2674
作為一名當代的電源設計工程師，如果正打算為終端系統(tǒng)選擇一款合適的電源解決方案，很可能會感到非常的糾結：
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，相關的產品種類豐富且久經市場考驗，非常值得信賴。不過，近幾年異軍突起的數字電源正在打破這種市場狀況。
所謂的數字電源實際上就是一種采用數字信號來控制開關電源的開關狀態(tài)和頻率，并通過數字信號處理器（DSP）、微處理器（MCU）等對電源輸出進行控制和監(jiān)測的功率轉換解決方案，它具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、高效率且能遠程控制并自動調節(jié)輸出電壓等特點。
在傳統(tǒng)的模擬電源中，變壓器電源由鐵芯和線圈組成。線圈的匝數決定了兩端的電壓比。主線圈產生頻率為50Hz的變化磁場，這種變化的磁場通過鐵芯傳輸到次級線圈，并在次級線圈中產生感應電壓，依靠變壓器來實現電壓的轉換。這種模擬電源的缺點是，由于線圈和鐵芯是導體，因此在電壓轉換過程中會因自感電流而產生能量損耗，變壓器的效率很低，一般不超過35%。另外，這種產品的體積也比較大，會占用較多的PCB面積。
開關電源解決了傳統(tǒng)模擬電源變壓器效率低下的問題，其工作原理是，在電流進入變壓器之前，通過晶體管的開關功能提高線圈的頻率，通常會將50HZ的電流頻率提高到數萬HZ。在如此高的頻率下，磁場變化的頻率也達到數萬HZ，因此線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，開關電源的效率能達到90%以上，并且體積非常小，輸出穩(wěn)定，具有傳統(tǒng)模擬電源難以實現的優(yōu)點。
數字電源是現代電子系統(tǒng)中降低功耗和管理日益增長的電源復雜性的重要技術之一。從智能手持設備到數據服務器和無線基站，數字電源的管理和控制提供了實時智能，使開發(fā)人員能夠構建自動適應環(huán)境并優(yōu)化效率的電力系統(tǒng)。數字電源的使用意味著對負載和系統(tǒng)溫度的變化可進行自動補償，通過自適應死區(qū)控制實現節(jié)能，動態(tài)電壓縮放實現優(yōu)秀的系統(tǒng)性能，并在各種故障條件下通過強大的保護實現安全運行。
從技術角度看，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，可以滿足復雜的電源要求，實時響應速度更快，電源電壓調節(jié)性能更好?，F在的功率模塊IC將脈寬調制器（PWM）、電感、功率MOSFET和無源元件均集成到一個小封裝中用于高效功率轉換，因此，構建一個完整的數字電源系統(tǒng)只需幾個輸入和輸出端，電源的設計變得越來越簡單易行。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(tǒng)設計者可以開發(fā)出更緊湊、外形更小的電子產品。
綜合來看，在易于使用且?guī)缀醪恍枰墓ぷ鲄档膽弥校覀兛梢酝ㄟ^硬件固化來實現有針對性的應用，這種情形模擬電源產品更有優(yōu)勢。然而，在復雜的多系統(tǒng)業(yè)務中，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軟件編程實現的，其可擴展性和可重用性允許用戶輕松更改工作參數并優(yōu)化電力系統(tǒng)。另外，通過實時過電流保護和管理，還能有效減少外圍設備的數量。
數字電源的優(yōu)勢
有關數字電源的優(yōu)勢，我們可以歸納為以下幾點：
實現了電源的智能管理，很大限度地提高了系統(tǒng)性能和效率。數字功率IC通過使用功率管理總線（PMBus）協議的系統(tǒng)管理總線（SMBus）彼此通信，使用支持SMBus和PMBus的設備進行功率轉換提供了傳統(tǒng)模擬電源系統(tǒng)無法實現的靈活性和控制。通過基于PMBus協議的I2C通信總線，主機控制器能輕松管理輸出電壓的調整、功率排序和多個電壓軌的同步。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單。
有效縮短了產品的開發(fā)時間。新產品的設計可能隨時都會發(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(tǒng)中。
較低的運營成本，包括降低系統(tǒng)BOM成本，同時提高可靠性和產品壽命。有了數字電源，許多系統(tǒng)管理和電源控制功能可以用固件實現，節(jié)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(tǒng)產品可以享有更高的可靠性和更長的使用壽命。
當今許多電子系統(tǒng)的電源需求即使是領先的模擬電源也無法滿足。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，始終處于技術的快速演變中。數字電源的定義也會因電源轉換供應商的不同而略有差異。有人說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，常常被稱為數字封裝解決方案。后者則被稱為全數字解決方案，用戶可能需要進行大量的軟件編碼。
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控制功率轉換，但無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家的系統(tǒng)設計人員來說可能是一個挑戰(zhàn)。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，為了實現高系統(tǒng)精度，需要高分辨率的A/D電路和更快的時鐘，一定程度上會增加電源部分的成本。
其實，設計電源或功率轉換器的目標很簡單，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(wěn)定、可調節(jié)的直流輸出。一個全數字電源方案通常都會具備下面四個功能：
能發(fā)PWM波，并且具備保護關斷功能；
能進行環(huán)路運算；
可實現快速ADC采樣；
擁有常規(guī)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，這個又該如何選擇呢？
開關電源的數字控制在當今工業(yè)中變得越來越普遍，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，就是這個外設，它的作用卻非比尋常。HRPWM 外設是獨立于常規(guī)PWM模塊之外的一個外設，也是對全數字電源精度影響極大的一個外設。
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足特定客戶需求的靈活性。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位定時器和實時代碼調試能力等，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現復雜的非線性控制算法，將多個轉換器控制集成到同一處理器中，優(yōu)化總系統(tǒng)成本。在基于TMS320F280x的數字控制DC-DC開關電源的設計中，圖1顯示了需要單信號測量來實現DC-DC轉換器的電壓模式控制。
其瞬時輸出電壓Vout由電壓感測電路感測和調節(jié)，然后經由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，同時實現期望的動態(tài)性能。
該控制器的數字化輸出U為降壓調節(jié)器開關Q1提供占空比命令。該命令輸出用于計算片上PWM模塊中定時器比較寄存器的適當值。PWM模塊使用該值來生成PWM輸出（當前情況為PWM1），PWM1輸出最終驅動降壓轉換器開關Q1。
圖1：基于TMS320F280x 的數字控制DC-DC轉換器解決方案簡化框圖（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）產品組合包括STM32產品系列的多個產品線，涵蓋了從入門級到高性能，包括帶有嵌入式高分辨率定時器（HRTimer）的STM32F3、STM32G4 和 STM32H7 MCU。
該計時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，其產品編號變成STM32F334、STM32G474和STM32H743。
STM32 D-Power 生態(tài)系統(tǒng)還為數字電源領域從初學者到專家級開發(fā)人員提供了開發(fā)上的便利，比如B-G474E-DPOW1 探索套件就是一個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，快速實現降壓-升壓轉換。
圖2：B-G474E-DPOW1 探索套件（圖源：STMicroelectronics）
隨著MCU技術的進步，HRPWM外設并非DSP獨有。NXP的數字信號控制器（DSC）在一個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到電機控制和功率變換等各種應用。
在數字電源領域，NXP近年來推出的全新DSC產品，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能夠針對不同的開關模式電源（SMPS）拓撲結構，實現不同的控制功能和高效率的設計。
MC56F8xx 32位DSP是NXP新一代入門級DSC產品，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(tǒng)（DSASS）和高速低功耗運算放大器的DSC產品。
此外，MC56F81xxx系列對MC56F82xxx系列進行了許多功能增強，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(tǒng)框圖（圖源：NXP）
結語
數字電源轉換市場約占電源轉換市場的50%。這一市場的增長主要歸因于工業(yè)、通信、計算和汽車電子產品的各種數字電源系統(tǒng)中越來越多地采用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(jié)、有源功率濾波等。
176.06億美元? 2022年
383.40億美元? 2029年
未來幾年，數字電源轉換市場的需求預計將大幅增長，Future Market Insights（FMI）的分析認為，數字電源轉換市場將從2022年的176.06億美元增長到2029年的383.40億美元，2022-2029年期間的復合年增長率達到11.8%。而中國將成為數字電源轉換市場中表現非常突出的市場，預計中國將在2022-2029年間在數字電源轉換市場的復合年增長率將高達14.1%。
如果說幾年前數字電源還是一個概念，那么，如今的數字電源技術在數據中心等電力密集型應用中已獲廣泛應用。通過使用數字電源模塊，系統(tǒng)設計者可以為更多系統(tǒng)功能節(jié)省PCB空間，減少產品開發(fā)時間，降低研發(fā)成本，并快速將新產品推向市場。通過數字控制和高可靠性，可以優(yōu)化系統(tǒng)運行，以實現低功耗和更長的使用壽命。
全數字電源解決方案主要借助通用MCU或DSP實現，然而，MCU和DSP并不是專門為電源設計的產品，通常需要過多的編碼和固件設計時間，這使得全數字電源解決方案的設計變得困難。這一過程對有著數年設計經驗的模擬電源工程師而言存在著非常大的挑戰(zhàn)。為此，各數字電源方案的供應商在提供產品的同時，基本都會同步提供配套的開發(fā)工具或開發(fā)板，使得這一困境得到了極大的緩解，進一步推動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事實，那就是模擬電源仍將存在一段時間并占據較大的市場份額，與當今市場上的數字電源和諧共處。
該發(fā)布文章為獨家原創(chuàng)文章，轉載請注明來源。對于未經許可的復制和不符合要求的轉載我們將保留依法追究法律責任的權利。
下載ECAD模型
