數字電源的特點(diǎn)與發(fā)展現狀

隨著(zhù)半導體工藝技術(shù)的不斷升級，電路板上的元器件運行速度更快、體積更小，而且還要求更多、更低的供電電壓和更大的供電電流；最終系統的功能不斷增加，平均售價(jià)卻不斷下降。此外，用戶(hù)對電源|穩壓器的故障修復時(shí)間、電源運行狀態(tài)的感知與控制的要求越來(lái)越高，電源設計人員不再滿(mǎn)足于實(shí)時(shí)監控電流、電壓、溫度， 還提出了診斷電源供應情況、靈活設定每個(gè)輸出電壓參數的要求。這些需求已是今日的模擬解決方案難以滿(mǎn)足的。因此，作為電源管理發(fā)展的新思路的數字電源應運而生，其目標就是將電源轉換與電源管理架構用數字方法集成到單芯片中，實(shí)現智能、高效的轉換與控制及通信。 

數字電源是采用數字方式實(shí)現電源的控制、保護回路與通信接口的新型電源技術(shù)?？删幊?、響應性和數字環(huán)路控制是表征數字電源的3個(gè)主要特征。

隨著(zhù)電源系統的性能和功率的不斷提高，實(shí)現電源性能指標所必需的元件數量和成本也隨之增加，越來(lái)越多的控制需要通過(guò)具有成本效益的數字電路實(shí)現。一般認為，在設計DC/DC變換器時(shí)，通常100W以上的系統中會(huì )應用數字控制技術(shù)；而在設計AC/DC變換器時(shí)，250W以上的系統會(huì )應用數字技術(shù)，這樣電源的經(jīng)濟性會(huì )更高一些。因此，在未來(lái)的電源系統中，模擬與數字技術(shù)將共存相當一段時(shí)間。30年前，電源行業(yè)轉向開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)很大的變化，而電源數字化趨勢將會(huì )是一個(gè)更大的變化。

模擬電源的優(yōu)勢與不足

目前，除了一些專(zhuān)門(mén)用于微處理器的轉換器之外，市場(chǎng)上大多數磚形轉換器、中間總線(xiàn)轉換器及負載點(diǎn)POL轉換器仍采用模擬控制。這是因為許多模擬電源系統經(jīng)過(guò)了多年的檢驗，可靠性還是很高的。

可盡管模擬電源解決方案的成本、性能（如負載變化時(shí)的電源響應時(shí)間）、占板面積等指標都優(yōu)于當前的數字電源解決方案，但對開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，它完全是一種固定模式的黑盒應用，抑制了開(kāi)發(fā)人員發(fā)揮創(chuàng )造力的激情。對電源進(jìn)行同步跟蹤、電壓排序、故障診斷及適應環(huán)境變化的能力還是比較差的。

目前，許多高性能的DC/DC轉換器仍通過(guò)簡(jiǎn)單的無(wú)源器件產(chǎn)生的模擬信號進(jìn)行設置和控制。即使是具有最先進(jìn)拓撲結構的高性能轉換器，也還需要使用外部電阻、電容來(lái)確定諸如啟動(dòng)時(shí)間、輸出點(diǎn)值及開(kāi)關(guān)頻率等參數。這些電阻、電容的值都是設計調試時(shí)確定的，制造完成后不可輕易更改，因此自適應的電 源管理方案也就不可能實(shí)現。而且，為實(shí)現更多功能，就要設計更多的直接反饋電路，所以模擬控制環(huán)路會(huì )變得非常復雜。

傳統的模擬控制架構已經(jīng)使用多年，但仍有不少缺陷。舉例來(lái)說(shuō)，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(huì )隨使 用時(shí)間、溫度和其他環(huán)境條件的變化而變動(dòng)，從而對系統穩定性和響應能力造成負面影響。模擬控制的控制-響應特性是由分立元器件的值決定的，它總是面向一個(gè)范圍狹窄的特定負載，因此無(wú)法為所有電壓值或負載點(diǎn)提供最優(yōu)化的控制響應。換句話(huà)說(shuō)，如果你需要一個(gè)可以在很多產(chǎn)品中重復使用而不必更換部件的設計平臺， 則模擬方案難以勝任。除此之外，模擬系統的測試和維修都非常困難。

數字電源的優(yōu)勢與不足

數字電源正是為了克服現代電源的復雜性而提出的，它實(shí)現了數字和模擬技術(shù)的融合，提供了很強的適應性與靈活性，具備直接監視、處理并適應系統條件的能力，能夠滿(mǎn)足幾乎任何電源要求。數字電源還可通過(guò)遠程診斷以確保持續的系統可靠性，實(shí)現故障管理、過(guò)電壓（流）保護、自動(dòng)冗余等功能。由于數字 電源的集成度很高，系統的復雜性并不隨功能的增加而增加過(guò)多，外圍器件很少（數字電源的快速響應能力還可以降低對輸出濾波電容的要求），減少了占板面積， 簡(jiǎn)化了設計制造流程。同時(shí)，數字電源的自動(dòng)診斷、調節的能力使調試和維護工作變得輕松。

數字電源管理芯片易于在多相以及同步信號下進(jìn)行多相式并聯(lián)應用，可擴展性與重復性?xún)?yōu)秀，輕松實(shí)現負載均流，減少EMI，并簡(jiǎn)化濾波電路設計。數字控制的靈活性能把電源組合成串聯(lián)或并聯(lián)模型，形成虛擬電源。而且，數字電源的智能化可保證在各種輸入電壓和負載點(diǎn)上都具有最優(yōu)的功率轉換效率。

相對模擬控制技術(shù)，數字技術(shù)的獨特優(yōu)勢還包括在線(xiàn)可編程能力、更先進(jìn)的控制算法、更好的效率優(yōu)化、更高的操作精確度和可靠性、優(yōu)秀的系統管 理和互聯(lián)功能。數字電源不存在模擬電源中常見(jiàn)的誤差、老化（包括模擬器件的精度）、溫度影響、漂移、補償等問(wèn)題，無(wú)須調諧、可靠性好，可以獲得一致、穩定的控制參數。數字電源的運算特性使它更易于實(shí)現非線(xiàn)性控制（可改善電源的瞬態(tài)響應能力）和多環(huán)路控制等高級控制算法；更新固件即可實(shí)現新的拓撲結構和控制算法，更改電源參數也無(wú)須變更板卡上的元器件。

數字控制還能讓硬件平臺重復使用，通過(guò)設計不同固件即可滿(mǎn)足各種最終系統的獨特要求，從而加快產(chǎn)品上市，減少開(kāi)發(fā)成本、元器件庫存與風(fēng)險。