(chǎng)家采用不同的實(shí)現方法和架構。目前來(lái)看，還沒(méi)有一個(gè)明確的大范圍采用數字技術(shù)設計的征兆，設計人員仍處于不明確的氛圍。此外，各種各樣的供應商對“數字電源”定義也不同，這也引起市場(chǎng)層面對這一概念的混淆。那么，什么是真正的數字電源，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別

　　電源控制和電源管理之間的區別，是關(guān)于數字電源討論中的關(guān)鍵概念。愛(ài)立信使用“電源控制”術(shù)語(yǔ)來(lái)強調電源供應系統內部的控制功能，尤其是個(gè)體內部能量流的循環(huán)管理。這一定義包含了反饋回路和內部管理維持功能。功率控制功能在與電源供應的開(kāi)關(guān)頻率實(shí)時(shí)監控中起到作用。這種類(lèi)型的控制功能可以由模擬或者數字技術(shù)實(shí)現，電源供應系統無(wú)論采用哪種方式，呈現給最終用戶(hù)的表現是基本一致的。這就是說(shuō)，數字電源的使用不要求最終用戶(hù)做任何改變和新的設計。

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

　　包括電源系統配置，單個(gè)電源供應系統的監控，以及故障監測信息傳送等。電源管理功能不是實(shí)時(shí)的，它們在一定的時(shí)間范圍內起作用，要慢于電源供應系統的開(kāi)關(guān)頻率。目前，這些功能都趨于將模擬和數字技術(shù)結合。例如，電阻器通常用于調整輸出電壓，而給每個(gè)電源供應系統的電源排序則需要專(zhuān)線(xiàn)控制。按照愛(ài)立信的定義，數字電源管理意味著(zhù)這些功能全部使用數字技術(shù)。此外，簡(jiǎn)化互連方式應用在某些類(lèi)型的數據通信母線(xiàn)結構，優(yōu)于在每個(gè)電源供應系統之間使用多種定制的互連手段進(jìn)行排序和偵錯。

　　電源控制的實(shí)現技術(shù)

　　參見(jiàn)圖1左面，脈寬調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準電壓進(jìn)行比較。誤差放大器的輸出是一個(gè)模擬信號，其幅度與電源輸出電壓所需要的校正大小成正比。這個(gè)信號反饋到脈寬調制芯片，產(chǎn)生一個(gè)相應脈寬的脈沖信號，用以控制功率半導體器件（一般為MOS管）的“導通時(shí)間”。因為MOS管的輸入門(mén)電容較大，驅動(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)補償控制回路，以確保電源動(dòng)態(tài)響應和穩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。輸入濾波部分保護電源不受輸入電壓跳變的影響，在負載跳變時(shí)提供儲能，同時(shí)和外部濾波電路一起使電源滿(mǎn)足輸入傳導電磁兼容的要求。輸出濾波部分使輸出電壓更平滑以滿(mǎn)足紋波噪聲的指標，同時(shí)也幫助電源儲能以滿(mǎn)足負載的動(dòng)態(tài)電流要求。重要的是，無(wú)論是模擬或數字控制架構，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。

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

　　由于多路復用器和模數轉換器的采樣速率是固定的，模數轉換器為每一個(gè)參數輸出一系列數字，每一系列數字是由一個(gè)已知的周期分開(kāi)。這些數值提供給一個(gè)微處理器，為系統提供了工作流程。板子上的程序存儲器存儲了微處理器的控制運算法，用于執行一系列基于模數轉換器輸出值的計算。這些計算的結果是一些參數，例如誤差信號，驅動(dòng)極所需的脈寬，針對各種驅動(dòng)輸出優(yōu)化的延遲值，以及環(huán)路補償參數。模擬系統中外部環(huán)路補償元件就不再需要了。生產(chǎn)過(guò)程中，參數的比較參考值，例如輸出電壓、輸出電流、溫度限定值存儲在非易失性存儲器里，或者在系統啟動(dòng)時(shí)可以下載到數據存儲器中。

　　和模擬控制相比，數字控制在適應輸入和負載條件變化方面更加靈活。通常，模擬的方法是為一個(gè)給定的控制參數配置一個(gè)折衷的設置，然而數字控制系統能夠在轉換器工作環(huán)境作用下改變控制參數。例如，在同步的負載點(diǎn)（POL）降壓型的穩壓器里，死區時(shí)間保證了上端和下端的場(chǎng)效應晶體管永遠不會(huì )同時(shí)工作。模擬控制系統為了最?lèi)毫拥墓ぷ鳁l件，采用了固定的定時(shí)網(wǎng)絡(luò )去設置死區時(shí)間。但是對于典型的工作環(huán)境下，這個(gè)死區時(shí)間比需要的時(shí)間長(cháng)，從而降低了轉換器的效率。通過(guò)對比，一個(gè)數字控制環(huán)可以根據工作環(huán)境動(dòng)態(tài)的變化死區時(shí)間，優(yōu)化了POL整流器的效率。

　　同時(shí)，模擬系統中的反饋回路補償是必要的，是環(huán)路穩定和動(dòng)態(tài)響應性能的折衷。使用數字控制技術(shù)，能夠建立非線(xiàn)性或者自適應的控制環(huán)路，從而補償因數可以根據工作環(huán)境來(lái)改變。也就是說(shuō)，電源或者負載點(diǎn)穩壓器在需要時(shí)提高了響應速度，或者在某些情況下放慢了響應速度。這種方法還有其它好處，輸出電容就減少了。對于給定的電壓穩定度，輸出電容的減少是必須的，因為它降低了成本和減小了元件占用的空間。數字控制可以允許工作在非連續模式，即，當電源在非常小的負載時(shí)跳過(guò)一些開(kāi)關(guān)周期，而且沒(méi)有動(dòng)態(tài)負載特性變壞這樣的常見(jiàn)問(wèn)題。

　　數字電源管理

　　數字電源管理是指利用數字的方式從供電單元外部對于板上的電源進(jìn)行監控。例如，控制多個(gè)電壓的開(kāi)啟和關(guān)斷順序，用以滿(mǎn)足系統的每個(gè)單元對于供電電壓裕量的要求。這類(lèi)數字控制對于在系統中正確運行DSP和FPGA等器件尤顯重要，因為這類(lèi)器件通常需要供給低壓的核心電壓和多種I/O電壓。

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

　　制范圍通常為一個(gè)單板。在更大規模的系統中，“主”單元還可以會(huì )同位于系統其它地方更高級別的控制器件相互配合，甚至可以通過(guò)長(cháng)距離的通信網(wǎng)絡(luò )連接遠程控制器件來(lái)實(shí)現對于電源系統的數字管理。圖2是一個(gè)單板數字電源管理系統的示例。

　　應用實(shí)例

　　當單板需要更多種不同電壓時(shí)，系統電源管理的復雜性和難度都會(huì )隨之增加。就設計供電次序而言，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)機及錯誤情況下的保護操作等。數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，然后才設定開(kāi)啟電源模組#2，都能夠通過(guò)數字電源控制輕易地做到。

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

　　數字電源管理是供電電源和系統設計過(guò)程中不可或缺的部分。例如在電源供應器生產(chǎn)的初步階段時(shí)，通過(guò)自動(dòng)測試系統（ATE）就可以設置參數：輸出電壓調校、過(guò)流保護點(diǎn)、過(guò)壓保護點(diǎn)、過(guò)熱保護點(diǎn)、載入生產(chǎn)日期及序號等等。在電源系統優(yōu)化過(guò)程中，設計者可利用數字接口，由電腦去測量電源的零件溫度、電壓、輸出電流，還可以用來(lái)設置保護電路的測量點(diǎn)，以及優(yōu)化上電時(shí)序。

　　在組裝、測試單板及系統的過(guò)程中，通過(guò)將數字電源接口連線(xiàn)至ATE，我們可以做出電壓限度測試，監視調節各點(diǎn)電壓，轉換效率測試和記錄產(chǎn)品序號和生產(chǎn)日期等等。設計者更可利用一個(gè)主控制器，就可以在省去額外電路的情況下設定一些較復雜的上電和關(guān)機程序，監視工作溫度以調節風(fēng)速，在實(shí)時(shí)的情況下監測電源的效率，在失效之前做出應變。類(lèi)似的監控電源可以應用于系統內的各個(gè)部分。

　　最重要的是這個(gè)數字系統無(wú)須在電路板上專(zhuān)門(mén)設置主控制器或數字接口，也無(wú)須在生產(chǎn)過(guò)程中加入任何附件就可以使用。如果設定條件是已知的話(huà)，電源供應商可在生產(chǎn)過(guò)程中編好程序而無(wú)須改變任何硬件設定?？蛻?hù)即可將這些數字控制的電源當作傳統模擬控制的電源來(lái)使用。

　　基于以上各種優(yōu)點(diǎn)，愛(ài)立信公司認為數控電源是未來(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控電路設計的新產(chǎn)品。值得一提的是，基于電源是數控的關(guān)系，客戶(hù)將可以‘免費’享受數字電路帶來(lái)的好處。