中心議題：

• 數字控製在電源應用中的特性和優勢

解決方案：

• 采用數字技術、實現數字電源
• 以多種方式實現時序控製

傳統開關電源（Switch Mode Power Supply,SMPS）控製通常使用純模擬技術。低成本和高性能數字信號控製器（Digital Signal Controller, DSC）的出現開啟了開關電源控製的全新境界，並且標誌著電源產業正朝著數字革命的方向發展。

本文強調當前是電源應用采用數字技術、實現數字電源的最佳時機。Microchip 提供的AC-DC 參考設計就是展示數字控製技術優點的極佳實例。

本問通過在以下幾個方麵將數字電源與模擬電源進行定量比較以指出數字電源的優勢所在：

比較模擬電源與數字電源的物料成本

控製先進拓撲結構的能力和數字控製的靈活性

在同樣成本條件下，數字電源實現的附加價值數字電源節省成本。

圖1 為兩級模擬AC-DC 電源的高階原理框圖。

 
圖 1: 兩級模擬AC-DC 電源

圖2 顯示了數字AC-DC 電源的高階框圖。

 
圖 2: 數字AC-DC 電源

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模擬電源的主要組成包括：

功率鏈：半導體開關
、電感
、電容和功率變壓器

驅動電路：柵極驅動以及支持電路

反饋電路：傳感器、放大器和電阻網絡

控製器：每個功率級專用控製器

後台管理電路：用於順序控製、監控和通信的專用單片機以及支持電路

為便於比較

，考慮選擇一個兩級式電源。前端轉換器采用升壓功率因數校正（Power Factor Correction,PFC）電路
，而第二級是DC-DC 相移式全橋轉換器。

模擬電源與數字電源的功率鏈部分、驅動電路和反饋電路保持一致。圖2 分別展示了上述例子中所描述的數字電源。對於數字控製電源
，專用模擬控製器和後台管理電路可合並采用一片dsPIC??DSC 來實現。

圖1和圖2僅從較高層次展示了兩者的主要差別
；然而，在進行對比時所有支持電路也需包括在內。圖3 所示為每個模擬級中的支持電路，而圖4 則為數字係統中的支持電路。注意模擬控製器所需要的額外連接（在圖3 和圖4 中用箭頭標出）。

圖 3: 模擬級電路

圖 4: 數字級電路

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除了主要的組件，還需將支持電路成本、布線複雜程度、以及模擬數字電源PCB 板尺寸這些因素考慮在內。

表1 將300W 模擬電源與數字電源的物料清單進行了比較
，著重說明了前麵所述的差別。比較中所用到的價位是直接從廠家的網站上獲得的。

表 1： 300W 模擬與數字電源物料價格比較

表1 中所列出的物料清單比較清楚地說明了數字電源與模擬電源方案相比所節約的成本。

有些人可能會認為數字電源需要使用專用的MOSFET柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)，而(er)模(mo)擬(ni)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)則(ze)可(ke)提(ti)供(gong)片(pian)上(shang)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)。不(bu)過(guo)

，這(zhe)一(yi)點(dian)僅(jin)適(shi)用(yong)於(yu)低(di)功(gong)率(lv)模(mo)擬(ni)設(she)計(ji)
，對(dui)於(yu)大(da)多(duo)數(shu)高(gao)功(gong)率(lv)模(mo)擬(ni)設(she)計(ji)來(lai)說(shuo)，仍(reng)然(ran)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)外(wai)部(bu)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)。

無論在PFC 級中使用或者未使用外部MOSFET 柵極驅動器，表1 中列出了不同模擬電源的所有BOM 成本。

顯而易見

，數字電源在總BOM成本方麵具有顯著優勢。

數字電源還有許多其他潛在的低成本優勢。例如，采用數字化控製方案的另一個優點就是減少元件數量。這可以使布線更簡單，PCB 板的尺寸更小


，進而減少了PCB板的加工和組裝成本
，同時提高了產品質量和可靠性。

這些額外的成本節省更強調了選擇電源數字化控製方案的好處。

高級特性

效率優化

duiyurenhedianyuanshejirenyuan，lianggezuizhongyaodekaoliangfangmianjiushizongchengbenhexitongxingneng。yumonidianyuanxiangbi，shuzidianyuandechengbenyoushizaizhiqiandezhangjiezhongyijingjinxinglefenxi，womenxianzaijiangzhenduishuzidianyuanjuyougenggaoxiaolvzheyiyoudianjinxingtantao。

renhedianyuanshejidoushianzhaoqikenengdezuidaxiaolvlaishixiande。jinnianlai，suizhebandaotijishudefazhanjixintuopujiegoudechuxian
，dianyuanxiaolvdadaolegenggaodeshuiping。zhiqianyijingtidao，zaimouxieyunxingtiaojianxia（半載或者較高的線電壓情況時），效率的確或多或少實現了最大化。

數字電源增強了係統的通用性，可對多個運行點的效率進行優化。

對於PFC升(sheng)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，輕(qing)載(zai)時(shi)可(ke)通(tong)過(guo)降(jiang)低(di)轉(zhuan)換(huan)器(qi)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)來(lai)減(jian)小(xiao)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。由(you)於(yu)是(shi)輕(qing)載(zai)
，磁(ci)場(chang)仍(reng)可(ke)以(yi)應(ying)對(dui)較(jiao)低(di)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)。如(ru)果(guo)實(shi)現(xian)的(de)是(shi)一(yi)個(ge)交(jiao)錯(cuo)式(shi)PFC 轉換器
，輕載時可以通過關斷其中一相來進一步減小功耗。

類似地，對於一個相移式全橋變換器
，可以在輕載時關斷同步MOSFET,而使用內部集成續流二極管，這樣可消除額外的開關損耗。

另一個實例是降壓轉換器應用。對於高電流輸出的場合
，同步降壓轉換器通常是首選。但是，使用同步MOSFET會在輕載時引起環流，這反過來會引起更高的損耗。因此，當轉換器運行在不連續電流模式時，降壓轉換器的同步/ 續流MOSFET 就會被禁止。

上述介紹的技術可通過選擇先進的拓撲結構（如諧振和準諧振轉換器）來提高效率。數字控製完全支持這些先進的拓撲結構

，包括相移全橋和LLC 諧振轉換器，從而獲得高效率和高功率密度。總之，數字控製提供很多選擇
，可在整個運行範圍內對電源效率進行優化。
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電源管理

在電源管理領域中

，與模擬電源相比，數字電源提供了前所未有的優勢。在一個典型模擬電源中
，通常使用圖5 中所述的後台單片機來完成其電源管理。

圖 5: 不同電源類型在電源管理方麵的差異

這(zhe)個(ge)後(hou)台(tai)單(dan)片(pian)機(ji)將(jiang)本(ben)地(di)係(xi)統(tong)參(can)數(shu)發(fa)送(song)到(dao)主(zhu)控(kong)製(zhi)器(qi)或(huo)者(zhe)數(shu)據(ju)記(ji)錄(lu)器(qi)中(zhong)。但(dan)這(zhe)個(ge)單(dan)片(pian)機(ji)如(ru)何(he)獲(huo)取(qu)數(shu)據(ju)呢(ne)？必(bi)須(xu)用(yong)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)收(shou)集(ji)所(suo)需(xu)數(shu)據(ju)，並(bing)將(jiang)其(qi)進(jin)行(xing)發(fa)送(song)。在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)，遠(yuan)程(cheng)係(xi)統(tong)也(ye)可(ke)能(neng)對(dui)本(ben)地(di)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)發(fa)出(chu)指(zhi)令(ling)。這(zhe)個(ge)配(pei)置(zhi)要(yao)求(qiu)增(zeng)加(jia)後(hou)台(tai)單(dan)片(pian)機(ji)和(he)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)之(zhi)間(jian)的(de)硬(ying)件(jian)接(jie)口(kou)，從(cong)而(er)增(zeng)加(jia)了(le)係(xi)統(tong)的(de)成(cheng)本(ben)。

相反地，數字電源不需要額外電路，因為所有係統參數已經由DSC 測量出來。這些參數存儲在DSC 的存儲器中，並且通過片上通信外設發送到遠程係統

，例如SPI、I2C?、UART或者CAN.任何對該係統操作的修改都無需額外的外部硬件而可由簡單的軟件來完成。

數字電源消除了冗餘電路從而減少了係統總成本。例如

，對於一個兩級AC-DC 電dian源yuan
，第di一yi級ji將jiang對dui其qi閉bi環huan控kong製zhi運yun行xing的de輸shu出chu電dian壓ya進jin行xing測ce量liang。由you於yu這zhe一yi輸shu出chu電dian壓ya也ye是shi第di二er級ji的de輸shu入ru，因yin此ci該gai數shu據ju也ye被bei第di二er級ji用yong作zuo前qian饋kui控kong製zhi或huo者zhe輸shu入ru過guo壓ya/ 欠壓保護。

單獨一個DSC消除了相同參數的重複測量，並可從內部提供不同控製或保護特性的所有選項。DSC也有助於係統對故障狀態作出比分立模擬控製器更快速
、更高效的反應。例如，在一個兩級AC-DC 模擬電源中

，如果故障出現在下級轉換器中，除非這個故障狀況已經被傳送給PFC 控製器

，否則前端PFC 升壓轉換器將無法識別這個故障。而數字控製器能檢測到整個係統的故障狀態
，無論故障發生在何處，幾乎都能在瞬間作出反應。

軟啟動以及模擬和數字電源的時序

dangdianyuangangqidongshi
，gezhongcunchuyuanjian
，rudianronghediangan，douchuyulingchunengzhuangtai。zaizheyangdezhuangkuangxia，dianyuanturanshengyahuiyinqixitonghendadelangyongdianyahelangyongdianliu。yinci，dianyuandesuoyoujieduandoubixushiyongruanqidonglaiquebaoxitongyuanjianbimianshoudaobubiyaodeyali。

許多（並非全部）模擬控製器都帶有內置軟啟動功能。

模擬控製器在選擇軟啟動持續時間時都隻提供有限的靈活性，且需額外電路來實現啟動延時。
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在zai多duo級ji電dian源yuan中zhong，由you於yu一yi些xie輸shu出chu取qu決jue於yu其qi他ta輸shu出chu
，因yin此ci有you必bi要yao通tong過guo預yu定ding義yi方fang式shi對dui輸shu出chu順shun序xu進jin行xing控kong製zhi。這zhe可ke由you單dan獨du的de時shi序xu芯xin片pian完wan成cheng，或huo者zhe使shi用yong後hou台tai單dan片pian機ji以yi及ji輔fu助zhu電dian路lu來lai實shi現xian
由you於yu所suo有you時shi序xu控kong製zhi和he軟ruan啟qi動dong子zi程cheng序xu都dou可ke作zuo為wei電dian源yuan控kong製zhi軟ruan件jian的de一yi部bu分fen來lai完wan成cheng，因yin此ci數shu字zi電dian源yuan不bu需xu要yao外wai加jia硬ying件jian。電dian源yuan的de每mei一yi級ji都dou可ke實shi現xian一yi個ge軟ruan啟qi動dong子zi程cheng序xu，每mei個ge都dou具ju有you不bu同tong的de持chi續xu時shi間jian和he延yan時shi。典dian型xing的de軟ruan啟qi動dong子zi程cheng序xu如ru例li1 中的C 代碼片段所示。

void PFCSoftStartRoutine（）

{

Delay_ms（STARTUP_DELAY）

pfcVoltagePID.controlReference = pfcInitialOutputVoltage;

while （pfcVoltagePID.controlReference <= PFCVOLTAGE_REFERENCE）

{

Delay_ms（SOFTSTART_INCREMENT_DELAY）；

pfcVoltagePID.controlReference += PFC_SOFTSTART_INCREMENT;

}

pfcVoltagePID.controlReference = PFCVOLTAGE_REFERENCE;

}

在例1 中，dsPIC DSC 初chu始shi化hua之zhi後hou就jiu立li刻ke調tiao用yong軟ruan啟qi動dong子zi程cheng序xu。首shou先xian調tiao用yong啟qi動dong延yan時shi，隨sui後hou輸shu出chu電dian壓ya參can考kao將jiang被bei設she定ding為wei實shi際ji測ce量liang的de輸shu出chu電dian壓ya。參can考kao值zhi一yi直zhi以yi固gu定ding速su率lv上shang升sheng，直zhi到dao其qi達da到dao期qi望wang值zhi為wei止zhi。此ci時shi
，軟ruan啟qi動dong結jie束shu
，係xi統tong正zheng常chang運yun行xing開kai始shi。數shu字zi控kong製zhi器qi可ke靈ling活huo使shi用yong軟ruan啟qi動dong子zi程cheng序xu。相xiang同tong的de子zi程cheng序xu在zai不bu同tong時shi間jian階jie段duan可ke通tong過guo不bu同tong參can數shu進jin行xing調tiao用yong。例li如ru，如ru果guo係xi統tong要yao在zai故gu障zhang發fa生sheng後hou重zhong啟qi，啟qi動dong延yan時shi和he軟ruan啟qi動dong持chi續xu時shi間jian可ke修xiu改gai為wei不bu同tong的de值zhi。

時序控製可在不外加任何電路的情況下，通過一些靈活的配置加以實現。圖6 中顯示了一些時序機製原理圖。

如果一個轉換器取決於另一級的輸出
，則軟件可設置標誌來指示轉換器何時完全啟動，電壓已經為下一級的上升作好準備。

如圖6 所suo示shi，數shu字zi電dian源yuan能neng根gen據ju實shi際ji應ying用yong需xu求qiu以yi多duo種zhong方fang式shi輕qing鬆song實shi現xian時shi序xu控kong製zhi。數shu字zi電dian源yuan在zai選xuan擇ze軟ruan啟qi動dong和he時shi序xu控kong製zhi方fang案an上shang具ju有you很hen大da的de靈ling活huo性xing，不bu需xu要yao增zeng加jia專zhuan用yong芯xin片pian或huo者zhe複fu雜za的de電dian路lu。

圖 6: 時序控製機製