数字电源

定义

　　什么是数字电源，业界对此并没有一个清晰统一的定义，各个公司对此的解释也不尽相同。

　　TI从功能上对数字电源进行了定义：数字电源就是数字化控制的电源产品，它能提供管理和监控功能，并延伸到对整个回路的控制。

　　DC/DC转换器供应商Power One公司的市场发展总监Pechi Lou则认为：除了DPM，数字电源还应该包括数字电源转换(DPC)层面。“传统的非隔离式POL转换器所采用的模拟PWM反馈回路被DPC中的数字PWM(DPWM)所取代，因此可对POL转换器进行纯数字控制。”Lou指出，“采用大量外部元件对模拟的转换器进行数字管理的方式虽然可行，但并不经济；而采用数字转换器不仅使该任务简单，还可以实现大量的功能操作。”

　　意法微电子(ST)则从系统框架的层面进行了阐述，“DPM的概念是：通过一个数字内核和嵌入式通信接口(通常为I2C)对多个电源转换模块和外部元件进行控制。”

　　飞兆半导体则强调了DPM与传统的模拟电源管理方案的差别：“DPM提供自适应控制，能在相同的应用中适应不断变化的需求。DPM利用模拟前端进行探测，并执行一组方程式，以每一周期为基础提供输出控制。此外，DPM无需附加外部元件，而传统方案却需要用外部元件进行微调。”

　　电源模块厂商Astec(Emerson的子公司)对DPM的看法是是在电源系统内部以及PWM控制回路进行管家式管理。因此，DPM的框架主要为一个或多个MCU、一些读写存储器、通信接口和各种推挽式功率放大器和传感器。

　　实际上做为数字电源，首先，PWM的信号输出是由数字控制芯片提供；第二，控制环路的反馈计算工作交由数字单元完成；第三留有人机交互界面，便于信息的交换，而且可以实现电源输出的可控和输入的监测；第四，留有通信总线接口，可方便实现群监群控，冗余控制等。

与模拟电源的区别

　　数字电源与模拟电源的区别主要集中在控制与通信部分。在简单易用、参数变更要求不多的应用场合，模拟电源产品更具优势，因为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现，而在可控因素较多、实时反应速度更快、需要多个模拟系统电源管理的、复杂的高性能系统应用中，数字电源则具有优势。

　　此外，在复杂的多系统业务中，相对模拟电源，数字电源是通过软件编程来实现多方面的应用，其具备的可扩展性与重复使用性使用户可以方便更改工作参数，优化电源系统。通过实时过电流保护与管理，它还可以减少外围器件的数量。

　　数字电源有用DSP控制的，还有用MCU控制的。相对来讲，DSP控制的电源采用数字滤波方式，较MCU控制的电源更能满足复杂的电源需求、实时反应速度更快、电源稳压性能更好。

　　数字电源有什么好处？它首先是可编程的，比如通讯、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现。另外，数字电源具有高性能和高可靠性，非常灵活。

　　数字电源不是让模拟电源冗余的“魔法子弹”。模拟和数字电源都会存在，并将和睦相处。如果不需要额外的数字控制功能，那么模拟电源毫无疑问就是理想选择。反之，在有众多严格调节功率级的复杂系统中，要求监控、数据通信和灵活控制环路，这时数字解决方案更能发挥其应有的作用。幸运的是，数字电源控制优化微处理器的推出以及一些新型工具和培训的出现可以让广大设计人员可以为眼前的应用选择的解决方案。

使用前需考虑的问题

　　在使用数字电源以前，当然也有一些必须要考虑的问题。数字控制器的 PCB 板级空间必须包括 MCU、晶体时钟、保护/滤波和 ADC 引脚缓冲。另外，对 PWM 精度和 ADC 动态范围也有一些限制。尽管如此，一些的数字电源专用 MCU 产品还是可以解决多大数这些问题。

　　模拟工程师们担心的另一个问题是掌握这些数字设计技术所需的时间和精力。许多情况下，如 Z 转换和采样理论等概念通常自毕业那天起就没有接触过了！幸运的是，许多在线工具现在都是免费提供，其自动根据一套用户频率域规范将一个模拟设计转换成离散时间当量。

分类

　　数字电源从电压及电流值在A/D转换后的数字信息的处理手段来看，可大致分为两种，即：

　　◆数字化后通过硬接线专用逻辑电路实施PID控制；

　　◆数字化后通过DSP微控制器等以软件方式实施复杂控制。

　　但从市场的角度来看，又可分为以下两种：

　　◆ 数字电源管理器(DPM)，使用数字信息来管理电源系统及其中电源的整体运作。有了DPM，就可以利用数字信号实现与电源的通信，以监控和管理加电、测序、负载分配和平衡、故障情况、热交换、保养问题和其他任务。

　　◆ 电源数字控制器(DCP)，使用数字技术来控制电源单元内部的功率开关功能。从理论上来说，这意味着尽可能早地执行模－数转换，使电源中所有的反馈和控制功能在数字域进行处理。

市场的大事件

　　过去几年内，发生的几件事影响了数字电源市场：

　　◆ 英飞凌收购Primarion 公司

　　◆ Exar 公司收购了FyreStorm 的知识产权(IP)

　　◆ Intersiln 收购Zilker Labs

　　◆ 德州仪器收购Ciclon

　　◆ Power One 在PMBus 方面取得了有关数字电源的专利诉讼胜利

　　◆ Volterra 大肆扩张负载点(POL)市场份额凌特公司、英飞凌和德州仪器获得Power One 的数字电源专利许可

　　在过去几年发生的所有事件已经为一项主导技术确定了路径：DCP。在DCP 技术领域，两类设计占优势地位：基于数字信号处理器(DSP)的设计，以及基于微控制器PID-内存的设计。微控制器PID-内存的设计将成为主导，因其具有灵活性且复杂程度较低。