原创 数字化电源的优势

数字化电源需求近来已大幅攀升。先进半导体制程技术不但让元件变得更小更快，它们还需要更低 (密度更大) 的供应电压和更高的供应电流；在此同时，最终系统的功能持续提升，体积和平均售价则不断下降。这些因素迫使电源供应设计人员随着产品世代交替不断开发更精确、响应速度更快、效率更高、体积更小和成本更低的电源供应。面对这些问题，传统模拟控制解决方案正逐渐变得束手无策。根据定义，数字化电源控制器会在数字域 (digital domain) 执行所有系统控制演算法。它会将所有模拟系统参数转换成数字并在数字域利用这些资料计算控制响应，然后将新产生的控制资讯传回给系统，任何控制器只要不能完整做到这些就称为「数字辅助型」。电源供应业者大都认为真正的数字化电源是解决这些困境的关键技术。数字控制的精准和演算法特性可用来发展更先进的控制演算法以提高系统效能，例如执行非线性控制来改善暂态响应能力。它的高整合度带来精巧而低成本的控制解决方案，可程式能力则会促成硬件平台标准化和软件客制化以提高生产效率和加快新产品上市时程。数字化电源控制胜过模拟控制之处
传统模拟控制使用比较器、误差放大器和模拟调变器等零件来调整电源输出电压。虽然这些为人熟知的电路架构已经使用数十年，它们仍受到许多限制。举例来说，模拟控制电路因为使用许多零件而需要很大空间，这些零件值还会随着使用时间、温度和其它环境条件而变动并对系统稳定性和响应能力造成负面影响。模拟控制的控制响应特性是由离散零件值决定，因此无法为所有电源值或负载点提供最佳化控制响应；除此之外，模拟系统的测试和维修都非常困难。

数字控制型交换式电源供应的灵活特性让它们在许多方面胜过模拟技术。数字控制和模拟控制一样都採用闭迴路回授控制理论来稳定电源供应的输出电压，只不过数字控制型电源供应会用模拟数字转换器把模拟参数 (输入和输出电压以及电流等) 转换成数字，然后完全在数字域里对这些参数进行必要处理。如图1所示，它会立即将输出电压转换成数字资料并传送给数字控制器，再由数字控制器利用这些资讯计算新的控制输出。
　

图1：采用数字控制技术的隔离式交换电源供应
　

相较于模拟控制器，在数字域执行控制计算可以提供许多优点。数字的演算特性使它能发展出更复杂的控制演算法，例如即时改变控制响应特性让电源供应在各种输入电压或负载点下都能达到最理想的操作结果。数字化电源供应还具备完整的可程式能力，这使它们的修改非常容易。数字控制可以省下原本需要外接的临界值设定和时序零件，不但节省成本和电路板面积，还能避免离散被动元件的生产变异、温度梯度和零件公差等问题。它还能发挥各种经济优势，包括更低成本、更大的最终产品市场和更多的使用者IP内容。数字控制还能让硬件平重复使用、加快上市时程以及减少开发成本与风险，例如我们可以利用一种硬件平台设计多种电源供应，再透过不同轫体满足各种最终系统的独特要求。这种弹性可以加速上市时程和减少库存，设计人员只要修改轫体就能发展出不同的电源供应。

我们以Silicon Laboratories的数字化电源架构Si825x为例，该架构包含主迴路控制所需的硬件DSP和提供系统管理功能的辅助微控制器，这使它兼具DSP和固定功能硬件解决方案的优点。Si8250将主迴路控制和系统管理功能整合至单一封装以简化系统解决方案和节省成本与空间。此外，Si825x包含交换式电源主迴路控制所需的专属硬件DSP，辅助用的50 MIPS 8051微控制器则负责系统电源管理功能 (参考图2)。主迴路DSP滤波器引擎提供两倍于其它DSP元件的专属频宽，操作电流消耗则比它们减少15%，这能简化控制器的偏压电源设计并在负载很小时维持高工作效率。50 MIPS的嵌入式微控制器则包含多种低频宽系统最佳化和保护功能 (例如电流过载保护、电压过载保护、过热保护、软启动和软停止等) 以支援系统电源管理。
　

图2：Si825x方块图
　

伺服器和电信系统的负载点转换器是今日最常见的数字化电源应用–这类应用需要高效率、快速暂态响应和通信连结能力 (目前主要指PMBusTM，这种「标准化」串列通信协定可以让系统主处理器与电源供应控制器「交谈」以便要求资料或执行命令)。其它应用则会使用砖型 (brick) 或模组等电路板安装式电源产品，它们的主要考量是高功率、高电流密度、高效率和快速暂态响应的某种组合，这类应用包括工业自动化系统以及医疗诊断和治疗设备。

 交换式电源背景资料
所有电子系统都需要系统电源提供稳定精确的电压才能操作。交换式电源由于工作效率远超过传统线性电源，因此常用于电源输入与输出相差很大的应用或是高功率应用。

典型的交换式电源供应是由单级或多级电源转换电路组成，它们会由控制电路以很高的频率不断开启和关闭 (又称为调变，请参考图3)。每一级电源转换电路通常都会包含开关元件 (MOSFET、IGBT或二极管) 以及电感储能电路。
　

图3：简单的15 V至5 V交换式直流电源供应电路
　

电源转换级电路的设计通常会让其输出电压正比于控制器输出脉冲的宽度，因此控制器只要不停将参考电压减掉输出电压，然后调整脉冲宽度让其相差值等于零就能产生稳定的输出电压，这个过程称为脉冲宽度调变 (PWM) 稳压。控制器除了提供PWM稳压器功能之外，还必须提供安全保护以确保系统在电源发生故障时不会损坏。电源转换电路的架构和控制机制可分为许多种，它们各有各自的优缺点。一个优良的数字化电源控制器的弹性必须能支援这些电路架构与控制机制的多数组合方式，进而提高电源供应的工作效能以及减少控制器的体积、成本与复杂性。