淺談數字電源與模擬電源的發(fā)展趨勢

　　目前在整個市場中數字電源技術所占的比例正在逐步增長，不過，隨著越來越多的系統(tǒng)開發(fā)商采用這種技術，數字技術似乎正在成為電源系統(tǒng)設計的新趨勢。模擬開關式電源已經使用了幾十年。其設計為人們所熟知，而且有許多優(yōu)秀的教科書、仿真工具包、應用手冊和研討會。還有眾多廠商提供的大量低成本集成電路，其封裝了許多功能，從集成柵極驅動器及開關到電流感應和保護。

　　數字控制擁有一些模擬世界不具有的特性，其使開關式電源設計擁有迄今還不可能實現的功能。想想一家電源廠商有許多不同功率級的情況吧。采用數字控制解決方案，可讓一個單處理器與單獨自定義軟件一起工作以滿足每個功率級的需求。大規(guī)模生產時，產生的經濟規(guī)模會十分巨大。

　　模擬技術+DSP/MCU成為主要趨勢，應用方案向消費領域滲透更高集成度、更快瞬時響應以及更大靈活性是數字電源的主要優(yōu)勢。通常情況下，模擬PWM架構能夠提供較高分辨率，但無法實現數字控制架構所具備的輸出電壓監(jiān)視、通信及其它復雜控制功能;而對于數字PWM,為了達到與模擬控制架構同等的性能指標必須具備高分辨率、高速和線性ADC,以及高分辨率、高速PWM電路，因而與模擬控制架構相比，數字控制架構的成本將大幅增加。綜合考慮兩者優(yōu)勢，Maxim公司的Ashrafzadeh認為，最佳方案是將模擬PWM與數字電路相結合，在不犧牲模擬控制所具備的精度和無限分辨率的情況下，提供數字控制所具有的全部性能。

　　數字電源與模擬電源的優(yōu)勢對比

　　數字開關電源正是為了克服現代電源的復雜性而提出的，它實現了數字和模擬技術的融合，提供了很強的適應性與靈活性，具備直接監(jiān)視、處理并適應系統(tǒng)條件的能力，能夠滿足幾乎任何電源要求。數字電源還可通過遠程診斷以確保持續(xù)的系統(tǒng)可靠性，實現故障管理、過電壓(流)保護、自動冗余等功能。由于數字電源的集成度很高，系統(tǒng)的復雜性并不隨功能的增加而增加過多，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，簡化了設計制造流程。同時，數字電源的自動診斷、調節(jié)的能力使調試和維護工作變得輕松。而數字電源相對于模擬電源的優(yōu)勢主要體現在以下幾個方面：

　　1、便于高度集成化，由于數字電路采用二進制，其代碼符號儀有0和l兩種，因此在數字1電路中只要有個不同的狀態(tài)分別表示0和1就可以，所以數字電路的基本單元十分簡單，而且對元件要求也不嚴格，允許電路參數有較大的離散性，有利于將眾多的基本單元集成在同一硅片上進行批量生產。

　　2、工作準確可靠，抗干擾能力強。數字信號是l和0來表示信號的，而數字電路辨別信號的有無是很容易做到的，從而大大提高了電路的工作可靠性。同時數字信號不易受到噪聲干擾，因此它的抗干擾能力極強。

　　3、數字信息便于長期保存。借助某種媒體(磁盤、光盤等)可將數字信息長期保存下來。

　　4、數字集成電路產品多、通用性強且成本低。

　　5、保密性好，數字信息容易進行加密處理，不易被竊取。

　　6、不盡能完成數值運算，還可以進行邏輯運算和判斷，這在控制系統(tǒng)中是不可缺少的。

　　數字電源管理芯片易于在多相以及同步信號下進行多相式并聯應用，可擴展性與重復性優(yōu)秀，輕松實現負載均流，減少EMI,并簡化濾波電路設計。數字控制的靈活性能把電源組合成串聯或并聯模型，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上都具有最優(yōu)的功率轉換效率。

　　相對模擬控制技術，數字技術的獨特優(yōu)勢還包括在線可編程能力、更先進的控制算法、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(tǒng)管理和互聯功能。數字電源不存在模擬電源中常見的誤差、老化(包括模擬器件的精度)、溫度影響、漂移、補償等問題，無須調諧、可靠性好，可以獲得一致、穩(wěn)定的控制參數。數字電源的運算特性使它更易于實現非線性控制(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;更新固件即可實現新的拓撲結構和控制算法，更改電源參數也無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，通過設計不同固件即可滿足各種最終系統(tǒng)的獨特要求，從而加快產品上市，減少開發(fā)成本、元器件庫存與風險。

　　數字電源取代模擬電源的決定因素

　　數字控制能解決問題，是因為它具有比模擬控制更好的性能、更靈活且在復雜的設計中更易用。然而下面總結的六個方面是決定了模擬電源被數字電源取代的主要因素。

　　1、瞬態(tài)響應：控制機制極大影響了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應。例如，與電流模式相比，磁滯控制器的瞬態(tài)響應會有很大不同。每種控制模式都既有優(yōu)點，也有缺點。數字解決方案讓你能無縫地從一種模式轉換到另一種模式，以提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應。雖然模擬解決方案可以提供很好的點方案，但極少出現足夠靜態(tài)的工作狀況，讓你能實現所設想的點方案。

　　2、調節(jié)精度：一般來說，調節(jié)精度是根據線電壓、負載和溫度來定義的，因為這些條件中的每一個都會影響調節(jié)精度。數字控制器可以監(jiān)視這些條件，并采取控制措施，在整個工作條件范圍內進行優(yōu)化。

　　3、穩(wěn)定性：數字控制能夠提供比模擬方案更好的補償(更好地調用極點和零點)，因此在穩(wěn)定性上的控制要好很多。另外，補償能夠隨著條件的變化而變化，使系統(tǒng)能在很寬范圍的條件下實現最佳的穩(wěn)定性。模擬控制器的補償是固定的，而數字控制可提供可調的甚至是自適應的補償。

　　4、故障響應：數字電源控制器提供了大量故障響應的選項。每種故障都有唯一的響應特性，可根據用戶的需求進行調整。模擬控制器一般只有一個固定的故障響應(如斷電/斷續(xù)/過載)，用戶也只能選擇用或者不用。數字控制還能提供濾波器功能，降低虛假故障的可能。

　　5、效率：許多控制結果都會影響到效率，包括死區(qū)時間、開關頻率、柵極驅動等級、二極管仿真、加相和缺相等。針對這些因素，當前數字控制所提供的數字控制算法在整個工作條件范圍內進行了優(yōu)化。因此，在某個工作點下，你也許能將模擬控制器調整到很高的效率，但數字控制器卻可對所有的工作點進行優(yōu)化。

　　6、可靠性：減少元件數量、降低工作溫度(通過效率優(yōu)化)是數字電源提高系統(tǒng)可靠性的兩個途徑。此外，靈活的故障響應和探測元器件參數微小變化的能力，可以大幅減少停機時間。

　　一般情況下，對大多數簡單的設計和基本要求來說，數字控制可能有點大材小用。當然，數字電源控制的靈活程度足以應付這些簡單的應用，其功能可能超出實際所需。因此，數字控制器顯然是備受歡迎的解決辦法。另外，數字電源控制一般比模擬控制器具有更高的集成度。然而，集成度還不足以滿足設計重用和靈活性的要求;但是，數字電源控制器適用于各種各樣的應用，無需借助附加電路。從這個意義上說，這項技術的靈活性要遠優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬技術。