隨著工業(yè)利用數(shù)字控制給傳統(tǒng)模擬領(lǐng)域帶來的好處，數(shù)字電源在過去五年中經(jīng)歷了快速增長。來自不同微控制器供應(yīng)商專門針對數(shù)字電源市場的許多新產(chǎn)品都支持這一點。

圖 1：模擬控制電源。

在傳統(tǒng)的模擬電源中，控制是使用由運算放大器和比較器組成的控制 IC 以及一系列精心挑選的外部電容器和電阻器組成的補償網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。這些為電源提供了所需的瞬態(tài)負載性能和頻域（s 域）中的穩(wěn)定性。補償網(wǎng)絡(luò)是固定的，并且經(jīng)常受到反饋路徑中帶寬限制光耦合器的影響。這在圖1中示出。

當(dāng)我們提到數(shù)字電源時，我們的意思是一個數(shù)字控制回路，它調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電源。這取代了自 1980 年代以來在開關(guān)模式電源中使用的模擬控制 IC。模擬控制 IC 及其相關(guān)的模擬補償網(wǎng)絡(luò)已被微控制器取代。

微控制器用于閉合電源的反饋回路。在典型的數(shù)控電源中，微控制器上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 模塊對輸出電壓或電流進行采樣。這與需求參考值進行比較，結(jié)果是一個誤差項。然后將誤差項用作離散時間控制器（通常是二極、二零或三極、三零控制器）的輸入，該控制器在離散時間域中具有極點和零點，即z 域。離散時間控制器以精確和預(yù)定義的時間間隔執(zhí)行——每次都有一個新的 ADC 樣本可用。

圖 3：離散時間二極點二零控制器。

這種離散時間控制器的一個例子如圖 3 所示。該控制器由五個乘法和累加操作組成，這些操作被稱為數(shù)字信號處理器 (DSP) 上的乘法累加器 (MAC) 指令。該采樣周期 x[n] 的控制器輸入（誤差項）乘以控制器系數(shù) B0。z-1 項是一個單位延遲，導(dǎo)致控制器的先前輸入 x[n-1] 乘以系數(shù) B1。在此之后，還有另一個單位延遲，因此前兩個采樣周期的誤差項 x[n-2] 乘以 B2。

在圖 3的右側(cè)，相同的過程應(yīng)用于控制器的輸出?？刂破鞯那耙粋€輸出 y[n-1] 乘以 A1，前兩個采樣周期的輸出 y[n-2] 乘以 A2。這些乘法累加在一起，結(jié)果是該采樣周期控制器的新輸出?？刂破鞯妮敵?y[n] 是脈寬調(diào)制 (PWM) 轉(zhuǎn)換器的占空比或諧振/脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 拓撲的開關(guān)頻率的新值。

就像 s 域中的模擬補償器一樣，圖 3中所示的離散時間控制器 將在 z 域中具有頻率響應(yīng)。控制器系數(shù)決定了頻率響應(yīng)，從而決定了電源的穩(wěn)定性。因此，工程師必須分析計算控制器系數(shù)以穩(wěn)定電源。

微控制器多年來一直用于電源，目的是使用相對簡單和低成本的微控制器來實現(xiàn)基本功能，例如 PMBus 和風(fēng)扇速度控制。然而，全數(shù)字控制以前在服務(wù)器和電信市場最為普遍，而在工業(yè)和醫(yī)療市場的采用則滯后。

禁止切換到數(shù)字控制的因素主要是與數(shù)字電源相關(guān)的成本和復(fù)雜性。好消息是，具有實現(xiàn)全數(shù)字控制所需的 DSP 功能的現(xiàn)代微控制器的成本近年來已大幅下降，使其可用于更多設(shè)計。然而，復(fù)雜性仍然是一個問題。這種復(fù)雜性源于對設(shè)計電源的混合域方法的需求。工程師需要將他們的電源設(shè)計知識與編寫高效代碼和穩(wěn)定離散時間控制環(huán)路的能力相結(jié)合。

那么切換到數(shù)字控制的原因是什么？與模擬對應(yīng)的數(shù)字控制回路相比，數(shù)字控制回路具有許多優(yōu)勢。數(shù)字電源對環(huán)境、溫度、老化和控制回路組件的容差不敏感。它允許系統(tǒng)實時監(jiān)控電源的性能，并根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)以調(diào)整性能。

此外，與模擬補償器相比，先進的離散時間控制技術(shù)使我們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能，在幾個開關(guān)周期內(nèi)從瞬態(tài)中恢復(fù)。這對負載點 (POL) 轉(zhuǎn)換器市場特別感興趣，該市場一直是數(shù)字電源的主要采用者。一個高性能微控制器可用于穩(wěn)定和調(diào)節(jié)多個功率級——無需為每個功率級配備單獨的模擬控制 IC。

對高效轉(zhuǎn)換器不斷增長的需求是數(shù)字電源的靈活性提供超出典型模擬控制方案能力的解決方案的領(lǐng)域。這可能涉及調(diào)整 PSU 的操作以實現(xiàn)最佳的零電壓或零電流開關(guān)，降低開關(guān)損耗并提高整體效率。

或者，我們還可以考慮提高使用多個電源的整個數(shù)據(jù)中心或系統(tǒng)的效率的影響。這可以通過根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)主控制器的信息響應(yīng)關(guān)閉或進入低功耗模式的請求來實現(xiàn)。

用于數(shù)字電源應(yīng)用的最新微控制器包含 DSP 功能，允許數(shù)字控制環(huán)路在每個開關(guān)周期的單個 PWM 開關(guān)周期的一小部分內(nèi)執(zhí)行。圖 4 顯示了典型數(shù)字電源的 PWM 開關(guān)周期。在這個簡單的示例中，每個開關(guān)周期對輸出電壓進行一次采樣。對于為數(shù)字電源應(yīng)用設(shè)計的微控制器，典型的 ADC 轉(zhuǎn)換時間為幾百納秒。

在 ADC 轉(zhuǎn)換之后，調(diào)用中斷服務(wù)程序來執(zhí)行離散時間控制器。這是一個時間緊迫的例程，因此，控制器可以用匯編代碼編寫，以利用 MAC 指令并優(yōu)化每個指令周期的使用。

對于這個例子，MCU不執(zhí)行控制器的時間是我們的備用帶寬。此備用帶寬可用于執(zhí)行特定于客戶應(yīng)用程序的其他任務(wù)或功能。任何低優(yōu)先級任務(wù)都在慢速循環(huán)中運行，并且只要發(fā)生高優(yōu)先級任務(wù)（例如 ADC 中斷以運行控制循環(huán)代碼）就會被中斷。

根據(jù)設(shè)計的復(fù)雜性，為電源開發(fā)強大而高效的固件可能需要大量時間。除此之外，還有驗證和測試過程以及各種安全批準所需的文件。因此，需要投入大量資源來開發(fā)數(shù)字電源。但是，一旦進行了初始投資，固件就可以在許多不同的產(chǎn)品中重復(fù)使用。例如，一個系列中具有不同輸出電壓的產(chǎn)品的固件更改可能是更改控制器系數(shù)的簡單情況。

鑒于微控制器增加了設(shè)計的靈活性，數(shù)字電源非常適合定制電源應(yīng)用，其中標(biāo)準產(chǎn)品可能無法滿足客戶的所有要求?？赡艽嬖谔囟ǖ?a target="_blank">通信要求，例如通過 USB、I 2 C 或 EtherCAT控制電源，以及在以后使用實時固件更新更新通信協(xié)議的可能性?？蛻艨赡苄枰磿r調(diào)整輸出電壓或電流限制，或者需要實時監(jiān)控、電源軌排序或輸出模塊之間的精確電流共享。

當(dāng)然，用于數(shù)字電源的高性能微控制器將比它所取代的模擬 IC 更昂貴。然而，數(shù)字控制器提供了在 MCU 內(nèi)實現(xiàn)其他功能而不是使用分立元件的機會。這可以減少組件數(shù)量和更緊湊的解決方案，特別是對于具有復(fù)雜信號要求或多個電源軌的設(shè)計，可以使用一個微控制器進行控制。結(jié)果可能是使用微控制器而不是模擬解決方案實現(xiàn)時更具成本效益的整體解決方案。當(dāng)然，對于一些復(fù)雜的需求，數(shù)字化可能是唯一的解決方案。

XP Power 能夠利用我們標(biāo)準產(chǎn)品系列的多樣性來實施復(fù)雜的定制電源解決方案。MCU 作為電源的核心，定制電源應(yīng)用的可能性是深遠的。鑒于數(shù)字電源提供的諸多好處，我們很可能會看到未來幾年數(shù)字電源的存在會不斷增加。

審核編輯：郭婷