不再夸张的数字电源

要点

•数字电源可以降低成本，简化你的设计，并提高精度。

•数字电源非常适用于输出余量设定及逐周期回路补偿。

•很多系统工程师并不想要或需要非线性控制或自适应补偿。

•数字电源能提高效率的声称通常无法证实。

•数字电源确有独特的性能，但也存在折衷。

最近，营销部门一直在大肆吹嘘已在学术界徘徊了几十年的数字电源，他们没有恶意，只是热情过度(图1)。现在，其中的一些夸张之词已经消逝，是时候讨论一下数字电源适合什么，其工作原理，缺点，以及它的折衷(参考文献1)。不过，尽管它有缺点，各家公司仍然开发和部署了一些器件，它们在不涉及折衷的情况下，充分利用了数字控制回路的好处。

图1，数字电源最终达到了平稳量产的阶段(Gartner集团提供)。

芯片公司对数字电源的定义是五花八门。有些公司认为，数字电源包含了围绕一个模拟PWM(脉冲宽度调制)回路的数字功能与通信链接。其它公司称，数字电源是一种内置数字PWM芯片的状态机。还有一些公司表示，数字电源包括了一个通用DSP，DSP运行着一个闭合控制回路的算法。而过去

十年来学术意义上的真正数字电源，则拥有一个数字PWM回路，并带有一个状态机或一只DSP。一只模拟PWM器件上加上一个串行总线并不能成为数字电源。不过，数字电源可以免除或消除对某些元件的要求，从而可以降低成本。

你可以为一只DSP加一个FET驱动芯片和一些代码，以控制涡轮风机的扇叶角度和变频器，基本上这就是简单的数字电源了。例如，德州仪器公司十多年前就开始为其DSP提供电源库。该公司现在生产多个系列基于DSP的电源芯片(图2)。CamSemi公司尝试减少器件数，提供5W C2161PX2 ac/dc控制器，它采用反馈变压器上的一个检测绕组，而不是昂贵的光耦(参考文献2与图3)。数字电源不用二极管来检测反馈波形，当检测绕组的反馈信号为负值，以及不表示次级的输出电压时，就消除这个信号。至于降低成本，Exar公司制造了16A的XRP7740数字电源芯片，可为机顶盒或数据服务器提供多个电源轨(图4)。Exar公司拥有芯片方面的很多专利，包括将一小块片芯区域用于一个实用的控制回路(参考文献3)。这样，Exar公司的芯片定价就能与模拟芯片竞争。

图2，你可以编译德州仪器公司任何DSP的数字电源库，或用一只该公司专用芯片，做出数字电源系统。TI还制造采用状态机的数字电源芯片。

图3，CamSemi公司提供5W的开关电源控制芯片，它有一个替代线性电源的双极晶体管。开关设计有更高的效率，使用铜线也较少，因此降低了成本。

图4，Exar公司的XRP7740可在四个通道上提供16A输出电流。聪明的IC设计使得芯片很小，因此该公司提供的芯片价格能与模拟方案相竞争。

数字电源还可以完成逐周期的回路补偿。例如，Intersil公司的数字电源管理集团Zilker Labs最近就推出了ZL6105，它采用了一个状态机来完成逐周期的自动补偿工作(图5)。另一个例子是，新兴的Powervation公司用一个数字电源ASIC，完成电源的逐周期补偿(图6)。这种实时的回路补偿是数字芯片较其模拟对手的主要优势。这些数字电源控制器可以跟踪由于老化和干涸所造成的电解电容降级问题。如果你将部件设计成一块电源砖，则数字控制器可以检测砖的输入输出电容，并在每个周期作补偿。其它数字电源芯片可以做一次性的自补偿周期，帮助创建数字补偿滤波器的因数。

图5，可以手动设定Zilker Labs公司ZL6105演示板的补偿，但这样做并非理想的方案 (a)。当你打开自动补偿时，可改进设计的瞬态响应稳定性 (b)。

图6，为提高轻载时的效率，Powervation公司的数字电源芯片可以去掉一个相。然后，即使在单一相位时，自动补偿功能也能维持满回路带宽。

当对一个系统作测试和验证(以确定能在生命周期内正常工作)期间，数字电源还提供了在一个区间上余量可变的电源输出电压。例如，英飞凌公司旗下Primarion集团提供的PX7510就可通过PMBus(电源管理总线)完成余量设定和其它操作。思科系统公司DSSG(数据中心、交换以及服务集团)的技术领导Bob Thomas称：“余量可以让我们验证当输出电压超出设定的极限时，系统的电气性能与热性能情况。”

数字电源的大话

有关数字电源的夸大言论可追溯到十年前有关模糊逻辑的争论。有些人认为，模糊逻辑将取代对模拟控制的需求。不过，看似模糊逻辑只在某些应用中优于模拟方案，并且，即使在这些应用中，也可以用一个PID(比例/积分/微分)控制器完成几乎所有功能(参考文献4)。有些推销者还声称，数

字回路的电源可以做自适应补偿，即具有在快速瞬态响应和低噪声之间切