大势所趋的数字电源设计方式

数字交换式电源的设计方式

一般实现交换式电源的数字控制主要有以下两种方法：

第一种：单芯片控制器通过外接A/D转换芯片进行取样，取样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果通过数字／模拟（D/A） 转换后传送到PWM芯片中，从而达到单芯片控制器对交换式电源的电源间接控制。这种方法的技术目前已经比较成熟，设计方法容易掌握，而且对单芯片控制器的要求不高，成本比较低。但是控制电路由于要用多个芯片，电路比较复杂；而经过A/D和D/A转换等步骤，会造成比较大的讯号延迟，这些延迟势必影响电源的动态性能和稳压精准度。有些单芯片控制器整合了 PWM输出，但交换式电源往高频化发展，一般单芯片控制器的频率频率有限，产生的PWM输出频率与精确度成反比，因此无法产生足够频率和精准度的PWM输出讯号。

图说：PWM的结构区块图。（资料来源：www.spaennare.se）

第二种：透过高性能数字芯片如DSP对电源实现直接控制，数字芯片完成讯号取样AD转换和PWM输出等工作，由于输出的数字PWM讯号功率不足以驱动开关管，需通过一个驱动芯片进行开关管的驱动。这样就可以简化控制电路的设计，由于而这些芯片有比较高的取样速度（TMS320LF2407内部的10位AD转换器完成 一次AD转换只需500ns的转换时间，相较之下，最快的8位单芯片控制器也要数微秒之久）和运算速度，可以快速有效的实现各种复杂的控制算法，实现对电源系统的有效控制，这样的设计具备较高的动态性能和稳压精度。不过DSP芯片结构复杂，成本比较高；而且DSP控制技术比较难以掌握，对设计者要求比较高，在主流交换式电源领域中难以广泛应用。虽然 DSP技术已经在交换式电源中开始应用，但目前主要仍局限在对电源性能要求较高的而且价格比较昂贵的应用领域上。

电源控制数字化之后所需面对的问题

数字控制的交换式电源不可避免地存在以下问题：A/D（模拟／数字）转换器的速度和精度成反比。为了保证交换式电源有较高的稳压精度，A/D转换器必需要有比较高精度的取样，但高精度的取样频率需要的更长的A/D转换时间。作为反馈回路的一部分，A/D转换时间过长必然造成额外的相位延迟时间。除了和模拟控制存在的相位延迟，转换过程的延迟时间必然也会造成额外的等待循环，造成回路的实时反应能力变差。

和模拟芯片用RC（电阻电容）补偿进行PI调节（PI regulator）的方法一样，在控制回路中用引入PI调节的方法以提高控制回路的实时反应能力，这种做法需要占用数字芯片较大的系统资源，因为数字控制和模拟控制不同，讯号取样不是连续不断的，而是规则离散的，两次取样之间会有一段间隔时间，这段时间的值是无法取得的。为了要达到精确的控制，每次取样之间的时间间隔不能太长，即取样频率不能太低。作为数字芯片，每次AD转换结束后，得到的结果都会被送到系统的中央处理器，然后由处理器对取样的值进行运算和PI调节。

在取样频率比较高的时候，这种做法相当耗费系统运算资源，因此对数字芯片的效能要求也比较高。专门用于电源控制的数字芯片并不算多，虽然在要求比较高的场合一般都会用DSP芯片，其运算和取样速度快，功能强大，但价格比较昂贵。而且通用DSP芯片不是专门的做为电源控制芯片使用，一般的电源应用对其芯片资源的利用率不高，在某些状况之下，采用DSP芯片做为电源数字控制的核心是一种浪费。

应用在电源设计的DSP与MCU架构之争

目前在数字电源领域占有龙头地位的非属德州仪器以及Microchip这两家半导体公司，然而单纯MCU或者是单纯的DSP架构，在应用上都有其缺憾之处，因此两家半导体业者都不约而同的朝向结合MCU与DSP的架构来进行数字电源设计，DSP拥有强大的数字计算处理能力，MCU则是对周边拥有强大的控制能力，对于设计可以面面俱到的数字控制电源而言，两者不可偏废。

图说：Microchip公司的DSC产品。（资料来源：Microchip）

虽然如此，两家业者还是认为各自专长领域中可占有较佳的优势，德州仪器自然是以DSP做为主角，极力强调强大计算能力所能带来的实时反应能力与控制精确度，而DSP的可程序化能力对系统的架构、可移植性以及可维护能力有着绝佳的表现；Microchip公司则是强调一般客户并不需要太过强大的DSP计算能力，复杂的可程序化设计只会拉长产品开发时程，该公司所提供的DSC（Digital Signal Controller）架构，将MCU与DSP成功整合，不仅在指令流成功单纯化，透过标准的C语言编译器，更能够有效缩短产品的设计时程。

电源供应器的模拟