在過去五年中，數字電源經歷了快速的增長，工業領域享受了數字控制給傳統模擬領域帶來的許多好處。這已經得到來自各種微控制器供應商的許多新產品的支持，這些產品專門針對數字電源市場。

圖1：模擬控制電源

在傳統的模擬電源中，使用由運算放大器和比較器組成的控制集成電路，以及一系列精心選擇的外部電容器和電阻組成補償網絡，來實現控制。這些都給電源提供了期望的瞬態負載性能和在頻域中的穩定性，即S域。補償網絡是固定的，并且經常由于反饋路徑中存在帶寬限制光耦合器而受損。如圖1所示。

圖二：數字控制電源

當我們提到數字電源時，我們實際上指的是調節和穩定電源的數字控制回路，它取代了自1980年代以來在開關模式電源中使用的模擬控制IC。如圖2所示的數字電源，模擬控制IC及其相關的模擬補償網絡已被微控制器取代。

微控制器用于關閉電源的反饋回路。在典型的數字控制電源中，微控制器上的模數轉換器（ADC）模塊對輸出電壓或電流進行采樣。這與需求參考值進行比較，結果是一個誤差項。然后，誤差項被用作離散時間控制器（通常是兩極二零或三極三零控制器）的輸入，該離散時間控制器在離散時域z域中具有極點和零點。離散時間控制器以精確和預先定義的間隔執行，每次都有一個新的ADC采樣可用。

圖3：離散時間兩極，二零控制器

這種離散時間控制器的一個例子如圖3所示。該控制器由五個乘法累加操作組成，這些操作被稱為數字信號處理器（DSP）上的乘法累加器（MAC）指令。該采樣周期x[n]，誤差項的控制器的輸入乘以控制器系數B0。Z-1項是單位延遲，并導致先前的輸入到控制器[X-N-1 ]，乘以系數B1。在此之后，存在另一個單位延遲，因此從前兩個采樣周期的誤差項x [n-2 ]乘以B2。在圖3的右側，同樣的過程被應用到控制器的輸出。控制器的前一個輸出y[n-1]乘以A1，前一個采樣周期y[n-2]的輸出乘以A2。這些乘法被累加在一起，結果是該采樣周期控制器的新輸出。控制器y[n]的輸出是脈沖寬度調制(PWM)變換器的占空比或諧振/脈沖頻率調制(PFM)拓撲的開關頻率的新值。

就像s域中的模擬補償器一樣，圖3所示的離散時間控制器在z域中具有頻率響應。正是控制器系數決定了頻率響應，從而決定了電源的穩定性。因此，工程師必須分析計算控制器系數以穩定電源。

微控制器在電源中使用多年，目的是使用相對簡單和低成本的微控制器實現諸如PMbus和風扇速度控制的基本功能。然而，全數字控制以前在服務器和電信市場最為普遍，在工業和醫療市場的占有率滯后。

制約數字控制轉換的因素主要是與數字功率相關的成本和復雜性。好消息是，具有實現全數字控制所需的DSP功能的現代微控制器的成本近年來已顯著降低，使得它們可用于更多的設計。然而，復雜性仍然是一個問題。這種復雜性源于對設計電源的混合域方法的需要；工程師需要將他們的電源設計知識與編寫有效代碼和穩定離散時間控制回路的能力結合起來。

那么，切換到數字控制的原因是什么呢？數字控制回路比模擬回路具有許多優點。數字電源對控制回路部件的環境、溫度、老化和公差不敏感。它允許系統實時監控電源的性能，并根據需要調整參數以調整性能。此外，先進的離散時間控制技術允許我們實現比模擬補償器更高的性能，在幾個開關周期內從瞬態恢復過來。這一直是特別關注的負載點（POL）轉換器市場，一直很大的采用數字電源。一個高性能的微控制器可以用來穩定和調節多個功率級，而不需要為每個功率級提供單獨的模擬控制IC。

對于高效率轉換器的不斷增長的需求是一個領域，其中數字電源的靈活性提供了超出典型模擬控制方案能力的解決方案。這包括調整PSU的操作以達到最佳的零電壓或零電流開關-減少開關損耗，提高整體效率。或者，我們還可以考慮提高使用多個電源的整體數據中心或系統的效率的影響。這可以通過基于來自系統內的主控制器的信息響應關閉或進入低功率模式的請求來實現。

圖4：典型的控制回路持續時間與PWM開關周期。

用于數字功率應用的最新微控制器包含DSP功能，允許數字控制環路在每個開關周期內只在單個PWM開關周期的一小部分內執行。圖4顯示了一個典型的數字電源的PWM開關周期。在這個簡單的例子中，每個開關周期輸出電壓一次。一個幾百納秒的ADC轉換時間對于設計用于數字功率應用的微控制器來說是典型的。在ADC轉換之后，調用中斷服務例程來執行離散時間控制器。這是一個時間關鍵例程，因此控制器可以用匯編代碼編寫，以利用MAC指令并優化每個指令周期的使用。

如圖4所示，對于這個例子，MCU不花費執行控制器的時間是我們的備用帶寬。此備用帶寬可用于執行特定于客戶應用程序的其他任務或功能。任何低優先級任務都是在慢速循環中運行的，每當出現高優先級任務時，都會被中斷，例如ADC中斷來運行控制環路代碼。

根據設計的復雜性，為電源開發堅固且有效的固件可能需要大量的時間。此外，還包括驗證和測試過程以及各種安全認證所需的文件。因此，需要將大量的資源投入到數字電源的開發中。然而，一旦進行初始投資，數字電源的另一個好處就是在許多不同的產品上重用固件的能力。例如，在一系列中具有不同輸出電壓的產品的固件的改變可以僅僅是改變控制器系數的簡單情況。

考慮到微控制器給設計帶來的靈活性，當標準產品可能不能滿足客戶的所有要求時，數字電源非常適合于定制電源應用。可能存在特定的通信需求，例如通過USB、I2C或EtherCAT控制電源，以及在稍后日期使用實時固件更新通信協議的可能性。用戶可能要求動態地調整輸出電壓或電流限制，或者要求實時監測、電源軌排序或輸出模塊之間的精確電流分配。

當然，用于數字電源的高性能微控制器將比它取代的模擬IC更昂貴。然而，數字控制器為MCU內實現其他功能提供了機會，而不是使用離散組件。這可以減少元件數量和提供更緊湊的解決方案，特別是對于具有復雜信號要求或可以使用一個微控制器控制的多個電源軌的設計。其結果可能是一種整體的解決方案，當使用微控制器而不是模擬解決方案時，它更具成本效益。當然，對于一些復雜的需求，數字化可能是唯一的解決方案。

XP Power擁有利用標準產品范圍的多樣性實現復雜定制電源解決方案的知識和能力。隨著MCU在電源的核心，定制電源應用的可能性是深遠的。考慮到數字電源提供的許多好處，在未來幾年中，我們可能會看到數字電源的日益增加。