數(shù)字電源控制的優(yōu)勢及設(shè)計應(yīng)用

隨著元器件和軟件控制的成本越來越低，數(shù)字電源成為一種常用解決方案，用于在極為復(fù)雜的設(shè)計中解決控制多個電壓的難題。 但是，數(shù)字電源也面臨著自身的挑戰(zhàn)，特別是將其添加到現(xiàn)有設(shè)計中時。 此外，數(shù)字控制增加了對固件開發(fā)的需求，模擬電路設(shè)計人員過去通常不愿意進(jìn)行這種開發(fā)。

本文將簡要概述數(shù)字電源控制的優(yōu)勢，然后定義兩種數(shù)字控制方法。 第一種是“數(shù)字包封”方法，它仍然依賴于模擬穩(wěn)壓器。 第二種是全數(shù)字設(shè)計解決方案。 接下來，本文還將介紹如何充分利用最新數(shù)字電源 IC 功能來設(shè)計穩(wěn)定的電源，提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)時間、更大的帶寬和更出色的整體性能。

模擬技術(shù)的使用效果很好：為什么要采用數(shù)字技術(shù)？

模擬技術(shù)長期主宰著開關(guān)式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（穩(wěn)壓器）設(shè)計領(lǐng)域，因為它們相對簡單，而且實現(xiàn)成本很低。 但是，模擬設(shè)計也有其缺陷，其中一個明顯問題就是控制回路補(bǔ)償非常復(fù)雜。

數(shù)字設(shè)計提供了替代方法，特別是在支持?jǐn)?shù)字電源所需的元器件在價格、尺寸和功耗方面均有所降低的情況下。 數(shù)字元器件讓設(shè)計人員能夠?qū)﹄娐房刂七M(jìn)行微調(diào)，從而增強(qiáng)瞬態(tài)響應(yīng)，最大程度地提高能效。

實際上，問題可能更加復(fù)雜，特別是一家芯片供應(yīng)商對“數(shù)字電源”的定義可能與其他供應(yīng)商有所不同。 有些供應(yīng)商將該技術(shù)定義為帶有數(shù)字接口的電源解決方案，它可充分利用電源管理總線 (PMBus) 協(xié)議提供的功能，并配合使用“數(shù)字包封”解決方案中的模擬控制回路； 而有些公司則堅持認(rèn)為數(shù)字電源是采用微處理器或數(shù)字信號處理器 (DSP) 的全數(shù)字控制回路。

這兩種技術(shù)都有各自的缺陷：如果使用數(shù)字包封技術(shù)，您將仍然面臨控制回路補(bǔ)償?shù)碾y題，這一難題或許正是您一開始想要解決的；而如果使用全數(shù)字解決方案，設(shè)計人員可能需要進(jìn)行大量編碼工作，才能讓數(shù)字電源系統(tǒng)投入運(yùn)行。 不過，新一代數(shù)字電源控制器和模塊有望同時解決數(shù)字包封和全數(shù)字解決方案各自的難題。

添加數(shù)字包封

為現(xiàn)有模擬拓?fù)涮砑訑?shù)字電源可以帶來諸多優(yōu)勢。 其中一大優(yōu)勢就是可以通過系統(tǒng)管理總線 (SMBus) 使用 PMBus 協(xié)議簡化雙向通信。

PMBus 是使用數(shù)字通信總線與電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 PMBus 基于 SMBus 開發(fā)，SMBus 設(shè)計用于低帶寬設(shè)備通信，PMBus 則用于電源、元器件、電源相關(guān)芯片（例如可充電電池子系統(tǒng)）的數(shù)字化管理。

SMBus 本身也是基于內(nèi)部集成電路 (I2C)、串行、單端計算機(jī)總線的，最初由 Philips 設(shè)計，用于將低速外圍設(shè)備連接到主板或其它嵌入式系統(tǒng)。 由于這種基礎(chǔ)，PMBus 是一種相對低速的雙線通信協(xié)議。 但是，與 SMBus 和 I2C 不同，PMBus 定義了大量的域特定命令，而不僅是詳細(xì)規(guī)定如何使用由用戶定義的命令進(jìn)行通信。

2005 年 3 月，PMBus 規(guī)范 1.0 版發(fā)布。 隨后又發(fā)布了經(jīng)過修訂的 1.3 版。 該版本減少了使用高速通信的延遲，還添加了專用的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié) (AVS) 總線，用于對處理器電壓進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)控制。 該標(biāo)準(zhǔn)由系統(tǒng)管理接口論壇 (SM-IF) 所有，可以免費(fèi)使用。

使用支持 PMBus 的器件進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，可提供傳統(tǒng)模擬電源系統(tǒng)無法實現(xiàn)的靈活性和控制能力。 在設(shè)計中采用數(shù)字電源，我們可以通過使用 PMBus 協(xié)議的主控制器，輕松管理輸出電壓的調(diào)節(jié)、電源定序、多電壓軌的同步（圖 1）。

圖 1：通過使用 PMBus 協(xié)議的 SMBus 進(jìn)行雙向通信，可實現(xiàn)對多個電源器件的配置、控制和監(jiān)視。 （來源：Intersil）

此外，通過使用 SMBus 和 PMBus，我們可以輕松為電源管理系統(tǒng)添加新的電壓軌。 既無需重新編程，也不必添加更多獨(dú)立電源管理 IC，電壓軌的添加非常方便，而且可以輕松集成到監(jiān)控、定序、裕量和故障檢測方案中。

市面上有很多可通過數(shù)字方式配置和控制的開關(guān)穩(wěn)壓器。 例如，Microchip 的 MIC24045 就是一款可進(jìn)行數(shù)字編程的 5 A 同步降壓 (“buck”) 穩(wěn)壓器，輸入范圍為 4.5 V 至 19 V，適用于多電壓軌應(yīng)用。 各種參數(shù)可通過 I2C 進(jìn)行編程，例如輸出電壓、開關(guān)頻率、軟啟動斜率、裕量、限流值和啟動延遲。 此外，MIC24045 還可通過 I2C 接口提供診斷和狀態(tài)信息。

雖然 SMBus 和 PMBus 為適當(dāng)連接的模擬電源提供了數(shù)字配置、控制和監(jiān)控方面的便利性和靈活性，但這種數(shù)字包封解決方案缺少全數(shù)字控制，因而無法實現(xiàn)該方法的全部優(yōu)勢。 連接到總線的每個模擬器件根據(jù)其自身的控制回路工作，回路決定了器件的穩(wěn)定性和頻率響應(yīng)，進(jìn)而決定其他某些因素，例如電源能夠以多快速度對負(fù)載的快速變化做出響應(yīng)。 （請參閱資料庫文章《了解開關(guān)穩(wěn)壓器控制回路響應(yīng)》。）

設(shè)計人員經(jīng)常需要修改模擬電源的控制回路，通過添加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，改進(jìn)穩(wěn)定性和頻率響應(yīng)。 這項工作會讓很多缺乏經(jīng)驗的電源設(shè)計人員望而生畏。 但是，我們可以通過轉(zhuǎn)而使用全數(shù)字解決方案，來避免這項工作。

最大限度地發(fā)揮全數(shù)字電源的優(yōu)勢

全數(shù)字解決方案的實現(xiàn)不僅要使用由 SMBus 和 PMBus 協(xié)議實現(xiàn)的數(shù)字配置、控制和監(jiān)視功能，還要為連接到總線的各個穩(wěn)壓器實現(xiàn)數(shù)字控制回路。

數(shù)字控制的原理非常簡單。 在模擬穩(wěn)壓器中，控制回路的基本工作方式就是比較實際輸出電壓與所需輸出電壓之間的誤差。 而在數(shù)字穩(wěn)壓器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可將誤差電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。 此轉(zhuǎn)換的精度取決于 ADC 的分辨率，但即便分辨率不太高，其結(jié)果也很可能比模擬比較器的測量結(jié)果更加精確。 ADC 的分辨率越高，穩(wěn)壓器的控制就越好。

除了 ADC 之外，還使用比例積分微分 (PID) 處理器來替代模擬器件的補(bǔ)償器網(wǎng)絡(luò)。 PID 處理器是在很多閉環(huán)控制流程中使用的智能器件。 PID 處理器通過持續(xù)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器的數(shù)字脈寬調(diào)制器 (PWM) 芯片產(chǎn)生的脈沖串的占空比，使用數(shù)字誤差電壓讀數(shù)來校正穩(wěn)壓器的輸出。 PID 處理器必須承擔(dān)補(bǔ)償控制回路周圍的增益和相移因素的任務(wù)，正如補(bǔ)償器網(wǎng)絡(luò)在模擬器件中所做的那樣。

與模擬 PWM 相同，數(shù)字 PWM 也會產(chǎn)生可變寬度驅(qū)動脈沖，但其方法是先“計算”形成方波輸出信號的開關(guān)周期的預(yù)期持續(xù)時間，然后再按此時間進(jìn)行“定時”。 相反，模擬 PWM 的工作方式是在時鐘轉(zhuǎn)換時觸發(fā)開啟，當(dāng)固定電壓“斜坡”達(dá)到預(yù)設(shè)的跳閘電壓時觸發(fā)關(guān)閉。

與模擬穩(wěn)壓器相比，數(shù)字穩(wěn)壓器由于基準(zhǔn)電壓精度高，且到比例積分微分 (PID) 處理器的 ADC 輸出更新頻率快，因此會顯著增強(qiáng)輸出電壓的穩(wěn)定性和精確度。 圖 2 對等效模擬開關(guān)穩(wěn)壓器和數(shù)字穩(wěn)壓器的框圖進(jìn)行了比較。

（有關(guān)數(shù)字電源控制的更詳細(xì)說明，請參閱資料庫文章《DC/DC 穩(wěn)壓數(shù)字控制的興起》。）

圖 2：模擬開關(guān)穩(wěn)壓器（頂部）通常需要設(shè)計繁瑣的補(bǔ)償器網(wǎng)絡(luò)，以確保器件保持穩(wěn)定，同時提供良好的帶寬、相位裕量和增益裕量。 在數(shù)字穩(wěn)壓器（底部）中，這項工作則由 PID 處理器完成。