在數字電源的所有討論中，必須區分兩個(gè)關(guān)鍵的概念：功率控制和功率管理。Ericsson公司采用電源控制這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)表達電源內部的控制功能，特別是器件內部能量流的逐周期管理。這個(gè)定義包括反饋回路和內部管理功能。與電源的開(kāi)關(guān)頻率相比，電源控制功能以實(shí)時(shí)方式運行�？刂乒δ芸梢圆捎媚�擬或數字技術(shù)，通過(guò)采用通常對終端用戶(hù)而言是一回事的任意一種技術(shù)的電源來(lái)實(shí)現。也就是說(shuō)，采用數字電源控制可能不需要終端用戶(hù)端的任何改變或新設計。

　　相比之下，電源管理是指一個(gè)或多個(gè)電源外部的通信和/或控制。這包括電源系統配置、個(gè)別電源的控制和監視以及故障檢測通信。電源管理功能并不是實(shí)時(shí)的，這些功能以一個(gè)比電源的開(kāi)關(guān)頻率慢的時(shí)間刻度工作�，F在，這些功能開(kāi)始結合模擬和數字技術(shù)。例如，電阻通常對輸出電壓進(jìn)行編程，而電源時(shí)序通常需要連接至每個(gè)電源的專(zhuān)用控制線(xiàn)路。根據Ericsson的定義，數字電源管理意味著(zhù)所有這些功能都采用數字技術(shù)。此外還采用某種數據通信總線(xiàn)結構來(lái)最大限度地降低互連復雜性，而不是對每個(gè)電源采用多個(gè)定制的互連進(jìn)行時(shí)序和故障監視。

　　電源控制

　　圖1的左邊是一個(gè)脈寬調制(PWM)IC，這個(gè)電路為標準模擬控制回路提供主要控制。一個(gè)電阻分壓器對電源的輸出電壓進(jìn)行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與DC參考電壓進(jìn)行比較。誤差放大器的輸出是一個(gè)強度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號。這個(gè)誤差信號饋入到PWM芯片，該芯片產(chǎn)生一個(gè)其脈寬由誤差信號定義的輸出脈沖。PWM輸出脈沖則控制功率級半導體(通常為MOSFET)的導通時(shí)間。由于MOSFET具有較大的輸入門(mén)電容，因此驅動(dòng)器電路有必要有效率地導通和關(guān)斷它們。固定電阻電容網(wǎng)絡(luò )一般會(huì )補償回路，以確保動(dòng)態(tài)響應和穩定性之間的正常平衡。

　　電源的兩個(gè)其它主要部分是輸入和輸出濾波器網(wǎng)絡(luò )。這些部分由感應器、電容和電阻構成，可以提供數種功能。輸入濾波器有助于保護電源不受電源電壓瞬態(tài)的影響，在動(dòng)態(tài)負載變化過(guò)程中提供一些能量存儲，并附帶濾波器網(wǎng)絡(luò )以使電源滿(mǎn)足其輸入引起的發(fā)射規范。輸出濾波器穩定輸出電壓以確保電源滿(mǎn)足其紋波和噪聲規范，此外還存儲能量以幫助維護負載電路的動(dòng)態(tài)電流要求。重要的是，對于模擬或數字控制結構而言，輸入和輸出濾波器以及電源器件將基本上保持相同。

　　典型數字電源控制系統的結構如圖1的右邊所示。輸出電壓感應排列類(lèi)似于模擬系統。但是，模數轉換器(ADC)代替了模擬系統的誤差放大器，從而將感應電壓轉換成了二進(jìn)制數。除了輸出電壓之外，了解電源的輸出電流和溫度等其它模擬參數的值非常有用。雖然獨立的ADC可以感應每個(gè)參數，但是采用單個(gè)ADC并在它前面加設一個(gè)多路復用路往往更加有效。多路復用器(MUX)則將在要測量的模擬輸入之間切換，并依次將每個(gè)輸入發(fā)送至ADC。

　　由于MUX和ADC的采樣速率是固定的，因此ADC對每個(gè)參數都輸出一系列數字，每個(gè)數字由已知的時(shí)間段分隔。這些值供給為系統提供處理能力的微控制器�？ㄉ铣绦騼却娲鎯ξ⒖刂破鞯目刂扑惴�，這些算法負責執行一系列有關(guān)ADC的輸出值的計算。這些計算的結果包括誤差信號、想要的驅動(dòng)器級脈寬、各種驅動(dòng)器輸出的最佳延遲值以及回路補償等參數。模擬系統的外部回路補償元件不再是必需的。輸出電壓、輸出電流和溫度限制等參數的參考值在生產(chǎn)期間被保存在非易失性?xún)却嬷�，或者可以在系統啟動(dòng)時(shí)下載到數據內存中。

　　與模擬控制相比，數字控制在適應線(xiàn)路和負載條件的變化方面靈活得多。一般，對于給定的控制參數，模擬方法只采用一種“折衷”設置進(jìn)行配置，而數字控制則具備根據轉換器的工作條件改變控制參數的能力。比如，在同步負載點(diǎn)、降壓型變換器中，死時(shí)值確保頂部和底部MOSFET不會(huì )同時(shí)導通。模擬控制系統采用固定定時(shí)網(wǎng)絡(luò )來(lái)為最差工作條件設定此死時(shí)值。但是在一般工作條件下，這個(gè)死時(shí)值比必要的更長(cháng)，這會(huì )降低轉換器的效率。相比之下，數字控制回路可以根據工作條件動(dòng)態(tài)地改變死時(shí)值，從而優(yōu)化POL變換器效率。

　　此外，模擬系統中的反饋回路補償必然是穩定性和動(dòng)態(tài)響應性能之間的折衷。采用數字控制技術(shù)時(shí)，可能形成根據工作條件改變補償因子的非線(xiàn)性或自適應控制回路。也就是說(shuō)，電源或POL變換器在需要時(shí)會(huì )迅速響應，而在其它情況下則響應較慢。這種技術(shù)還有其它優(yōu)點(diǎn)。對于給定的電壓容差而言，需要較少的輸出去耦電容，從而節省了成本和元器件空間。數字控制可以實(shí)現不連續運行模式下的工作(即電源在極低的負載條件下“跳過(guò)”交換周期)，并且不會(huì )出現常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)負載性能較差的缺點(diǎn)。

        數字電源管理

　　數字電源管理是指以數字方式從內部工作的外面控制和監視板上的電源，例如，控制多個(gè)電源導通和關(guān)斷的順序，同時(shí)確保每個(gè)器件都符合其電壓裕量規格。這些問(wèn)題對于確保需要多個(gè)電源用于其低壓內核和多電壓級I/O庫的DSP和FPGA這樣的器件的正常工作而言至關(guān)重要。

　　如今的數字電源管理系統通常采用由通過(guò)數字通信總線(xiàn)與中央控制器件通信的板上安裝電源(BMPS)組成的基本架構。BMPS可以是隔離的DC/DC電源模塊或者是非隔離的負載點(diǎn)(POL)變換器。中央控制器件也有多種形式，如專(zhuān)用的電源管理IC、微控制器或者FPGA中的空閑門(mén)。中央控制器件通常被稱(chēng)為“主控器”(master)或者“主機”(host)，而受控制的BMPS通常是指“從屬器件”(slave)。對于絕大多數系統而言，主機具有由單個(gè)系統板組成的控制域。在一些大型系統中，這種主機將與系統中其它位置的更高級別的控制器交互，或許甚至通過(guò)遠距離通信網(wǎng)絡(luò )與遠程設備進(jìn)行通信。圖2是單板電源系統的示例圖。

　　應用示例

　　隨著(zhù)板上電平數的增加，系統電源管理的復雜性也在相應地提高。對于電壓順序控制而言，必須針對正常的啟動(dòng)和關(guān)閉操作以及故障狀況對順序控制的先后順序、斜升時(shí)間和延遲進(jìn)行控制。所有這些都很容易通過(guò)數字管理來(lái)實(shí)現，并且不需要采用模擬控制和定時(shí)元器件。事件驅動(dòng)型順序控制也可以輕松進(jìn)行配置，例如，在導通BMPS #2之前檢驗BMPS #1的性能參數。

　　電壓裕量用于生產(chǎn)最后階段的邊界測試，以驗證器件的魯棒性。在不同的組合中，電壓可能在±5%的范圍內變化。采用數字通信總線(xiàn)，這就可以在不到一秒的時(shí)間內實(shí)現，并且不需要任何額外的硬件或者互連。圖3為順序控制和裕量的示例圖。

　　事實(shí)上，數字電源管理在整個(gè)電源和系統的生命周期內都有用。在最初的電源生產(chǎn)階段，自動(dòng)測試裝置(ATE)可以配置輸出電壓修整、過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)溫跳變點(diǎn)，以及載入日期代碼和序列號等參數。在電源系統優(yōu)化階段，設計工程師可以通過(guò)將總線(xiàn)與膝上型電腦相連，利用與電源相連的數字接口來(lái)測量溫度、電壓和輸出電流，從而為故障保護電路設置跳變點(diǎn)以及優(yōu)化電源順序控制。

　　在板和系統的裝配和測試階段，ATE可以采用數字電源管理接口來(lái)進(jìn)行電壓裕量測試、電壓監視和修整、轉換效率的測量以及序列號和日期代碼的記錄。如果設計工程師在板上放置了一個(gè)永久的主機控制器以備正常工作期間使用的話(huà)，那么實(shí)現復雜的啟動(dòng)和關(guān)閉順序控制就輕而易舉了，而且無(wú)需額外的元器件和互連。工作溫度很容易進(jìn)行監控以調整系統風(fēng)扇速度。效率可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，并在故障發(fā)生之前檢測到性能下降的情況。開(kāi)發(fā)故障檢測和管理程序時(shí)可以考慮到系統其它位置的狀況。

　　重要的是，采用數字配置不一定在用戶(hù)的終端系統中甚至在生產(chǎn)過(guò)程中需要主機控制器或者數字總線(xiàn)。如果配置要求已知并且相對固定，電源制造商就可以在生產(chǎn)期間輕松地對其進(jìn)行編程，而無(wú)需改動(dòng)任何硬件�？蛻�(hù)可以像對待傳統的模擬器件一樣使用電源。