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(diǎn)。

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(yùn)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。這些為電源提供了所需的瞬態(tài)負(fù)載性能和頻域（s 域）中的穩(wěn)定性。補(bǔ)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(shí)，我們的意思是一個(gè)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(bǔ)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(jìn)行采樣。這與需求參考值進(jìn)行比較，結(jié)果是一個(gè)誤差項(xiàng)。然后將誤差項(xiàng)用作離散時(shí)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(shí)間域中具有極點(diǎn)和零點(diǎn)，即z 域。離散時(shí)間控制器以精確和預(yù)定義的時(shí)間間隔執(zhí)行——每次都有一個(gè)新的 ADC 樣本可用。

圖 3：離散時(shí)間二極點(diǎn)二零控制器。

這種離散時(shí)間控制器的一個(gè)例子如圖 3 所示。該控制器由五個(gè)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(xiàng)）乘以控制器系數(shù) B0。z-1 項(xiàng)是一個(gè)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(gè)單位延遲，因此前兩個(gè)采樣周期的誤差項(xiàng) 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€(gè)輸出 y[n-1] 乘以 A1，前兩個(gè)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。控制器的輸出 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?fù)涞拈_關(guān)頻率的新值。

就像 s 域中的模擬補(bǔ)償器一樣，圖 3中所示的離散時(shí)間控制器 將在 z 域中具有頻率響應(yīng)?？刂破飨禂?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(jì)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(shí)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(shí)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(jì)。然而，復(fù)雜性仍然是一個(gè)問題。這種復(fù)雜性源于對設(shè)計(jì)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(jì)知識與編寫高效代碼和穩(wěn)定離散時(shí)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(shí)時(shí)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(bǔ)償器相比，先進(jìn)的離散時(shí)間控制技術(shù)使我們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能，在幾個(gè)開關(guān)周期內(nèi)從瞬態(tài)中恢復(fù)。這對負(fù)載點(diǎn) (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(gè)高性能微控制器可用于穩(wěn)定和調(diào)節(jié)多個(gè)功率級——無需為每個(gè)功率級配備單獨(dú)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(shí)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(gè)電源的整個(gè)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(jìn)入低功耗模式的請求來實(shí)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(gè)開關(guān)周期的單個(gè) 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(gè)簡單的示例中，每個(gè)開關(guān)周期對輸出電壓進(jìn)行一次采樣。對于為數(shù)字電源應(yīng)用設(shè)計(jì)的微控制器，典型的 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)間控制器。這是一個(gè)時(shí)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(gè)指令周期的使用。

對于這個(gè)例子，MCU不執(zhí)行控制器的時(shí)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(yùn)行，并且只要發(fā)生高優(yōu)先級任務(wù)（例如 ADC 中斷以運(yùn)行控制循環(huán)代碼）就會被中斷。

根據(jù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，為電源開發(fā)強(qiáng)大而高效的固件可能需要大量時(shí)間。除此之外，還有驗(yàn)證和測試過程以及各種安全批準(zhǔn)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(jìn)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(gè)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(jì)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(zhǔn)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(shí)時(shí)固件更新更新通信協(xié)議的可能性?？蛻艨赡苄枰磿r(shí)調(diào)整輸出電壓或電流限制，或者需要實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)其他功能而不是使用分立元件的機(jī)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(gè)電源軌的設(shè)計(jì)，可以使用一個(gè)微控制器進(jìn)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(shí)現(xiàn)時(shí)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(zhǔn)產(chǎn)品系列的多樣性來實(shí)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(yuǎn)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