關于數字電源的原理及特點簡析

數字電源的關鍵是電源管理、控制信號的數字化處理，其基本要求是：在保障穩定性的前提下，具有快速性、平穩性和準確性。下面以負載點變換器(POL)為例說明數字電源控制功能的實現原理和方法。

負載點變換器(POL)通常用于將直流輸入電壓(一般為5V~12V)調節成適用于負載要求的直流輸出電壓(0.7V~3.3V)。例如，在典型的基于降壓(Buck)開關變換器的電路中，Buck變換器包含一個脈沖寬度調制(PWM)主控制芯片，一對主功率開關和一個由儲能電感和電容構成的低通濾波器。在脈沖寬度調制控制芯片中，一個電阻分壓器對電源的輸出電壓進行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與直流參考電壓進行比較從而產生電壓誤差信號，誤差信號是一個強度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號。通過具有某種控制規律的誤差補償器(Compensator)進行放大后，其輸出進入脈寬調制器(PWM)，經過與載波(通常為鋸齒波或三角波)比較之后產生脈沖波，從而控制功率開關(通常為MOSFET)的導通與關斷。由于MOSFET具有較大的輸入門電容，因此驅動器電路有必要有效率地導通和關斷它們。另有固定電阻電容網絡一般會作為補償回路，以確保動態響應和穩定性之間的正常平衡。

電源的兩個其它主要部分是輸入和輸出濾波器網絡。這些部分由感應器、電容和電阻構成，可以提供數種功能。輸入濾波器有助于保護電源不受電源電壓瞬態的影響，在動態負載變化過程中提供一些能量存儲，并附帶濾波器網絡以使電源滿足其輸入引起的發射規范。輸出濾波器穩定輸出電壓以確保電源滿足其紋波和噪聲規范，此外還存儲能量以幫助維護負載電路的動態電流要求。重要的是，對于模擬或數字控制結構而言，輸入和輸出濾波器以及電源器件將基本上保持相同。

在典型的數字電源控制系統結構中，輸出電壓感應排列類似于模擬系統。但是，模數轉換器(ADC)代替了模擬系統的誤差放大器，從而將感應到的模擬電壓值轉換成二進制數。除了輸出電壓之外，了解電源的輸出電流和溫度等其它模擬參數也非常有用。雖然獨立的ADC可以感應每個參數，但是采用單個ADC并在它前面加設一個多路復用路往往是更加常用的方法。多路復用器(MUX)則將在要測量的模擬輸入之間切換，并依次將每個輸入發送至ADC.

由于MUX和ADC的采樣速率是固定的，因此ADC對每個參數都輸出一系列數字，每個數字由己知的時間段分隔。這些值供給為系統提供處理能力的微控制器。卡上程序內存存儲著微控制器的控制算法，這些算法負責執行一系列有關ADC的輸出值的計算。這些計算的結果包括誤差信號、想要的驅動器級脈寬、各種驅動器輸出的最佳延遲值以及回路補償等參數。有了這些參數，數字脈寬調制器(DPWM)就可以通過驅動后控制外接的功率MOSFET，而電源管理部分也可以通過一定的接口及協議與外界通信了。模擬系統的外部回路補償元件此時變得不再是必需的。輸出電壓、輸出電流和溫度限制等參數的參考值在生產期間被保存在非易失性內存中，或者可以通過PMBus輸入。在系統啟動時，數據會由EEPROM下載到數據內存中，主芯片據此控制模塊的工作狀態。同時，可以通過一定的外部操作來重新讀入EEPROM中的默認設置。

數字電源的特點

1.控制智能化

它是以數字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心，將數字電源驅動器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開關電源系統。傳統的由微控制器控制的開關電源，一般只是控制電源的啟動和關斷，并非真正意義的數字電源。

2.數模組件組合優化

采用“整合數字電源”(FusionDigitalPower)技術，實現了開關電源中模擬組件與數字組件的優化組合。例如，功率級所用的模擬組件MOSFET驅動器，可以很方便地與數字電源控制器相連并實現各種保護及偏置電源管理，而PWM控制器也屬于數控模擬芯片。

3.集成度高

實現了電源系統單片集成化(PowerSystemonChip)，將大量的分立式元器件整合到一個芯片或一組芯片中。

4.控制精度高

能充分發揮數字信號處理器及微控制器的優勢，使所設計的數字電源達到高技術指標。例如，其脈寬調制(PWM)分辨力可達150ps(10~12s)的水平，這是傳統開關電源所望塵莫及的。數字電源還能實現多相位控制、非線性控制、負載均流以及故障預測等功能，為研制綠色節能型開關電源提供了便利條件。

5.模塊化程度高

數字電源模塊化程度高，各模塊之間可以方便地實現有機融合，便于構成分布式數字電源系統，提高電源系統的可靠性。

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不難看出，在以往市場上常見的電源我們都可以稱之為模擬電源。但是現在數字電源成本基本較高，問題恰恰是中國市場上對成本概念非常看重，而這一點可以說是可以說讓數字電源還未普及的原因之一。

但不得不承認，這一點是未來電源發展的催勢。在這一點上面我們不難看到現在越來越多高端電源開始擁有一部份的數字電源功能，并且現在這類電源價格也不會非常夸張，猶如上述的影馳HOF1000。數字電源的多樣性功能還能彌補上傳統PC平臺上面的功能性缺陷，還能增加傳統PC平臺上面的可玩性。