數(shù)字電源指望通過改善維護成本和可靠性、降低電源元件成本、簡化BOM來降低系統(tǒng)電源總成本。設計者必須為傳統(tǒng)的笨拙電源子系統(tǒng)增加智能。數(shù)字電源控制與管理IC有助于這些目標的實現(xiàn)。

要 點　

數(shù)字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數(shù)字控制和數(shù)字電源管理與通信任務。系統(tǒng)可以使用一種或兩種形式的數(shù)字電源。預計年內將有更多的數(shù)字控制、數(shù)字管理IC面世。隨著處理能力越來越廉價，有望看到向數(shù)字電源的逐步轉移。

過去幾年，數(shù)字電源一直是系統(tǒng)架構師、電源設計者和混合信號 IC 供應商的一個熱門話題。反對者認為數(shù)字電源是一種無用的高價玩意兒，而且很復雜，不過是一種查找問題的解決方案。擁護者則力辯說數(shù)字電源是不可避免的，差 不多數(shù)年內就會占據(jù)電源子系統(tǒng)的領地。初看來，兩種論點完全相反。對系統(tǒng)電源這類明確的技術來說，這種現(xiàn)象有點奇怪，但如果你發(fā)現(xiàn)雙方對數(shù)字電源定義存在 的差異，并且雙方經(jīng)常是指不同的應用，那么這種情況就可以理解了。這種混淆源于數(shù)字電源的兩個性質不同的部件：PWM 反饋回路的數(shù)字控制；電源管理與通信。

數(shù)字化閉環(huán)是數(shù)字電源迄今最復雜的部分。腦中躍出的第一個問題是：為什么要用數(shù)字控制，使用模擬控制環(huán)路的 SMPS（開關模式電源系統(tǒng)）不是挺好嗎？模擬控制環(huán)路的優(yōu)點是準確、工程師對自己設計的理解，以及有極多模擬控制 IC 的支持。然而，模擬控制環(huán)路是面向一個定義范圍狹窄的特定負載。如果負載變化范圍寬，則很難在負載的整個變化范圍內調整模擬環(huán)路。另外，如果你需要一個可 以在很多產(chǎn)品中重用而不必更換部件的設計平臺，則模擬方案難以勝任。Primarion 的總裁兼首席執(zhí)行官 Ron van Dell 稱：“如果使用一個真正的數(shù)字控制器，則設計者可以將數(shù)值放在寄存器內，對控制器的各個方面作配置，而無需改變外部的硬件。”設 計者只需要工作在 PC 的 GUI 上，就可以更快地優(yōu)化和調試系統(tǒng)，而不必將各種電阻電容在板上焊上焊下。（有關數(shù)字 PWM 工作的更詳細說明，見參考文獻 1）。

數(shù)字控制環(huán)路需要一個速度相對較快而功能強大的處理器，這在錙銖必較的電源子系統(tǒng)中是一個缺陷。數(shù)字電源的擁護者稱設計者可以去掉某些元件，或使用較廉價 的無源元件，從而補償處理器的成本。Linear 技術公司電源管理產(chǎn)品副總裁兼總經(jīng)理 Don Paulus 表示：“產(chǎn)生電源精度的本身是模擬功能。然而，當你擁有了這種數(shù)字能力時，就不用制造有絕對精度的部件，而可以制造精度較差的部件，然后用數(shù) 字控制來校準這些誤差。這與信號調節(jié)發(fā)生的情況類似，即通常制造出不那么精確的系統(tǒng)，然后再校準所有誤差?！?br />
但對電源來說，性能尺度不只意味著精度。Paulus 說：“我們希望數(shù)字技術能夠具備應付瞬變能力。例如，如果電源知道要有一個大的負載步進，則它可以即時調整環(huán)路動態(tài)，對該瞬變作出快速響應， 然后再返回穩(wěn)定狀態(tài)以及較低的帶寬精度。這種靈活性可以影響對負載電容器的要求?！彪m然傳統(tǒng)的“銀盒子”（封閉結 構）電源制造商對數(shù)字電源有興趣，但只有少數(shù)幾家熱衷于這種轉換。Paulus 說，只有少數(shù)幾家 Linear 客戶對數(shù)字電源有興趣。

但數(shù)字電源的作用并不只是數(shù)字式地閉鎖控制環(huán)路。它還包括管理與通信功能，這在數(shù)據(jù)通信和電信系統(tǒng)中正變得日益重要。這些系統(tǒng)依賴于能應付多種電壓線路的 電源處理器，這些電壓線路必須以設定的順序完成上電和斷電。除了上電順序要求以外，路由器和高端服務器等設備都很可能是使用數(shù)字電源的候選者，因為它們需 要與系統(tǒng)管理裝置通信，并且有很高的潛在維護費用。高效的數(shù)控環(huán)路在電力經(jīng)濟性上有優(yōu)勢，但與電源整個生命周期的維護成本相比，電力成本只是一個小頭。 Intersil 計算電源產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Bob Lucas 認為：“服務器的關鍵是可靠性?！睌?shù)字電源能夠將電源子系統(tǒng)的健康狀況通知系統(tǒng)，如當前的電流與溫度，這種能力使它能夠在高端計 算系統(tǒng)中獲得一席之地。數(shù)字電源管理的優(yōu)點是可靠性和可維護性，如報告電源子系統(tǒng)的溫度變化、突發(fā)的電流流動，以及風扇速度變化等。所有這些都可告知維護 工人更多細節(jié)，更不只是簡單地閃動一盞警燈。

iSuppli 高級分析師 Chris Ambarian 對于超級服務器和交換農(nóng)場的擁有成本以及初始電源硬件成本作了一個比喻：對于每一美元的電源成本，維護與擁有成本為 6 美元。如果你只想獲得數(shù)字電源的通信與管理優(yōu)勢，那么就不需要數(shù)字控制。有些 IC 供應商根據(jù)客戶的意愿，采取了一種小心翼翼的數(shù)字電源方案，即在不增加數(shù)字控制環(huán)路復雜性前提下，獲得電源管理的好處。Microchip 將這種方案看作一種漸進的對策，它擁有一個四級數(shù)字電源集成的路線圖，使企業(yè)能夠按部就班地采用該項技術。

在最簡單的實現(xiàn)方案中，主系統(tǒng)可以開、關電源子系統(tǒng)。Microchip 的安全、微控制器以及技術研發(fā)部首席應用工程師 Keith Curtis 表示，這種能力看似無足輕重，但是卻很重要?！八o了你一些有價值的控制選項?！边@些選項包括故障判別，以及重新起動、遙控起 動、上電序列和軟件起動等。“這種水平的控制在模擬環(huán)路設計中是非常少見的。”

在下一個復雜等級中，系統(tǒng)電源控制器控制電源的輸出與響應。Microchip 有時也把這種設計叫做數(shù)字輔助：微控制器更具侵入性，只限于訪問模擬控制環(huán)路的某些元件，如電壓基準。這種實現(xiàn)級別可以達到真正的軟起動，因為可以控制輸 出電壓，它只需要一種廉價的微控制器，如 Microchip 的 PIC10，它的價格不高于 50 美分（批量價格）。用微控制器可以增加很多特性，如 SOT-23 封裝的微控制器就能實現(xiàn)欠壓鎖定、延遲起動，以及防時鐘抖動等，而免除用單獨電路實現(xiàn)這些功能的成本。增加微控制器還可以通過某種協(xié)議（如 PMBus，它是受業(yè)界支持的標準，基于硬件標準 I2C 總線而開發(fā)）支持數(shù)字通信功能（參考文獻 2）。對于那些對純數(shù)字電源設計抱有疑問的人，這種實現(xiàn)級別很受歡迎。Maxim 數(shù)字電源產(chǎn)品業(yè)務經(jīng)理 Ahmad Ashrafzadeh 說：“大多數(shù)對數(shù)字電源感興趣的設計者并沒有把閉環(huán)當作最重要的事情，它遠沒有達到最高優(yōu)先級”。他說，實際上，設計者期待的是 控制輸出電壓的能力；跟蹤、定序以及獲取元件的反饋；用這些診斷功能跟蹤整個系統(tǒng)的完好狀況。Maxim 計劃在下個月推出一款芯片，它可以實現(xiàn)這些目標，并能夠同模擬 PWM 控制器 IC 相互協(xié)作運行。

Microchip 的再下一級實現(xiàn)仍然依賴于傳統(tǒng)的模擬反饋回路，但微控制器可以修改電源的拓撲，例如充電電池的 LED 閃燈應用。電池充電采用一種降壓結構，而放電則使用升壓結構。這種電路可以使用相同（但不同結構配置）的電感器、電容器，充電時配置成降壓電源，升壓電源 則通過電容放電入電源線。至今，只有 Microchip 提供一款面向這種集成級別的微控制器 PIC16F785。

Microchip 最高級的實現(xiàn)是真正的數(shù)字控制，它在一個數(shù)字控制器中集成了所有 PWM 控制環(huán)路。最近幾個月來，這一領域出現(xiàn)了很多動向。去年夏天，只有德州儀器(Texas Instruments)公司和 Silicon 實驗室推出了這類產(chǎn)品，前者是基于 DSP 的 UCD9k 和 UCD7k 芯片組，后者則是 Si8250。那以后，Primarion 也推出了用于 POL（點負載）系統(tǒng)應用的 PX7510，Zilker Labs 推出了 ZL2005，Linear 技術公司宣布它成為 Primarion POL 芯片的第二個供貨源，Intersil 則宣布了用于主板內核電壓的 Primarion PX3535 第二個供貨源。另外，預期到今年第三季度，加入這些芯片競爭的還有 Analog Devices、Microchip 和德州儀器等公司。

除了來自德州儀器的 UCD9k 和 UCD7k 以外，所有這些芯片都從完全可編程、通用 DSP 型號轉向為更高集成度的專用狀態(tài)機/數(shù)字濾波器組合。即使這樣，針對這些芯片的軟件配置數(shù)量也變化多端，如 Zilker Lab 幾乎完全采用硬接線的 ZL2005，它可以通過捆綁芯片的管腳輸入來設置環(huán)路與性能特性，而 Silicon Labs 的方案則使用一個 8051 內核，完成通信任務。所有制造商的芯片都帶有 GUI，能隱藏設計者的數(shù)字環(huán)路控制算法。這些芯片的價格從 1.50美元~5美元不等。