大勢所趨的數(shù)字電源設(shè)計方式

圖說：PWM的結(jié)構(gòu)區(qū)塊圖。

第二種：透過高性能數(shù)字芯片如DSP對電源實現(xiàn)直接控制，數(shù)字芯片完成訊號取樣AD轉(zhuǎn)換和PWM輸出等工作，由于輸出的數(shù)字PWM訊號功率不足以驅(qū)動開關(guān)管，需通過一個驅(qū)動芯片進行開關(guān)管的驅(qū)動。這樣就可以簡化控制電路的設(shè)計，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)和運算速度，可以快速有效的實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，實現(xiàn)對電源系統(tǒng)的有效控制，這樣的設(shè)計具備較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。不過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，對設(shè)計者要求比較高，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)在交換式電源中開始應(yīng)用，但目前主要仍局限在對電源性能要求較高的而且價格比較昂貴的應(yīng)用領(lǐng)域上。

電源控制數(shù)字化之后所需面對的問題

數(shù)字控制的交換式電源不可避免地存在以下問題：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的A/D轉(zhuǎn)換時間。作為反饋回路的一部分，A/D轉(zhuǎn)換時間過長必然造成額外的相位延遲時間。除了和模擬控制存在的相位延遲，轉(zhuǎn)換過程的延遲時間必然也會造成額外的等待循環(huán)，造成回路的實時反應(yīng)能力變差。

和模擬芯片用RC(電阻電容)補償進行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時反應(yīng)能力，這種做法需要占用數(shù)字芯片較大的系統(tǒng)資源，因為數(shù)字控制和模擬控制不同，訊號取樣不是連續(xù)不斷的，而是規(guī)則離散的，兩次取樣之間會有一段間隔時間，這段時間的值是無法取得的。為了要達到精確的控制，每次取樣之間的時間間隔不能太長，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)果都會被送到系統(tǒng)的中央處理器，然后由處理器對取樣的值進行運算和PI調(diào)節(jié)。

在取樣頻率比較高的時候，這種做法相當(dāng)耗費系統(tǒng)運算資源，因此對數(shù)字芯片的效能要求也比較高。專門用于電源控制的數(shù)字芯片并不算多，雖然在要求比較高的場合一般都會用DSP芯片，其運算和取樣速度快，功能強大，但價格比較昂貴。而且通用DSP芯片不是專門的做為電源控制芯片使用，一般的電源應(yīng)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(shù)字控制的核心是一種浪費。

應(yīng)用在電源設(shè)計的DSP與MCU架構(gòu)之爭

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)來進行數(shù)字電源設(shè)計，DSP擁有強大的數(shù)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(shè)計可以面面俱到的數(shù)字控制電源而言，兩者不可偏廢。

圖說：Microchip公司的DSC產(chǎn)品。

雖然如此，兩家業(yè)者還是認(rèn)為各自專長領(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(diào)強大計算能力所能帶來的實時反應(yīng)能力與控制精確度，而DSP的可程序化能力對系統(tǒng)的架構(gòu)、可移植性以及可維護能力有著絕佳的表現(xiàn);Microchip公司則是強調(diào)一般客戶并不需要太過強大的DSP計算能力，復(fù)雜的可程序化設(shè)計只會拉長產(chǎn)品開發(fā)時程，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，透過標(biāo)準(zhǔn)的C語言編譯器，更能夠有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計時程。

電源供應(yīng)器的模擬組件可以完全被取代?　倒也未必!

許多激進的廠商宣稱，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，藉此可以大幅簡化交換式穩(wěn)壓器的設(shè)計，并且有助于整個供電系統(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)、電流檢測電路/開關(guān)以及FET驅(qū)動器，這些組件只存在于模擬形式，而且被普遍應(yīng)用于各種類的交換式穩(wěn)壓器中，無法被取代。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。

模擬設(shè)計向來被比做為藝術(shù)，很多時候，模擬組件的調(diào)整與整體架構(gòu)設(shè)計總要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗與手腕才能調(diào)配出完美的比例，就好比是一名廚師，在做菜時對火侯的掌控必須依靠長久的經(jīng)驗，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)而動全身，既然電源供應(yīng)器無法拋棄模擬組件的包袱，在模擬技術(shù)上就更需要進一步的研究與發(fā)展，畢竟大多數(shù)的半導(dǎo)體公司都僅在數(shù)字領(lǐng)域稱霸，對于模擬架構(gòu)卻都往往流于一知半解。以臺灣為例，臺灣雖然是IC設(shè)計的大宗，但是對于模擬制程卻甚少有著墨，雖然市場上數(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)計才是正途

數(shù)字電源在近幾年來引起了相當(dāng)廣泛的討論，但是業(yè)界一般對于這個產(chǎn)業(yè)的看法并不一致。雖然行動裝置對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)過數(shù)十年的發(fā)展，在大多數(shù)的應(yīng)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(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)計思維，并且開始加入數(shù)字組件或設(shè)計方式，以期突破傳統(tǒng)的模擬電源設(shè)計藩籬。

傳統(tǒng)模擬電源簡單易用，雖然可變更的參數(shù)不多，但是單純是其最大的優(yōu)點。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。除此之外，一些如ID標(biāo)記、故障狀態(tài)訊息、時間標(biāo)記等等都可以儲存在微控制器上的閃存或其它非易失性儲存架構(gòu)中，并且在指定的時間回報這些訊息。這些設(shè)計需要具備大量的整合數(shù)字電路，通?？赡茌^常在高階服務(wù)器中見到這些數(shù)字電源供應(yīng)器，在一般平價消費性產(chǎn)品中，就不需要用到這些額外的控制功能。