傳統開(kāi)關(guān)電源（Switch Mode Power Supply,SMPS）控制通常使用純模擬技術(shù)。低成本和高性能數字信號控制器（Digital Signal Controller, DSC）的出現開(kāi)啟了開(kāi)關(guān)電源控制的全新境界，并且標志著(zhù)電源產(chǎn)業(yè)正朝著(zhù)數字革命的方向發(fā)展。

　　本白皮書(shū)強調，當前是電源應用采用數字技術(shù)、實(shí)現數字電源的最佳時(shí)機。Microchip 提供的AC-DC 參考設計就是展示數字控制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的極佳實(shí)例。

　　本白皮書(shū)通過(guò)在以下幾個(gè)方面將數字電源與模擬電源進(jìn)行定量比較以指出數字電源的優(yōu)勢所在：

　　●比較模擬電源與數字電源的物料成本

　　●控制先進(jìn)拓撲結構的能力和數字控制的靈活性

　　●在同樣成本條件下，數字電源實(shí)現的附加價(jià)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

　　模擬電源的主要組成包括：

　　●功率鏈：半導體開(kāi)關(guān)、電感、電容和功率變壓器

　　●驅動(dòng)電路：柵極驅動(dòng)以及支持電路

　　●反饋電路：傳感器、放大器和電阻網(wǎng)絡(luò )

　　●控制器：每個(gè)功率級專(zhuān)用控制器

　　●后臺管理電路：用于順序控制、監控和通信的專(zhuān)用單片機以及支持電路

　　為便于比較，考慮選擇一個(gè)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(dòng)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。對于數字控制電源，專(zhuān)用模擬控制器和后臺管理電路可合并采用一片dsPIC®DSC 來(lái)實(shí)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(jìn)行對比時(shí)所有支持電路也需包括在內。圖3 所示為每個(gè)模擬級中的支持電路，而圖4 則為數字系統中的支持電路。注意模擬控制器所需要的額外連接（在圖3 和圖4 中用箭頭標出）。

      高級特性

　　效率優(yōu)化

　　對于任何電源設計人員，兩個(gè)最重要的考量方面就是總成本和系統性能。與模擬電源相比，數字電源的成本優(yōu)勢在之前的章節中已經(jīng)進(jìn)行了分析，我們現在將針對數字電源具有更高效率這一優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行探討。

　　任何電源設計都是按照其可能的最大效率來(lái)實(shí)現的。近年來(lái)，隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展及新拓撲結構的出現，電源效率達到了更高的水平。之前已經(jīng)提到，在某些運行條件下（半載或者較高的線(xiàn)電壓情況時(shí)），效率的確或多或少實(shí)現了最大化。

　　數字電源增強了系統的通用性，可對多個(gè)運行點(diǎn)的效率進(jìn)行優(yōu)化。

　　對于PFC升壓轉換器，輕載時(shí)可通過(guò)降低轉換器開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小開(kāi)關(guān)損耗。由于是輕載，磁場(chǎng)仍可以應對較低的開(kāi)關(guān)頻率。如果實(shí)現的是一個(gè)交錯式PFC 轉換器，輕載時(shí)可以通過(guò)關(guān)斷其中一相來(lái)進(jìn)一步減小功耗。

　　類(lèi)似地，對于一個(gè)相移式全橋變換器，可以在輕載時(shí)關(guān)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(kāi)關(guān)損耗。

　　另一個(gè)實(shí)例是降壓轉換器應用。對于高電流輸出的場(chǎng)合，同步降壓轉換器通常是首選。但是，使用同步MOSFET會(huì )在輕載時(shí)引起環(huán)流，這反過(guò)來(lái)會(huì )引起更高的損耗。因此，當轉換器運行在不連續電流模式時(shí)，降壓轉換器的同步/ 續流MOSFET 就會(huì )被禁止。

　　上述介紹的技術(shù)可通過(guò)選擇先進(jìn)的拓撲結構（如諧振和準諧振轉換器）來(lái)提高效率。數字控制完全支持這些先進(jìn)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�？傊�，數字控制提供很多選擇，可在整個(gè)運行范圍內對電源效率進(jìn)行優(yōu)化。

　　電源管理

　　在電源管理領(lǐng)域中，與模擬電源相比，數字電源提供了前所未有的優(yōu)勢。在一個(gè)典型模擬電源中，通常使用圖5 中所述的后臺單片機來(lái)完成其電源管理。

圖 5: 不同電源類(lèi)型在電源管理方面的差異

　　這個(gè)后臺單片機將本地系統參數發(fā)送到主控制器或者數據記錄器中。但這個(gè)單片機如何獲取數據呢？必須用檢測電路收集所需數據，并將其進(jìn)行發(fā)送。在某些情況下，遠程系統也可能對本地電源轉換器發(fā)出指令。這個(gè)配置要求增加后臺單片機和功率轉換電路之間的硬件接口，從而增加了系統的成本。

　　相反地，數字電源不需要額外電路，因為所有系統參數已經(jīng)由DSC 測量出來(lái)。這些參數存儲在DSC 的存儲器中，并且通過(guò)片上通信外設發(fā)送到遠程系統，例如SPI、I2C?、UART或者CAN.任何對該系統操作的修改都無(wú)需額外的外部硬件而可由簡(jiǎn)單的軟件來(lái)完成。

　　數字電源消除了冗余電路從而減少了系統總成本。例如，對于一個(gè)兩級AC-DC 電源，第一級將對其閉環(huán)控制運行的輸出電壓進(jìn)行測量。由于這一輸出電壓也是第二級的輸入，因此該數據也被第二級用作前饋控制或者輸入過(guò)壓/ 欠壓保護。

　　單獨一個(gè)DSC消除了相同參數的重復測量，并可從內部提供不同控制或保護特性的所有選項。DSC也有助于系統對故障狀態(tài)作出比分立模擬控制器更快速、更高效的反應。例如，在一個(gè)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(gè)故障狀況已經(jīng)被傳送給PFC 控制器，否則前端PFC 升壓轉換器將無(wú)法識別這個(gè)故障。而數字控制器能檢測到整個(gè)系統的故障狀態(tài)，無(wú)論故障發(fā)生在何處，幾乎都能在瞬間作出反應。

　　軟啟動(dòng)以及模擬和數字電源的時(shí)序

　　當電源剛啟動(dòng)時(shí)，各種存儲元件，如電容和電感，都處于零儲能狀態(tài)。在這樣的狀況下，電源突然升壓會(huì )引起系統很大的浪涌電壓和浪涌電流。因此，電源的所有階段都必須使用軟啟動(dòng)來(lái)確保系統元件避免受到不必要的壓力。

　　許多（并非全部）模擬控制器都帶有內置軟啟動(dòng)功能。

　　模擬控制器在選擇軟啟動(dòng)持續時(shí)間時(shí)都只提供有限的靈活性，且需額外電路來(lái)實(shí)現啟動(dòng)延時(shí)。

　　在多級電源中，由于一些輸出取決于其他輸出，因此有必要通過(guò)預定義方式對輸出順序進(jìn)行控制。這可由單獨的時(shí)序芯片完成，或者使用后臺單片機以及輔助電路來(lái)實(shí)現。

　　由于所有時(shí)序控制和軟啟動(dòng)子程序都可作為電源控制軟件的一部分來(lái)完成，因此數字電源不需要外加硬件。電源的每一級都可實(shí)現一個(gè)軟啟動(dòng)子程序，每個(gè)都具有不同的持續時(shí)間和延時(shí)。典型的軟啟動(dòng)子程序如例1 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 初始化之后就立刻調用軟啟動(dòng)子程序。首先調用啟動(dòng)延時(shí)，隨后輸出電壓參考將被設定為實(shí)際測量的輸出電壓。參考值一直以固定速率上升，直到其達到期望值為止。此時(shí)，軟啟動(dòng)結束，系統正常運行開(kāi)始。數字控制器可靈活使用軟啟動(dòng)子程序。相同的子程序在不同時(shí)間階段可通過(guò)不同參數進(jìn)行調用。例如，如果系統要在故障發(fā)生后重啟，啟動(dòng)延時(shí)和軟啟動(dòng)持續時(shí)間可修改為不同的值。

　　時(shí)序控制可在不外加任何電路的情況下，通過(guò)一些靈活的配置加以實(shí)現。圖6 中顯示了一些時(shí)序機制原理圖。

　　如果一個(gè)轉換器取決于另一級的輸出，則軟件可設置標志來(lái)指示轉換器何時(shí)完全啟動(dòng)，電壓已經(jīng)為下一級的上升作好準備。  如圖6 所示，數字電源能根據實(shí)際應用需求以多種方式輕松實(shí)現時(shí)序控制。數字電源在選擇軟啟動(dòng)和時(shí)序控制方案上具有很大的靈活性，不需要增加專(zhuān)用芯片或者復雜的電路。