如果把處理器和傳感器分別比作是電子設(shè)備的“大腦”和“五官”，那么電源管理就是電子設(shè)備的“心臟”，其重要性不言而喻。

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，功能越來(lái)越強(qiáng)大的服務(wù)器、通信設(shè)備等產(chǎn)品推動(dòng)了半導(dǎo)體工藝技術(shù)不斷升級(jí)，體積小、性能強(qiáng)大的芯片要求電源管理IC能提供更智能的控制環(huán)路、更快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、更高的電壓反饋精度以及更簡(jiǎn)化的外圍電路布局設(shè)計(jì)。

面對(duì)這些要求，擁有集成度高、快速響應(yīng)、設(shè)計(jì)靈活、可控性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)的數(shù)字電源技術(shù)備受青睞。

如何定義數(shù)字電源？

數(shù)字電源，以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器、PWM控制器等作為控制對(duì)象，能實(shí)現(xiàn)控制、管理和監(jiān)測(cè)功能的電源產(chǎn)品。它是通過(guò)設(shè)定開(kāi)關(guān)電源的內(nèi)部參數(shù)來(lái)改變其外特性，并在“電源控制”的基礎(chǔ)上增加了“電源管理”。

所謂電源管理是指將電源有效地分配給系統(tǒng)的不同組件，最大限度地降低損耗。數(shù)字電源的管理（如電源排序）必須全部采用數(shù)字技術(shù)。

▲ 數(shù)字電源原理框圖

通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)的用于電源控制算法的復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬電路所能實(shí)現(xiàn)的硬控制算法，后者僅局限于PID控制。 DSP/MCU的應(yīng)用使得開(kāi)關(guān)電源能夠用上各種現(xiàn)代控制算法 ，比如自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制等。這些先進(jìn)的控制算法大大的擴(kuò)展了數(shù)字電源的性能，豐富了其應(yīng)用場(chǎng)景。

除了通過(guò)軟件編程可以帶來(lái)多功能以及控制算法上的優(yōu)勢(shì)外，數(shù)字電源所采用的DSP/MCU往往還帶有豐富的通信外設(shè)。各 種接口的使用讓數(shù)字電源具備了通信能力 ，這大大擴(kuò)展了數(shù)字電源的應(yīng)用場(chǎng)景和功能，比如遠(yuǎn)程控制、在線監(jiān)測(cè)、在線升級(jí)軟件、多電源組網(wǎng)、集群管理、故障報(bào)警等等。這是純模擬電源完全不具備的。

DSP/MCU在數(shù)字電源的應(yīng)用還催生了數(shù)字電源專用的通訊協(xié)議——PMBus（Power Management Bus，電源管理總線），這是一種開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電源管理協(xié)議。通過(guò)定義傳輸和物理接口以及命令語(yǔ)言，即可促進(jìn)與電源轉(zhuǎn)換器或其他設(shè)備的通信。支持PMBus的芯片已經(jīng)出現(xiàn)在了很多大牌半導(dǎo)體廠商的產(chǎn)品庫(kù)中。

數(shù)字電源有何所長(zhǎng)？

數(shù)字電源相對(duì)于模擬電源的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

便于高度集成化。 由于數(shù)字電路采用二進(jìn)制，所以電路基本單元簡(jiǎn)單，而且對(duì)元件要求也不嚴(yán)格，允許電路參數(shù)有較大的離散性，有利于將眾多的基本單元集成在同一硅片上進(jìn)行批量生產(chǎn)。

工作準(zhǔn)確可靠，抗干擾能力強(qiáng)。 數(shù)字電源用1和0來(lái)表示信號(hào)，數(shù)字電路辨別信號(hào)有無(wú)簡(jiǎn)單，大大提高了電路的工作可靠性。同時(shí)數(shù)字信號(hào)不易受到噪聲干擾，抗干擾能力極強(qiáng)。

數(shù)字信息便于長(zhǎng)期保存。 借助某種媒體(磁盤、光盤等)可將數(shù)字信息長(zhǎng)期保存下來(lái)。

**數(shù)字集成電路產(chǎn)品多、通用性強(qiáng)且成本低。 **

保密性好。 數(shù)字信息容易進(jìn)行加密處理，不易被竊取。

不僅能完成數(shù)值運(yùn)算，還可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算和判斷。 這在控制系統(tǒng)中是不可缺少的。

▲ 數(shù)字電源與模擬電源對(duì)比

從應(yīng)用角度分析：

• 數(shù)字電源適合于控制參數(shù)較多、實(shí)時(shí)響應(yīng)速度快、復(fù)雜的高性能電源系統(tǒng)，例如設(shè)計(jì)從AC線路到負(fù)載的高端電源系統(tǒng)?？蓮V泛用于移動(dòng)通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)及不間斷電源（UPS）等。負(fù)載波動(dòng)大，要求多路不同的供電電壓，甚至對(duì)供電的時(shí)序也有特殊要求，比如通信用電源、數(shù)據(jù)中心供配電、復(fù)雜電路系統(tǒng)（FPGA/CPU）等，這些用戶就需要數(shù)字電源。究其原因，就是復(fù)雜的功能可以由靈活的軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，高難度的控制需求可以有先進(jìn)的算法來(lái)滿足。
• 模擬電源適應(yīng)于簡(jiǎn)單易用、控制參數(shù)少、成本低的應(yīng)用場(chǎng)合。負(fù)載波動(dòng)不大，電壓等級(jí)需求單一的系統(tǒng)適合采用模擬電源。這種條件下，由于模擬電源沒(méi)有軟件計(jì)算的延遲，其響應(yīng)性能反而優(yōu)于數(shù)字電源。

STM32助你輕松解碼數(shù)字電源設(shè)計(jì)

5G、物聯(lián)網(wǎng)、AI等新興技術(shù)的加速落地，推動(dòng)數(shù)字電源從消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信延伸至汽車電子、新能源、智能硬件等廣泛領(lǐng)域。

從模擬電源轉(zhuǎn)到數(shù)字電源，開(kāi)發(fā)人員會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)，如響應(yīng)速度或帶寬、DSP或MCU的處理速度、ADC采樣延時(shí)、復(fù)雜拓?fù)渲С?、自適應(yīng)環(huán)路/斜坡/均流/溫度補(bǔ)償及復(fù)雜算法等，分分鐘為設(shè)計(jì)帶來(lái)不同挑戰(zhàn)。此外，模塊化、集成化、系統(tǒng)化的發(fā)展趨勢(shì)也為數(shù)字電源設(shè)計(jì)帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。

從硬件、軟件工具和嵌入式軟件到培訓(xùn)資源和文檔，STM32數(shù)字電源一站式資源庫(kù)（也稱為D-Power）提供一整套材料，以支持并加快數(shù)字電源應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，如D-SMPS、照明、焊接、太陽(yáng)能系統(tǒng)和無(wú)線充電器的逆變器。

▲ 基于STM32的數(shù)字電源市場(chǎng)應(yīng)用

** STM32 D-Power 產(chǎn)品線**

STM32 D-Power產(chǎn)品組合包括STM32產(chǎn)品系列的幾個(gè)產(chǎn)品線，并涵蓋了入門級(jí)到高性能產(chǎn)品，從而能夠在性能方面實(shí)現(xiàn)最大可擴(kuò)展性與靈活性。

STM32D-Power產(chǎn)品組合包括帶有嵌入式高分辨率定時(shí)器（HRTimer）的STM32F3、STM32G4和STM32H7 MCU，該計(jì)時(shí)器為一種功能強(qiáng)大且靈活的脈沖寬度調(diào)制（PWM）發(fā)生器，可提供高達(dá)184ps的分辨率。STM32F3、STM32G4和STM32H7 MCU包含模擬組件的產(chǎn)品編號(hào)為STM32F334、STM32G474和STM32H743等。

▲ 可用于數(shù)字電源的產(chǎn)品型號(hào)

嵌入式HRTimer主要特點(diǎn)包括：

1. 高分辨率 ：184ps（STM32G474）或217ps（STM32F334）

• 多達(dá)12個(gè)通道的定時(shí)器單元組成，支持交叉互補(bǔ)或獨(dú)立工作模式
• 無(wú)論電壓、溫度或制造偏差如何，始終可以在所有通道上實(shí)現(xiàn)高分辨率

2.** 波形生成與事件管理**

• 軟件介入最少的高級(jí)PWM波形生成
  • 智能功能，如硬件突發(fā)模式控制器，自動(dòng)延遲模式，外部事件窗口，平衡空閑模式(帶延遲與自動(dòng)恢復(fù)功能)，斜坡補(bǔ)償，谷值跳躍，多種保護(hù)方案。
  • 每個(gè)定時(shí)器都有一路DMA通道
  • 修改一個(gè)參數(shù)可更改多個(gè)事件（定時(shí)器級(jí)聯(lián)）
• 復(fù)雜事件管理：10路外部事件輸入，最多6路故障輸入
• 眾多互連

▲ 可用于數(shù)字電源的STM32產(chǎn)品線