【導讀】作為一名當代的電源設計工程師，如果正打算為終端係統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，是選擇基於DSP的控製方案還是基於MCU的控製方案
？

我們非常理解電源工程師的難處，希望下麵的文字能夠化解這一難題。

模擬電源vs數字電源

zhongsuozhouzhi
，zaihexingonglvzhuanhuanfangmian，monidianyuanfanganyizhishixingyedezhujiao
，xiangguandechanpinzhongleifengfuqiejiujingshichangkaoyan
，feichangzhidexinlai。buguo，jinjinianyijuntuqideshuzidianyuanzhengzaidapozhezhongshichangzhuangkuang。

所謂的數字電源實際上就是一種采用數字信號來控製開關電源的開關狀態和頻率，並通過數字信號處理器（DSP）
、微處理器（MCU）等對電源輸出進行控製和監測的功率轉換解決方案
，它具有高精度、高穩定性、高可靠性
、高效率且能遠程控製並自動調節輸出電壓等特點。

在傳統的模擬電源中，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50Hzdebianhuacichang，zhezhongbianhuadecichangtongguotiexinchuanshudaocijixianquan，bingzaicijixianquanzhongchanshengganyingdianya，yikaobianyaqilaishixiandianyadezhuanhuan。zhezhongmonidianyuandequedianshi，youyuxianquanhetiexinshidaoti，yincizaidianyazhuanhuanguochengzhonghuiyinzigandianliuerchanshengnengliangsunhao，bianyaqidexiaolvhendi
，yibanbuchaoguo35%。另外

，這種產品的體積也比較大

，會占用較多的PCB麵積。

kaiguandianyuanjiejuelechuantongmonidianyuanbianyaqixiaolvdixiadewenti，qigongzuoyuanlishi
，zaidianliujinrubianyaqizhiqian，tongguojingtiguandekaiguangongnengtigaoxianquandepinlv，tongchanghuijiang50HZ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。由於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
，並且體積非常小，輸出穩定，具有傳統模擬電源難以實現的優點。

數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)是(shi)現(xian)代(dai)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)中(zhong)降(jiang)低(di)功(gong)耗(hao)和(he)管(guan)理(li)日(ri)益(yi)增(zeng)長(chang)的(de)電(dian)源(yuan)複(fu)雜(za)性(xing)的(de)重(zhong)要(yao)技(ji)術(shu)之(zhi)一(yi)。從(cong)智(zhi)能(neng)手(shou)持(chi)設(she)備(bei)到(dao)數(shu)據(ju)服(fu)務(wu)器(qi)和(he)無(wu)線(xian)基(ji)站(zhan)，數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)的(de)管(guan)理(li)和(he)控(kong)製(zhi)提(ti)供(gong)了(le)實(shi)時(shi)智(zhi)能(neng)
，使(shi)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)構(gou)建(jian)自(zi)動(dong)適(shi)應(ying)環(huan)境(jing)並(bing)優(you)化(hua)效(xiao)率(lv)的(de)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)。數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)的(de)使(shi)用(yong)意(yi)味(wei)著(zhe)對(dui)負(fu)載(zai)和(he)係(xi)統(tong)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)可(ke)進(jin)行(xing)自(zi)動(dong)補(bu)償(chang)
，通(tong)過(guo)自(zi)適(shi)應(ying)死(si)區(qu)控(kong)製(zhi)實(shi)現(xian)節(jie)能(neng)
，動(dong)態(tai)電(dian)壓(ya)縮(suo)放(fang)實(shi)現(xian)優(you)秀(xiu)的(de)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)
，並(bing)在(zai)各(ge)種(zhong)故(gu)障(zhang)條(tiao)件(jian)下(xia)通(tong)過(guo)強(qiang)大(da)的(de)保(bao)護(hu)實(shi)現(xian)安(an)全(quan)運(yun)行(xing)。

從技術角度看，數字電源由DSP或MCU控製，相對而言，DSP控製的電源采用數字濾波
，可以滿足複雜的電源要求，實時響應速度更快，電源電壓調節性能更好。現在的功率模塊IC將脈寬調製器（PWM）
、電感
、功率MOSFET和(he)無(wu)源(yuan)元(yuan)件(jian)均(jun)集(ji)成(cheng)到(dao)一(yi)個(ge)小(xiao)封(feng)裝(zhuang)中(zhong)用(yong)於(yu)高(gao)效(xiao)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)，因(yin)此(ci)，構(gou)建(jian)一(yi)個(ge)完(wan)整(zheng)的(de)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)隻(zhi)需(xu)幾(ji)個(ge)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)端(duan)，電(dian)源(yuan)的(de)設(she)計(ji)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)簡(jian)單(dan)易(yi)行(xing)。由(you)於(yu)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)IC僅以較小的PCB麵積即可為各種導軌供電，因此
，係統設計者可以開發出更緊湊、外形更小的電子產品。

綜zong合he來lai看kan，在zai易yi於yu使shi用yong且qie幾ji乎hu不bu需xu要yao更geng改gai工gong作zuo參can數shu的de應ying用yong中zhong

，我wo們men可ke以yi通tong過guo硬ying件jian固gu化hua來lai實shi現xian有you針zhen對dui性xing的de應ying用yong
，這zhe種zhong情qing形xing模mo擬ni電dian源yuan產chan品pin更geng有you優you勢shi。然ran而er，在zai複fu雜za的de多duo係xi統tong業ye務wu中zhong，與yu模mo擬ni電dian源yuan相xiang比bi，數shu字zi電dian源yuan的de優you勢shi就jiu顯xian得de非fei常chang突tu出chu，比bi如ru數shu字zi電dian源yuan是shi通tong過guo軟ruan件jian編bian程cheng實shi現xian的de
，其qi可ke擴kuo展zhan性xing和he可ke重zhong用yong性xing允yun許xu用yong戶hu輕qing鬆song更geng改gai工gong作zuo參can數shu並bing優you化hua電dian力li係xi統tong。另ling外wai，通tong過guo實shi時shi過guo電dian流liu保bao護hu和he管guan理li，還hai能neng有you效xiao減jian少shao外wai圍wei設she備bei的de數shu量liang。

數字電源的優勢

有關數字電源的優勢，我們可以歸納為以下幾點：

實現了電源的智能管理，很大限度地提高了係統性能和效率。數字功率IC通過使用功率管理總線（PMBus）協議的係統管理總線（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模擬電源係統無法實現的靈活性和控製。通過基於PMBus協議的I2C通信總線，主機控製器能輕鬆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時間。新產品的設計可能隨時都會發生變化，比如增加電源軌
、電流或瞬態響應需要調整。對於數字電源而言
，借助SMBus可輕鬆地將新的電源軌添加到電源管理係統中。

較低的運營成本，包括降低係統BOM成(cheng)本(ben)
，同(tong)時(shi)提(ti)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)產(chan)品(pin)壽(shou)命(ming)。有(you)了(le)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)

，許(xu)多(duo)係(xi)統(tong)管(guan)理(li)和(he)電(dian)源(yuan)控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)可(ke)以(yi)用(yong)固(gu)件(jian)實(shi)現(xian)，節(jie)省(sheng)了(le)硬(ying)件(jian)成(cheng)本(ben)。憑(ping)借(jie)更(geng)少(shao)的(de)組(zu)件(jian)和(he)全(quan)麵(mian)的(de)數(shu)字(zi)管(guan)理(li)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)，係(xi)統(tong)產(chan)品(pin)可(ke)以(yi)享(xiang)有(you)更(geng)高(gao)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)更(geng)長(chang)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。

當dang今jin許xu多duo電dian子zi係xi統tong的de電dian源yuan需xu求qiu即ji使shi是shi領ling先xian的de模mo擬ni電dian源yuan也ye無wu法fa滿man足zu。數shu字zi電dian源yuan具ju有you很hen高gao的de靈ling活huo性xing和he適shi應ying性xing
，效xiao率lv高gao且qie成cheng本ben相xiang對dui較jiao低di，它ta解jie決jue了le各ge種zhong應ying用yong在zai電dian力li方fang麵mian的de設she計ji需xu求qiu。

兩種全數字電源設計方案

數shu字zi電dian源yuan的de發fa展zhan並bing不bu是shi一yi成cheng不bu變bian的de
，始shi終zhong處chu於yu技ji術shu的de快kuai速su演yan變bian中zhong。數shu字zi電dian源yuan的de定ding義yi也ye會hui因yin電dian源yuan轉zhuan換huan供gong應ying商shang的de不bu同tong而er略lve有you差cha異yi。有you人ren說shuo它ta僅jin是shi在zai模mo擬ni電dian源yuan基ji礎chu上shang增zeng加jia了le控kong製zhi回hui路lu
，具ju有you數shu字zi接jie口kou，通tong過guoPMBus添加了數字電源功能；有人堅持認為數字電源是基於MCU或DSP解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)全(quan)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu)。第(di)一(yi)種(zhong)情(qing)形(xing)因(yin)為(wei)模(mo)擬(ni)功(gong)率(lv)控(kong)製(zhi)核(he)心(xin)由(you)數(shu)字(zi)管(guan)理(li)電(dian)路(lu)封(feng)裝(zhuang)，常(chang)常(chang)被(bei)稱(cheng)為(wei)數(shu)字(zi)封(feng)裝(zhuang)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。後(hou)者(zhe)則(ze)被(bei)稱(cheng)為(wei)全(quan)數(shu)字(zi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，用(yong)戶(hu)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)大(da)量(liang)的(de)軟(ruan)件(jian)編(bian)碼(ma)。

這(zhe)兩(liang)種(zhong)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)各(ge)有(you)利(li)弊(bi)。數(shu)字(zi)封(feng)裝(zhuang)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)不(bu)需(xu)要(yao)編(bian)程(cheng)來(lai)控(kong)製(zhi)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)
，但(dan)無(wu)法(fa)提(ti)供(gong)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)的(de)全(quan)部(bu)好(hao)處(chu)
，另(ling)外(wai)還(hai)需(xu)要(yao)補(bu)償(chang)回(hui)路(lu)設(she)計(ji)
，這(zhe)對(dui)不(bu)是(shi)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)專(zhuan)家(jia)的(de)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)來(lai)說(shuo)可(ke)能(neng)是(shi)一(yi)個(ge)挑(tiao)戰(zhan)。全(quan)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)在(zai)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)中(zhong)具(ju)有(you)高(gao)靈(ling)活(huo)性(xing)，但(dan)需(xu)要(yao)良(liang)好(hao)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)和(he)固(gu)件(jian)設(she)計(ji)。此(ci)外(wai)

，為(wei)了(le)實(shi)現(xian)高(gao)係(xi)統(tong)精(jing)度(du)，需(xu)要(yao)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)A/D電路和更快的時鍾，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生變化的情況下，以所需的電壓值提供穩定、可調節的直流輸出。一個全數字電源方案通常都會具備下麵四個功能：

●   能發PWM波
，並且具備保護關斷功能

；

●   能進行環路運算；

●   可實現快速ADC采樣
；

●   擁有常規的通信接口，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控製之分，這個又該如何選擇呢？

開關電源的數字控製在當今工業中變得越來越普遍
，對於全數字電源設計，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 外設是獨立於常規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控製器具有增強和集成的電力電子外圍設備
，如ADC和HRPWM，基於DSP的數字控製允許實現更多功能的控製方案、多平台的標準控製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。由於DSP不太容易受到老化和環境變化的影響，並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製的所有好處，並允許實現高帶寬
，高頻電源而不犧牲性能。

DSP的額外計算能力還允許實現複雜的非線性控製算法
，將多個轉換器控製集成到同一處理器中
，優化總係統成本。在基於TMS320F280x的數字控製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製。

其瞬時輸出電壓Vout由電壓感測電路感測和調節
，然後經由ADC通道輸入到DSP。電壓環路控製器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性能。

該控製器的數字化輸出U為降壓調節器開關Q1提供占空比命令。該命令輸出用於計算片上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：基於TMS320F280x 的數字控製DC-DC轉換器解決方案簡化框圖（圖源：Texas Instruments）

在基於MCU控製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產品係列的多個產品線，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衝寬度調製（PWM）發生器，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 生態係統還為數字電源領域從初學者到專家級開發人員提供了開發上的便利，比如B-G474E-DPOW1 探索套件就是一個完整的數字電源解決方案
，並且是一種基於STM32G474RET6 MCU的完整演示與開發平台，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外設並非DSP獨有。NXP的數字信號控製器（DSC）在一個芯片中集成了微控製器（MCU）的功能和強大的數字信號處理（DSP）的功能
，適用於從通用嵌入式市場到電機控製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內核的智能控製外設

，如皮秒級精度的eFlexPWM、高速且觸發靈活的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和事件觸發發生器。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

，實現不同的控製功能和高效率的設計。

MC56F8xx 32位DSP是NXP新一代入門級DSC產品，基於高性能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係統（DSASS）和高速低功耗運算放大器的DSC產品。

此外
，MC56F81xxx係列對MC56F82xxx係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係列係統框圖

（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於工業、通信、計算和汽車電子產品的各種數字電源係統中越來越多地采用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、有源功率濾波等。

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年期間的複合年增長率達到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複合年增長率將高達14.1%。

如(ru)果(guo)說(shuo)幾(ji)年(nian)前(qian)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)還(hai)是(shi)一(yi)個(ge)概(gai)念(nian)
，那(na)麼(me)，如(ru)今(jin)的(de)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)技(ji)術(shu)在(zai)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)等(deng)電(dian)力(li)密(mi)集(ji)型(xing)應(ying)用(yong)中(zhong)已(yi)獲(huo)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)。通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)，係(xi)統(tong)設(she)計(ji)者(zhe)可(ke)以(yi)為(wei)更(geng)多(duo)係(xi)統(tong)功(gong)能(neng)節(jie)省(sheng)PCB空kong間jian
，減jian少shao產chan品pin開kai發fa時shi間jian
，降jiang低di研yan發fa成cheng本ben，並bing快kuai速su將jiang新xin產chan品pin推tui向xiang市shi場chang。通tong過guo數shu字zi控kong製zhi和he高gao可ke靠kao性xing，可ke以yi優you化hua係xi統tong運yun行xing，以yi實shi現xian低di功gong耗hao和he更geng長chang的de使shi用yong壽shou命ming。

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並(bing)不(bu)是(shi)專(zhuan)門(men)為(wei)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)的(de)產(chan)品(pin)，通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)過(guo)多(duo)的(de)編(bian)碼(ma)和(he)固(gu)件(jian)設(she)計(ji)時(shi)間(jian)
，這(zhe)使(shi)得(de)全(quan)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)設(she)計(ji)變(bian)得(de)困(kun)難(nan)。這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)對(dui)有(you)著(zhe)數(shu)年(nian)設(she)計(ji)經(jing)驗(yan)的(de)模(mo)擬(ni)電(dian)源(yuan)工(gong)程(cheng)師(shi)而(er)言(yan)存(cun)在(zai)著(zhe)非(fei)常(chang)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。為(wei)此(ci)，各(ge)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)方(fang)案(an)的(de)供(gong)應(ying)商(shang)在(zai)提(ti)供(gong)產(chan)品(pin)的(de)同(tong)時(shi)，基(ji)本(ben)都(dou)會(hui)同(tong)步(bu)提(ti)供(gong)配(pei)套(tao)的(de)開(kai)發(fa)工(gong)具(ju)或(huo)開(kai)發(fa)板(ban)，使(shi)得(de)這(zhe)一(yi)困(kun)境(jing)得(de)到(dao)了(le)極(ji)大(da)的(de)緩(huan)解(jie)，進(jin)一(yi)步(bu)推(tui)動(dong)了(le)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)方(fang)案(an)的(de)普(pu)及(ji)應(ying)用(yong)。

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並占據較大的市場份額，與當今市場上的數字電源和諧共處。

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