大勢(shì)所趨的數(shù)字電源設(shè)計(jì)方式

圖說(shuō)：PWM的結(jié)構(gòu)區(qū)塊圖。

第二種：透過(guò)高性能數(shù)字芯片如DSP對(duì)電源實(shí)現(xiàn)直接控制，數(shù)字芯片完成訊號(hào)取樣AD轉(zhuǎn)換和PWM輸出等工作，由于輸出的數(shù)字PWM訊號(hào)功率不足以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，需通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)。這樣就可以簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)，由于而這些芯片有比較高的取樣速度(TMS320LF2407內(nèi)部的10位AD轉(zhuǎn)換器完成 一次AD轉(zhuǎn)換只需500ns的轉(zhuǎn)換時(shí)間，相較之下，最快的8位單芯片控制器也要數(shù)微秒之久)和運(yùn)算速度，可以快速有效的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)的有效控制，這樣的設(shè)計(jì)具備較高的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。不過(guò)DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比較高;而且DSP控制技術(shù)比較難以掌握，對(duì)設(shè)計(jì)者要求比較高，在主流交換式電源領(lǐng)域中難以廣泛應(yīng)用。雖然 DSP技術(shù)已經(jīng)在交換式電源中開(kāi)始應(yīng)用，但目前主要仍局限在對(duì)電源性能要求較高的而且價(jià)格比較昂貴的應(yīng)用領(lǐng)域上。

電源控制數(shù)字化之后所需面對(duì)的問(wèn)題

數(shù)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(shù)字)轉(zhuǎn)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(wěn)壓精度，A/D轉(zhuǎn)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(zhǎng)的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。作為反饋回路的一部分，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)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(zhuǎn)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(yīng)能力變差。

和模擬芯片用RC(電阻電容)補(bǔ)償進(jìn)行PI調(diào)節(jié)(PI regulator)的方法一樣，在控制回路中用引入PI調(diào)節(jié)的方法以提高控制回路的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力，這種做法需要占用數(shù)字芯片較大的系統(tǒng)資源，因?yàn)閿?shù)字控制和模擬控制不同，訊號(hào)取樣不是連續(xù)不斷的，而是規(guī)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(dá)到精確的控制，每次取樣之間的時(shí)間間隔不能太長(zhǎng)，即取樣頻率不能太低。作為數(shù)字芯片，每次AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，得到的結(jié)果都會(huì)被送到系統(tǒng)的中央處理器，然后由處理器對(duì)取樣的值進(jìn)行運(yùn)算和PI調(diào)節(jié)。

在取樣頻率比較高的時(shí)候，這種做法相當(dāng)耗費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)算資源，因此對(duì)數(shù)字芯片的效能要求也比較高。專(zhuān)門(mén)用于電源控制的數(shù)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(yùn)算和取樣速度快，功能強(qiáng)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(yīng)用對(duì)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(shù)字控制的核心是一種浪費(fèi)。

應(yīng)用在電源設(shè)計(jì)的DSP與MCU架構(gòu)之爭(zhēng)

目前在數(shù)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(dǎo)體公司，然而單純MCU或者是單純的DSP架構(gòu)，在應(yīng)用上都有其缺憾之處，因此兩家半導(dǎo)體業(yè)者都不約而同的朝向結(jié)合MCU與DSP的架構(gòu)來(lái)進(jìn)行數(shù)字電源設(shè)計(jì)，DSP擁有強(qiáng)大的數(shù)字計(jì)算處理能力，MCU則是對(duì)周邊擁有強(qiáng)大的控制能力，對(duì)于設(shè)計(jì)可以面面俱到的數(shù)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(rèn)為各自專(zhuān)長(zhǎng)領(lǐng)域中可占有較佳的優(yōu)勢(shì)，德州儀器自然是以DSP做為主角，極力強(qiáng)調(diào)強(qiáng)大計(jì)算能力所能帶來(lái)的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力與控制精確度，而DSP的可程序化能力對(duì)系統(tǒng)的架構(gòu)、可移植性以及可維護(hù)能力有著絕佳的表現(xiàn);Microchip公司則是強(qiáng)調(diào)一般客戶(hù)并不需要太過(guò)強(qiáng)大的DSP計(jì)算能力，復(fù)雜的可程序化設(shè)計(jì)只會(huì)拉長(zhǎng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)程，該公司所提供的DSC(Digital Signal Controller)架構(gòu)，將MCU與DSP成功整合，不僅在指令流成功單純化，透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言編譯器，更能夠有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)程。

電源供應(yīng)器的模擬組件可以完全被取代?　倒也未必!

許多激進(jìn)的廠商宣稱(chēng)，利用數(shù)字組件與電路，可以完全取代掉交換式穩(wěn)壓器中的模擬組件，藉此可以大幅簡(jiǎn)化交換式穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)，并且有助于整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)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(shù)字轉(zhuǎn)換器)或DSP來(lái)取代誤差放大器與脈沖寬度調(diào)變的數(shù)字交換式穩(wěn)壓器，也依舊需要電壓基準(zhǔn)、電流檢測(cè)電路/開(kāi)關(guān)以及FET驅(qū)動(dòng)器，這些組件只存在于模擬形式，而且被普遍應(yīng)用于各種類(lèi)的交換式穩(wěn)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(shè)計(jì)向來(lái)被比做為藝術(shù)，很多時(shí)候，模擬組件的調(diào)整與整體架構(gòu)設(shè)計(jì)總要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)與手腕才能調(diào)配出完美的比例，就好比是一名廚師，在做菜時(shí)對(duì)火侯的掌控必須依靠長(zhǎng)久的經(jīng)驗(yàn)，才能烹調(diào)出一道色香味俱全的料理。雖然模擬電路架構(gòu)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(yīng)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(shù)的半導(dǎo)體公司都僅在數(shù)字領(lǐng)域稱(chēng)霸，對(duì)于模擬架構(gòu)卻都往往流于一知半解。以臺(tái)灣為例，臺(tái)灣雖然是IC設(shè)計(jì)的大宗，但是對(duì)于模擬制程卻甚少有著墨，雖然市場(chǎng)上數(shù)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(guó)外廠商尋求。

追求純數(shù)字電源目前仍遙不可及　數(shù)字與模擬合理的搭配設(shè)計(jì)才是正途

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

傳統(tǒng)模擬電源簡(jiǎn)單易用，雖然可變更的參數(shù)不多，但是單純是其最大的優(yōu)點(diǎn)。而在較高階的應(yīng)用中，系統(tǒng)管理者可以需要額外的控制功能來(lái)監(jiān)控電源供應(yīng)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(jù)系統(tǒng)管理者的設(shè)定，定期向中央控制系統(tǒng)回報(bào)。除此之外，一些如ID標(biāo)記、故障狀態(tài)訊息、時(shí)間標(biāo)記等等都可以?xún)?chǔ)存在微控制器上的閃存或其它非易失性?xún)?chǔ)存架構(gòu)中，并且在指定的時(shí)間回報(bào)這些訊息。這些設(shè)計(jì)需要具備大量的整合數(shù)字電路，通?？赡茌^常在高階服務(wù)器中見(jiàn)到這些數(shù)字電源供應(yīng)器，在一般平價(jià)消費(fèi)性產(chǎn)品中，就不需要用到這些額外的控制功能。