數字電源控制的真實(shí)承諾

　　數字電源控制引領(lǐng)著(zhù)新的潮流，預示著(zhù)更高的效率和更低的成本。但是，需要學(xué)習新技能和使用新工具集，同時(shí)面對日益緊張的進(jìn)度表和不斷縮減的人員，即使是最資深的工程師，也會(huì )感到“不適”。一些人爭辯說(shuō)他們不需要像計算機這樣復雜的設備來(lái)控制他們的電路。畢竟，就成本而言，含有數百萬(wàn)個(gè)晶體管的數字控制芯片怎么可能與包含幾百個(gè)晶體管的專(zhuān)用模擬控制器相競爭呢？

　　那么，數字電源是否有未來(lái)？答案是不容置疑的：“有”！

　　回顧計算機和電機控制系統發(fā)展的歷史，就可知道通向未來(lái)的道路。在數字計算機出現之前，由真空管放大器和開(kāi)關(guān)構成的模擬計算機(1940年~1960年)通過(guò)實(shí)現模擬積分器、加法器和乘法器來(lái)執行計算功能。早期的數字計算機要占據整個(gè)房間，具有數以萬(wàn)計的真空管，功耗達到幾十千瓦。與之相比，臺式模擬計算機的尺寸只是它的一小部分，功耗是它的百分之一，但數字計算機贏(yíng)得了最終的勝利。為什么呢？主要是由于兩個(gè)因素：可重復性，以及通過(guò)編程能處理日益復雜的任務(wù)。曾經(jīng)有許多工程師打賭數字計算機會(huì )失敗，但他們自己失敗了。

　　在20世紀六七十年代，大規模集成電路的發(fā)展真正掃除了對數字計算機可靠性一直持有的顧慮。這為數字計算機開(kāi)啟了新的應用領(lǐng)域，如電機控制。20世紀60年代之前，電機速度控制僅限于強力方法，例如將可變電阻與電機電源串聯(lián)；或者復雜的機制，例如使用電機放大器控制流經(jīng)電機/發(fā)電機組的控制繞組的電流。由于與A類(lèi)放大器相關(guān)的功率損耗，通過(guò)真空放大器直接控制電機從來(lái)都是不切實(shí)際的。20世紀70年代，高速、大電流晶體管的發(fā)展促使脈寬調制(Pulse-Width Modulated，PWM)方法控制電機的方式普遍使用。最初的PWM放大器由分立模擬電路組成，實(shí)現速度控制和PWM信號生成。

　　在整個(gè)20世紀70年代，隨著(zhù)微處理器性能的提高和成本的降低，電機控制工程師開(kāi)始尋求降低系統成本的方法。位置環(huán)路首先步入數字領(lǐng)域，然后又以軟件實(shí)現了速度環(huán)路。這樣就不再需要昂貴的電機轉速計。接著(zhù)就消除從微處理器到放大器的模擬指令電壓。微處理器系統直接生成供功率晶體管使用的PWM信號。

　　因為最早的數字電機控制器體積大、價(jià)格貴，所以它們最初應用于高端的運動(dòng)控制系統。在接下來(lái)的15年~20年，摩爾定律的殘酷法則使單片機成本不斷降低，而性能持續提高，以至于很少有工程師會(huì )考慮使用“專(zhuān)用模擬電機控制器”，而不用低成本的單片機。

　　模擬電機控制PWM電路最終以集成電路的形式實(shí)現，成為現代模擬電源控制器的基礎。

　　那么，為什么電源工程師要采用數字控制方法呢？原因有很多：元件數減少，能效提升，行為可預測，便于制造、設計、支持，并且可以添加新功能。

　　假如采用數字電源控制是必然的決定，那么如何選擇適合的控制器呢？

　　有兩類(lèi)基本的數字電源控制器：專(zhuān)用數字PWM控制器和基于數字信號控制器(Digital Signal Controller，DSC)的產(chǎn)品。這兩類(lèi)數字控制器都具有提供可預測的行為、用于濾波器系數的可編程參數，以及通過(guò)消除大量無(wú)源元件可簡(jiǎn)化印刷電路板的設計。

　　專(zhuān)用電源控制器有兩個(gè)子類(lèi)：純專(zhuān)用邏輯，以及集成了專(zhuān)用邏輯、可實(shí)現控制算法的單片機。

　　純專(zhuān)用數字控制器可以最低的成本和功耗實(shí)現數字控制環(huán)路。此類(lèi)器件通常提供一定量的非易失性存儲器，用于存儲濾波器系數，以及電壓和電流參數。

　　另一種方法使用具有專(zhuān)用控制環(huán)路邏輯的單片機，通過(guò)犧牲功耗來(lái)提高適應性。但是，它能夠支持更復雜的電源系統監控任務(wù)，并支持與外部設備通信，以進(jìn)行遠程監控。

　　大多數專(zhuān)用數字PWM控制器都針對特定應用而設計。因此，模擬和數字PWM控制器都容易受到相同問(wèn)題的影響。如果電源設計師希望實(shí)現新的電源轉換拓撲，設計師將不得不采用現有的控制器來(lái)滿(mǎn)足新的電源轉換電路的需求，或者設計師放棄開(kāi)發(fā)新的、可能非常重要的設計。結果就是大量的電源設計都極其類(lèi)似，使競爭對手可以很容易地進(jìn)行“克隆”，從而降低每個(gè)制造商的利潤率。

　　DSC方式通過(guò)將DSP引擎與單片機相結合來(lái)代替專(zhuān)用PWM控制邏輯電路。DSC方法使用以軟件編寫(xiě)的算法，而不是專(zhuān)用電路來(lái)實(shí)現控制功能。但是，DSC需要比專(zhuān)用邏輯更大的功耗，因為它提供更多的通用資源。DSC的優(yōu)點(diǎn)是十分靈活，可以適應新需求和尚待開(kāi)發(fā)的拓撲。一些DSC還為嵌入式軟件提供安全保護，即保護軟件知識產(chǎn)權，使克隆電源設計變得更難。

　　可以說(shuō)，DSC電源控制器最重要的特性之一是讓工程師可以完全自由地創(chuàng )造新的電路設計，以滿(mǎn)足前沿電路設計的特定挑戰和需求。最初，功率晶體管用于實(shí)現傳統電源拓撲中的“電源開(kāi)關(guān)”。后來(lái)，隨著(zhù)功率晶體管成本的降低和對更高能效需求的增長(cháng)，同步整流器變得很普遍?，F在，隨著(zhù)功率晶體管成本的持續下降，電源電路中添加了更多的晶體管，以便彌補在緩沖器中以其它方式消耗掉的能量。此外，許多設計師現在添加了更多的晶體管來(lái)接通或斷開(kāi)一些電路元件，以滿(mǎn)足當前的工作條件。PWM輸出不再是簡(jiǎn)單的PWM，它們應被視為可編程晶體管控制信號。與傳統的模擬PWM控制器相比，通過(guò)采用現代小尺寸半導體工藝，添加更多PWM輸出的成本可以忽略不計。