对数字电源管理的需求 

近年来，对便携式设备的需求显着增长。它们通常包括 LCD、通用串行总线 (USB)、蓝牙模块、SD 卡读卡器。这些负载由锂离子 (Li-Ion) 等可充电电池供电，需要不同的工作电压和负载电流。电源管理解决方案的设计涉及尺寸、成本和效率等设计因素之间的一系列折衷。一般来说，需要确定一些特性，例如瞬态容限、纹波电压和负载特性。如今，设计电源的经验在全球范围内正在减少，而加快上市时间的压力却在增加。 

纹波代表了关键因素，即电源输出中直流 (DC) 的微小的不希望的残余周期性变化。这是由于电源内部对交变波形的抑制不完全所致。另一个需要考虑的参数是 DCR（直流电阻），它是频率接近 0 Hz 的信号的电感器电阻。以直流电测量的电感器的 DCR 通常非常小，范围从小于 1 / 100 Ω 到几欧姆（通常不超过 4 Ω）。

由于 CMOS 制造技术和新的先进数字架构的改进，数字组件能耗的改善限制了控制和效率损失之间的权衡。

系统设计人员正致力于通过更好地管理电池特性，利用先进的电路拓扑来提高电源转换效率。在这方面，能量转换中的数字控制技术受到特别关注。

效率

DC-DC 转换器是电源管理系统中的关键模块。它们需要满足非常严格的规格并同时消耗尽可能少的能量。具有快速开关频率的 DC-DC 转换器越来越受欢迎，因为它们能够减小外部组件（如电容器和输出电感器）的尺寸。

DC/DC 转换器的效率是设计电源时要考虑的最重要的属性之一。低效率会转化为更大的功耗，必须妥善管理。较低的开关频率可减少开关损耗，而高频可提供更好的性能和更快的瞬态响应。在效率方面，需要从沟道损耗、开关和栅极驱动电流方面对MOSFET进行评估。传导损耗主要由传导电阻 (R DS (ON) ) 决定。另一方面，开关电荷由栅极电荷 (Q g )支配。为了降低 MOSFET 的功率损耗，R DS (ON)和 Q g的良好平衡组合 应选择以实现良好的设计折衷。

例如，在便携式设备的简单降压转换器（降压转换器）中，设计人员旨在将电压降低到足够的水平，但同时又不想在转换过程中浪费宝贵的毫伏电压。例如，ADI 公司提供 LTC3549，这是一款适用于便携式应用的 2.25 MHz 降压稳压器（图 1）。该器件提供 250 mA 的输出电流（输入电压为 1.8 V，输出电压为 1.2 V），效率高达 93%。

图 1：LTC3549 的框图 [来源：Analog Devices]

电感器的选择是一个设计步骤，涉及各种因素，例如纹波、功耗、饱和特性和压摆率。知道压摆率后，我们可以使用以下公式计算电感 L：

通过使用 L 的值，我们可以通过以下公式计算纹波电流 (I OPP )：

其中 V inmax是最大输入电压，V out是输出电压，f sw是开关频率。考虑输出电流和 DCR 参数来评估功耗。

数字控制

近年来，高速、低能耗和经济型硅的引入重新点燃了对“数字电源管理”的兴趣。通过数字控制进行的调整已被证明是最可靠的电压调整方法。

数字芯片允许在开关电源的每个操作周期中精确调节节能直至耗散控制。

在数字稳压器中，模数转换器 (ADC) 将输出电压的测量值（标度）与参考电压（误差电压）之间的差值转换为数字值。数字控制器更高的精度部分源于 ADC 将误差电压转换为二进制值的分辨率。更高的分辨率改进了反馈回路控制。此外，参考电压的精度和ADC输出刷新率会显着影响输出电压的稳定性和精度。

数字调节器的 PID 处理器允许进行最佳控制，结合多种控制（比例、积分和微分；从这些词中得到首字母缩略词 PID）来校正调节器输出。

在 PID 控制器中，当前误差电压 (P) 的读数与过去误差的累积（使用积分阶段）和未来误差的预测（使用算法的微分阶段）相结合，以调整每个脉冲的幅度连续 PWM 周期。这样，算法就可以调整“开”和“关”时间，而无需等待固定斜坡误差比较器的触发。

PID 控制器中编程的系数确定了诸如环形增益之类的参数，并且正如在由无源元件形成的模拟电路网络中确实发生的那样，用于生成所需系统的响应以保证稳定性。这些系数的值可以使用模型进行数学计算并编程到控制器中。虽然模型的生成不是一项微不足道的任务，但数字处理器的使用允许设计人员通过仅在控制器中编程这些值而不是焊接不同的无源元件来微调能够满足他们需求的算法。尽管 PID 型控制提供了比传统模拟控制更大的灵活性，

最先进的 DC-DC 转换器使用内部系统模型来改善整体控制。模型和设备行为之间更精确的对应导致更精确的控制和 DC/DC 转换器（如 BMR461 模型）的情况，消除了大量外部电容器。

ZL6105 是一款带有集成 MOSFET 驱动器的数字电源调节器。它被设计为一个灵活的直流元件，可以轻松适应从 3.3 V 输入的单相电源到 12 V 输入的多相电源的设计。ZL6105 使用 PMBus 协议与主机控制器进行通信，使用 Digital-DC 总线与其他设备进行通信（图 2）。

图 2：ZL6105 的应用电路 [来源：瑞萨电子]

PMBus 定义了一种开放标准的数字电源管理协议，可促进与电源转换器或其他设备的通信。该协议是一种低成本的实时控制总线，它定义了传输和物理接口以及管理语言。

高级数字设备中诸如 PMBus 之类的协议的传播为日益高效的系统的传播提供了新的机会。新一代处理器和 FPGA 所需功率的增加对 DC-DC 转换器项目产生了重大影响，尤其是对于负载点 (POL) 应用。

由于数字控制，电源转换器可以与系统协同工作，并利用有关能源效率的整体方法。越来越特殊的是对智能电网系统中的监控功能的要求。数字控制的影响和效率的增长在成本和电路尺寸方面将变得越来越重要。



审核编辑：刘清