【導讀】作為一名當代的電源設計工程師，如果正打算為終端系統選擇一款合適的電源解決方案，很可能會(huì )感到非常的糾結：
● 是選擇模擬電源還是數字電源？
● 如果選擇數字電源，是選擇基于DSP的控制方案還是基于MCU的控制方案？
我們非常理解電源工程師的難處，希望下面的文字能夠化解這一難題。
模擬電源vs數字電源
眾所周知，在核心功率轉換方面，模擬電源方案一直是行業(yè)的主角，相關(guān)的產(chǎn)品種類(lèi)豐富且久經(jīng)市場(chǎng)考驗，非常值得信賴(lài)。不過(guò)，近幾年異軍突起的數字電源正在打破這種市場(chǎng)狀況。
所謂的數字電源實(shí)際上就是一種采用數字信號來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和頻率，并通過(guò)數字信號處理器（DSP）、微處理器（MCU）等對電源輸出進(jìn)行控制和監測的功率轉換解決方案，它具有高精度、高穩定性、高可靠性、高效率且能遠程控制并自動(dòng)調節輸出電壓等特點(diǎn)。
在傳統的模擬電源中，變壓器電源由鐵芯和線(xiàn)圈組成。線(xiàn)圈的匝數決定了兩端的電壓比。主線(xiàn)圈產(chǎn)生頻率為50Hz的變化磁場(chǎng)，這種變化的磁場(chǎng)通過(guò)鐵芯傳輸到次級線(xiàn)圈，并在次級線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電壓，依靠變壓器來(lái)實(shí)現電壓的轉換。這種模擬電源的缺點(diǎn)是，由于線(xiàn)圈和鐵芯是導體，因此在電壓轉換過(guò)程中會(huì )因自感電流而產(chǎn)生能量損耗，變壓器的效率很低，一般不超過(guò)35%。另外，這種產(chǎn)品的體積也比較大，會(huì )占用較多的PCB面積。
開(kāi)關(guān)電源解決了傳統模擬電源變壓器效率低下的問(wèn)題，其工作原理是，在電流進(jìn)入變壓器之前，通過(guò)晶體管的開(kāi)關(guān)功能提高線(xiàn)圈的頻率，通常會(huì )將50HZ的電流頻率提高到數萬(wàn)HZ。在如此高的頻率下，磁場(chǎng)變化的頻率也達到數萬(wàn)HZ，因此線(xiàn)圈的尺寸將大大縮小。由于匝數和磁芯體積的減少，熱損耗明顯降低。通常，開(kāi)關(guān)電源的效率能達到90%以上，并且體積非常小，輸出穩定，具有傳統模擬電源難以實(shí)現的優(yōu)點(diǎn)。
數字電源是現代電子系統中降低功耗和管理日益增長(cháng)的電源復雜性的重要技術(shù)之一。從智能手持設備到數據服務(wù)器和無(wú)線(xiàn)基站，數字電源的管理和控制提供了實(shí)時(shí)智能，使開(kāi)發(fā)人員能夠構建自動(dòng)適應環(huán)境并優(yōu)化效率的電力系統。數字電源的使用意味著(zhù)對負載和系統溫度的變化可進(jìn)行自動(dòng)補償，通過(guò)自適應死區控制實(shí)現節能，動(dòng)態(tài)電壓縮放實(shí)現優(yōu)秀的系統性能，并在各種故障條件下通過(guò)強大的保護實(shí)現安全運行。
從技術(shù)角度看，數字電源由DSP或MCU控制，相對而言，DSP控制的電源采用數字濾波，可以滿(mǎn)足復雜的電源要求，實(shí)時(shí)響應速度更快，電源電壓調節性能更好?，F在的功率模塊IC將脈寬調制器（PWM）、電感、功率MOSFET和無(wú)源元件均集成到一個(gè)小封裝中用于高效功率轉換，因此，構建一個(gè)完整的數字電源系統只需幾個(gè)輸入和輸出端，電源的設計變得越來(lái)越簡(jiǎn)單易行。由于電源模塊IC僅以較小的PCB面積即可為各種導軌供電，因此，系統設計者可以開(kāi)發(fā)出更緊湊、外形更小的電子產(chǎn)品。
綜合來(lái)看，在易于使用且幾乎不需要更改工作參數的應用中，我們可以通過(guò)硬件固化來(lái)實(shí)現有針對性的應用，這種情形模擬電源產(chǎn)品更有優(yōu)勢。然而，在復雜的多系統業(yè)務(wù)中，與模擬電源相比，數字電源的優(yōu)勢就顯得非常突出，比如數字電源是通過(guò)軟件編程實(shí)現的，其可擴展性和可重用性允許用戶(hù)輕松更改工作參數并優(yōu)化電力系統。另外，通過(guò)實(shí)時(shí)過(guò)電流保護和管理，還能有效減少外圍設備的數量。
數字電源的優(yōu)勢
有關(guān)數字電源的優(yōu)勢，我們可以歸納為以下幾點(diǎn)：
實(shí)現了電源的智能管理，很大限度地提高了系統性能和效率。數字功率IC通過(guò)使用功率管理總線(xiàn)（PMBus）協(xié)議的系統管理總線(xiàn)（SMBus）彼此通信，使用支持SMBus和PMBus的設備進(jìn)行功率轉換提供了傳統模擬電源系統無(wú)法實(shí)現的靈活性和控制。通過(guò)基于PMBus協(xié)議的I2C通信總線(xiàn)，主機控制器能輕松管理輸出電壓的調整、功率排序和多個(gè)電壓軌的同步。PMBus支持的數字電源模塊IC使高效、緊湊和智能電源的設計變得簡(jiǎn)單。
有效縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間。新產(chǎn)品的設計可能隨時(shí)都會(huì )發(fā)生變化，比如增加電源軌、電流或瞬態(tài)響應需要調整。對于數字電源而言，借助SMBus可輕松地將新的電源軌添加到電源管理系統中。
較低的運營(yíng)成本，包括降低系統BOM成本，同時(shí)提高可靠性和產(chǎn)品壽命。有了數字電源，許多系統管理和電源控制功能可以用固件實(shí)現，節省了硬件成本。憑借更少的組件和全面的數字管理保護功能，系統產(chǎn)品可以享有更高的可靠性和更長(cháng)的使用壽命。
當今許多電子系統的電源需求即使是領(lǐng)先的模擬電源也無(wú)法滿(mǎn)足。數字電源具有很高的靈活性和適應性，效率高且成本相對較低，它解決了各種應用在電力方面的設計需求。
兩種全數字電源設計方案
數字電源的發(fā)展并不是一成不變的，始終處于技術(shù)的快速演變中。數字電源的定義也會(huì )因電源轉換供應商的不同而略有差異。有人說(shuō)它僅是在模擬電源基礎上增加了控制回路，具有數字接口，通過(guò)PMBus添加了數字電源功能；有人堅持認為數字電源是基于MCU或DSP解決方案的全數字控制回路。第一種情形因為模擬功率控制核心由數字管理電路封裝，常常被稱(chēng)為數字封裝解決方案。后者則被稱(chēng)為全數字解決方案，用戶(hù)可能需要進(jìn)行大量的軟件編碼。
這兩種數字電源解決方案各有利弊。數字封裝解決方案不需要編程來(lái)控制功率轉換，但無(wú)法提供數字電源的全部好處，另外還需要補償回路設計，這對不是電源設計專(zhuān)家的系統設計人員來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)挑戰。全數字電源解決方案在閉環(huán)控制方案中具有高靈活性，但需要良好的控制算法和固件設計。此外，為了實(shí)現高系統精度，需要高分辨率的A/D電路和更快的時(shí)鐘，一定程度上會(huì )增加電源部分的成本。
其實(shí)，設計電源或功率轉換器的目標很簡(jiǎn)單，即：在輸入電壓或負載條件發(fā)生變化的情況下，以所需的電壓值提供穩定、可調節的直流輸出。一個(gè)全數字電源方案通常都會(huì )具備下面四個(gè)功能：
● 能發(fā)PWM波，并且具備保護關(guān)斷功能；
● 能進(jìn)行環(huán)路運算；
● 可實(shí)現快速ADC采樣；
● 擁有常規的通信接口，如I2C、串口等。
除去這些基本功能，全數字電源設計還有DSP和MCU控制之分，這個(gè)又該如何選擇呢？
開(kāi)關(guān)電源的數字控制在當今工業(yè)中變得越來(lái)越普遍，對于全數字電源設計，通用MCU的基本外設包括PWM、模數轉換器（ADC）、UART以及定時(shí)器等。相對DSP而言，它欠缺了高分辨率PWM（HRPWM）外設。然而，就是這個(gè)外設，它的作用卻非比尋常。HRPWM 外設是獨立于常規PWM模塊之外的一個(gè)外設，也是對全數字電源精度影響極大的一個(gè)外設。
低成本、高性能的DSP控制器具有增強和集成的電力電子外圍設備，如ADC和HRPWM，基于DSP的數字控制允許實(shí)現更多功能的控制方案、多平臺的標準控制硬件設計以及快速修改設計以滿(mǎn)足特定客戶(hù)需求的靈活性。由于DSP不太容易受到老化和環(huán)境變化的影響，并且具有更好的抗噪聲性。因此，對電源精度有較高要求的能量轉換與存儲等應用，DSP方案可能是更優(yōu)的選擇。
TI的TMS320F280x是32位DSP，處理速度高達100MHz，有增強的外圍設備，如HRPWM模塊、轉換速度高達160ns的12位A/D轉換器、32x32位乘法器、32位定時(shí)器和實(shí)時(shí)代碼調試能力等，為電源設計人員提供了數字控制的所有好處，并允許實(shí)現高帶寬，高頻電源而不犧牲性能。
DSP的額外計算能力還允許實(shí)現復雜的非線(xiàn)性控制算法，將多個(gè)轉換器控制集成到同一處理器中，優(yōu)化總系統成本。在基于TMS320F280x的數字控制DC-DC開(kāi)關(guān)電源的設計中，圖1顯示了需要單信號測量來(lái)實(shí)現DC-DC轉換器的電壓模式控制。
其瞬時(shí)輸出電壓Vout由電壓感測電路感測和調節，然后經(jīng)由ADC通道輸入到DSP。電壓環(huán)路控制器Gc被設計為使輸出電壓Vout跟蹤參考Vref，同時(shí)實(shí)現期望的動(dòng)態(tài)性能。
該控制器的數字化輸出U為降壓調節器開(kāi)關(guān)Q1提供占空比命令。該命令輸出用于計算片上PWM模塊中定時(shí)器比較寄存器的適當值。PWM模塊使用該值來(lái)生成PWM輸出（當前情況為PWM1），PWM1輸出最終驅動(dòng)降壓轉換器開(kāi)關(guān)Q1。
圖1：基于TMS320F280x 的數字控制DC-DC轉換器解決方案簡(jiǎn)化框圖（圖源：Texas Instruments）
在基于MCU控制的全數字電源設計中，STMicroelectronics的STM32數字電源（D-Power）產(chǎn)品組合包括STM32產(chǎn)品系列的多個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)，涵蓋了從入門(mén)級到高性能，包括帶有嵌入式高分辨率定時(shí)器（HRTimer）的STM32F3、STM32G4 和 STM32H7 MCU。
該計時(shí)器作為一種功能強大且靈活的脈沖寬度調制（PWM）發(fā)生器，可提供高達184ps的分辨率。當STM32F3、STM32G4和STM32H7 MCU包含模擬組件時(shí)，其產(chǎn)品編號變成STM32F334、STM32G474和STM32H743。
STM32 D-Power 生態(tài)系統還為數字電源領(lǐng)域從初學(xué)者到專(zhuān)家級開(kāi)發(fā)人員提供了開(kāi)發(fā)上的便利，比如B-G474E-DPOW1 探索套件就是一個(gè)完整的數字電源解決方案，并且是一種基于STM32G474RET6 MCU的完整演示與開(kāi)發(fā)平臺，它充分利用了HRTimer的性能，幫助設計人員以數字電源為原型應用，快速實(shí)現降壓-升壓轉換。
圖2：B-G474E-DPOW1 探索套件
（圖源：STMicroelectronics）
隨著(zhù)MCU技術(shù)的進(jìn)步，HRPWM外設并非DSP獨有。NXP的數字信號控制器（DSC）在一個(gè)芯片中集成了微控制器（MCU）的功能和強大的數字信號處理（DSP）的功能，適用于從通用嵌入式市場(chǎng)到電機控制和功率變換等各種應用。
在數字電源領(lǐng)域，NXP近年來(lái)推出的全新DSC產(chǎn)品，針對新的數字電源應用集成了高性能的CPU內核的智能控制外設，如皮秒級精度的eFlexPWM、高速且觸發(fā)靈活的ADC、帶同步斜坡生成的DAC、高速可靠的比較器、多模式內置運放OPAMP，以及靈活配置的XBAR和事件觸發(fā)發(fā)生器。這些外設的靈活組合使得DSC能夠針對不同的開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）拓撲結構，實(shí)現不同的控制功能和高效率的設計。
MC56F8xx 32位DSP是NXP新一代入門(mén)級DSC產(chǎn)品，基于高性能56800EX DSP內核，頻率高達100MHz，它還是NXP第一款集成數字簽名算法安全子系統（DSASS）和高速低功耗運算放大器的DSC產(chǎn)品。
此外，MC56F81xxx系列對MC56F82xxx系列進(jìn)行了許多功能增強，包括增強的DMA功能（eDMA），可配置邏輯事件發(fā)生器（EVTG），雙1.6MSps 12位ADC和完全PMBus支持，為功率轉換應用提供了極具成本效益的解決方案。
圖3：MC56F81xxx系列系統框圖
（圖源：NXP）
結語(yǔ)
數字電源轉換市場(chǎng)約占電源轉換市場(chǎng)的50%。這一市場(chǎng)的增長(cháng)主要歸因于工業(yè)、通信、計算和汽車(chē)電子產(chǎn)品的各種數字電源系統中越來(lái)越多地采用AC/DC電源轉換、隔離電源轉換、DC/DC功率轉換、DC/AC功率轉換、功率調節、有源功率濾波等。
未來(lái)幾年，數字電源轉換市場(chǎng)的需求預計將大幅增長(cháng)，Future Market Insights（FMI）的分析認為，數字電源轉換市場(chǎng)將從2022年的176.06億美元增長(cháng)到2029年的383.40億美元，2022-2029年期間的復合年增長(cháng)率達到11.8%。而中國將成為數字電源轉換市場(chǎng)中表現非常突出的市場(chǎng)，預計中國將在2022-2029年間在數字電源轉換市場(chǎng)的復合年增長(cháng)率將高達14.1%。
如果說(shuō)幾年前數字電源還是一個(gè)概念，那么，如今的數字電源技術(shù)在數據中心等電力密集型應用中已獲廣泛應用。通過(guò)使用數字電源模塊，系統設計者可以為更多系統功能節省PCB空間，減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低研發(fā)成本，并快速將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)。通過(guò)數字控制和高可靠性，可以?xún)?yōu)化系統運行，以實(shí)現低功耗和更長(cháng)的使用壽命。
全數字電源解決方案主要借助通用MCU或DSP實(shí)現，然而，MCU和DSP并不是專(zhuān)門(mén)為電源設計的產(chǎn)品，通常需要過(guò)多的編碼和固件設計時(shí)間，這使得全數字電源解決方案的設計變得困難。這一過(guò)程對有著(zhù)數年設計經(jīng)驗的模擬電源工程師而言存在著(zhù)非常大的挑戰。為此，各數字電源方案的供應商在提供產(chǎn)品的同時(shí)，基本都會(huì )同步提供配套的開(kāi)發(fā)工具或開(kāi)發(fā)板，使得這一困境得到了極大的緩解，進(jìn)一步推動(dòng)了數字電源方案的普及應用。
盡管如此，我們還必須認清一個(gè)事實(shí)，那就是模擬電源仍將存在一段時(shí)間并占據較大的市場(chǎng)份額，與當今市場(chǎng)上的數字電源和諧共處。
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