数字电源设计方案难选？相信我，看了本文就不难了~

 

图源：freepik.com

 

 

作为一名当代的电源设计工程师，如果正打算为终端系统选择一款合适的电源解决方案，很可能会感到非常的纠结：

• 是选择模拟电源还是数字电源？

• 如果选择数字电源，是选择基于DSP的控制方案还是基于MCU的控制方案？

   

 

我们非常理解电源工程师的难处，希望下面的文字能够化解这一难题。

 

 

模拟电源vs数字电源

 

众所周知，在核心功率转换方面，模拟电源方案一直是行业的主角，相关的产品种类丰富且久经市场考验，非常值得信赖。不过，近几年异军突起的数字电源正在打破这种市场状况。

所谓的数字电源实际上就是一种采用数字信号来控制开关电源的开关状态和频率，并通过数字信号处理器（DSP）、微处理器（MCU）等对电源输出进行控制和监测的功率转换解决方案，它具有高精度、高稳定性、高可靠性、高效率且能远程控制并自动调节输出电压等特点。

在传统的模拟电源中，变压器电源由铁芯和线圈组成。线圈的匝数决定了两端的电压比。主线圈产生频率为50Hz的变化磁场，这种变化的磁场通过铁芯传输到次级线圈，并在次级线圈中产生感应电压，依靠变压器来实现电压的转换。这种模拟电源的缺点是，由于线圈和铁芯是导体，因此在电压转换过程中会因自感电流而产生能量损耗，变压器的效率很低，一般不超过35%。另外，这种产品的体积也比较大，会占用较多的PCB面积。

 

开关电源解决了传统模拟电源变压器效率低下的问题，其工作原理是，在电流进入变压器之前，通过晶体管的开关功能提高线圈的频率，通常会将50HZ的电流频率提高到数万HZ。在如此高的频率下，磁场变化的频率也达到数万HZ，因此线圈的尺寸将大大缩小。由于匝数和磁芯体积的减少，热损耗明显降低。通常，开关电源的效率能达到90%以上，并且体积非常小，输出稳定，具有传统模拟电源难以实现的优点。

 

数字电源是现代电子系统中降低功耗和管理日益增长的电源复杂性的重要技术之一。从智能手持设备到数据服务器和无线基站，数字电源的管理和控制提供了实时智能，使开发人员能够构建自动适应环境并优化效率的电力系统。数字电源的使用意味着对负载和系统温度的变化可进行自动补偿，通过自适应死区控制实现节能，动态电压缩放实现优秀的系统性能，并在各种故障条件下通过强大的保护实现安全运行。

 

从技术角度看，数字电源由DSP或MCU控制，相对而言，DSP控制的电源采用数字滤波，可以满足复杂的电源要求，实时响应速度更快，电源电压调节性能更好。现在的功率模块IC将脉宽调制器（PWM）、电感、功率MOSFET和无源元件均集成到一个小封装中用于高效功率转换，因此，构建一个完整的数字电源系统只需几个输入和输出端，电源的设计变得越来越简单易行。由于电源模块IC仅以较小的PCB面积即可为各种导轨供电，因此，系统设计者可以开发出更紧凑、外形更小的电子产品。

 

 

综合来看，在易于使用且几乎不需要更改工作参数的应用中，我们可以通过硬件固化来实现有针对性的应用，这种情形模拟电源产品更有优势。然而，在复杂的多系统业务中，与模拟电源相比，数字电源的优势就显得非常突出，比如数字电源是通过软件编程实现的，其可扩展性和可重用性允许用户轻松更改工作参数并优化电力系统。另外，通过实时过电流保护和管理，还能有效减少外围设备的数量。

 

 

数字电源的优势

 

有关数字电源的优势，我们可以归纳为以下几点：

 

 

实现了电源的智能管理，很大限度地提高了系统性能和效率。数字功率IC通过使用功率管理总线（PMBus）协议的系统管理总线（SMBus）彼此通信，使用支持SMBus和PMBus的设备进行功率转换提供了传统模拟电源系统无法实现的灵活性和控制。通过基于PMBus协议的I²C通信总线，主机控制器能轻松管理输出电压的调整、功率排序和多个电压轨的同步。PMBus支持的数字电源模块IC使高效、紧凑和智能电源的设计变得简单。

 

 

有效缩短了产品的开发时间。新产品的设计可能随时都会发生变化，比如增加电源轨、电流或瞬态响应需要调整。对于数字电源而言，借助SMBus可轻松地将新的电源轨添加到电源管理系统中。

 

 

较低的运营成本，包括降低系统BOM成本，同时提高可靠性和产品寿命。有了数字电源，许多系统管理和电源控制功能可以用固件实现，节省了硬件成本。凭借更少的组件和全面的数字管理保护功能，系统产品可以享有更高的可靠性和更长的使用寿命。

 

当今许多电子系统的电源需求即使是领先的模拟电源也无法满足。数字电源具有很高的灵活性和适应性，效率高且成本相对较低，它解决了各种应用在电力方面的设计需求。

两种全数字电源设计方案

 

数字电源的发展并不是一成不变的，始终处于技术的快速演变中。数字电源的定义也会因电源转换供应商的不同而略有差异。有人说它仅是在模拟电源基础上增加了控制回路，具有数字接口，通过PMBus添加了数字电源功能；有人坚持认为数字电源是基于MCU或DSP解决方案的全数字控制回路。第一种情形因为模拟功率控制核心由数字管理电路封装，常常被称为数字封装解决方案。后者则被称为全数字解决方案，用户可能需要进行大量的软件编码。

 

这两种数字电源解决方案各有利弊。数字封装解决方案不需要编程来控制功率转换，但无法提供数字电源的全部好处，另外还需要补偿回路设计，这对不是电源设计专家的系统设计人员来说可能是一个挑战。全数字电源解决方案在闭环控制方案中具有高灵活性，但需要良好的控制算法和固件设计。此外，为了实现高系统精度，需要高分辨率的A/D电路和更快的时钟，一定程度上会增加电源部分的成本。

 

其实，设计电源或功率转换器的目标很简单，即：在输入电压或负载条件发生变化的情况下，以所需的电压值提供稳定、可调节的直流输出。一个全数字电源方案通常都会具备下面四个功能：

 

 

能发PWM波，并且具备保护关断功能；

 

能进行环路运算；

 

可实现快速ADC采样；

 

拥有常规的通信接口，如I²C、串口等。

 

除去这些基本功能，全数字电源设计还有DSP和MCU控制之分，这个又该如何选择呢？

 

开关电源的数字控制在当今工业中变得越来越普遍，对于全数字电源设计，通用MCU的基本外设包括PWM、模数转换器（ADC）、UART以及定时器等。相对DSP而言，它欠缺了高分辨率PWM（HRPWM）外设。然而，就是这个外设，它的作用却非比寻常。HRPWM 外设是独立于常规PWM模块之外的一个外设，也是对全数字电源精度影响极大的一个外设。

 

低成本、高性能的DSP控制器具有增强和集成的电力电子外围设备，如ADC和HRPWM，基于DSP的数字控制允许实现更多功能的控制方案、多平台的标准控制硬件设计以及快速修改设计以满足特定客户需求的灵活性。由于DSP不太容易受到老化和环境变化的影响，并且具有更好的抗噪声性。因此，对电源精度有较高要求的能量转换与存储等应用，DSP方案可能是更优的选择。

 

TI的TMS320F280x是32位DSP，处理速度高达100MHz，有增强的外围设备，如HRPWM模块、转换速度高达160ns的12位A/D转换器、32x32位乘法器、32位定时器和实时代码调试能力等，为电源设计人员提供了数字控制的所有好处，并允许实现高带宽，高频电源而不牺牲性能。

 

DSP的额外计算能力还允许实现复杂的非线性控制算法，将多个转换器控制集成到同一处理器中，优化总系统成本。在基于TMS320F280x的数字控制DC-DC开关电源的设计中，图1显示了需要单信号测量来实现DC-DC转换器的电压模式控制。

 

其瞬时输出电压V_out由电压感测电路感测和调节，然后经由ADC通道输入到DSP。电压环路控制器Gc被设计为使输出电压V_out跟踪参考V_ref，同时实现期望的动态性能。

 

该控制器的数字化输出U为降压调节器开关Q1提供占空比命令。该命令输出用于计算片上PWM模块中定时器比较寄存器的适当值。PWM模块使用该值来生成PWM输出（当前情况为PWM1），PWM1输出最终驱动降压转换器开关Q1。

 

图1：基于TMS320F280x 的数字控制DC-DC转换器解决方案简化框图（图源：Texas Instruments）

 

在基于MCU控制的全数字电源设计中，STMicroelectronics的STM32数字电源（D-Power）产品组合包括STM32产品系列的多个产品线，涵盖了从入门级到高性能，包括带有嵌入式高分辨率定时器（HRTimer）的STM32F3、STM32G4 和 STM32H7 MCU。

 

该计时器作为一种功能强大且灵活的脉冲宽度调制（PWM）发生器，可提供高达184ps的分辨率。当STM32F3、STM32G4和STM32H7 MCU包含模拟组件时，其产品编号变成STM32F334、STM32G474和STM32H743。

 

STM32 D-Power 生态系统还为数字电源领域从初学者到专家级开发人员提供了开发上的便利，比如B-G474E-DPOW1 探索套件就是一个完整的数字电源解决方案，并且是一种基于STM32G474RET6 MCU的完整演示与开发平台，它充分利用了HRTimer的性能，帮助设计人员以数字电源为原型应用，快速实现降压-升压转换。

图2：B-G474E-DPOW1 探索套件

（图源：STMicroelectronics）

 

随着MCU技术的进步，HRPWM外设并非DSP独有。NXP的数字信号控制器（DSC）在一个芯片中集成了微控制器（MCU）的功能和强大的数字信号处理（DSP）的功能，适用于从通用嵌入式市场到电机控制和功率变换等各种应用。

 

在数字电源领域，NXP近年来推出的全新DSC产品，针对新的数字电源应用集成了高性能的CPU内核的智能控制外设，如皮秒级精度的eFlexPWM、高速且触发灵活的ADC、带同步斜坡生成的DAC、高速可靠的比较器、多模式内置运放OPAMP，以及灵活配置的XBAR和事件触发发生器。这些外设的灵活组合使得DSC能够针对不同的开关模式电源（SMPS）拓扑结构，实现不同的控制功能和高效率的设计。

 

MC56F8xx 32位DSP是NXP新一代入门级DSC产品，基于高性能56800EX DSP内核，频率高达100MHz，它还是NXP第一款集成数字签名算法安全子系统（DSASS）和高速低功耗运算放大器的DSC产品。

 

此外，MC56F81xxx系列对MC56F82xxx系列进行了许多功能增强，包括增强的DMA功能（eDMA），可配置逻辑事件发生器（EVTG），双1.6MSps 12位ADC和完全PMBus支持，为功率转换应用提供了极具成本效益的解决方案。

 

图3：MC56F81xxx系列系统框图

（图源：NXP）

 

 

结语

 

数字电源转换市场约占电源转换市场的50%。这一市场的增长主要归因于工业、通信、计算和汽车电子产品的各种数字电源系统中越来越多地采用AC/DC电源转换、隔离电源转换、DC/DC功率转换、DC/AC功率转换、功率调节、有源功率滤波等。

176.06亿美元

2022年

383.40亿美元

2029年

 

未来几年，数字电源转换市场的需求预计将大幅增长，Future Market Insights（FMI）的分析认为，数字电源转换市场将从2022年的176.06亿美元增长到2029年的383.40亿美元，2022-2029年期间的复合年增长率达到11.8%。而中国将成为数字电源转换市场中表现非常突出的市场，预计中国将在2022-2029年间在数字电源转换市场的复合年增长率将高达14.1%。

 

如果说几年前数字电源还是一个概念，那么，如今的数字电源技术在数据中心等电力密集型应用中已获广泛应用。通过使用数字电源模块，系统设计者可以为更多系统功能节省PCB空间，减少产品开发时间，降低研发成本，并快速将新产品推向市场。通过数字控制和高可靠性，可以优化系统运行，以实现低功耗和更长的使用寿命。

 

全数字电源解决方案主要借助通用MCU或DSP实现，然而，MCU和DSP并不是专门为电源设计的产品，通常需要过多的编码和固件设计时间，这使得全数字电源解决方案的设计变得困难。这一过程对有着数年设计经验的模拟电源工程师而言存在着非常大的挑战。为此，各数字电源方案的供应商在提供产品的同时，基本都会同步提供配套的开发工具或开发板，使得这一困境得到了极大的缓解，进一步推动了数字电源方案的普及应用。

 

尽管如此，我们还必须认清一个事实，那就是模拟电源仍将存在一段时间并占据较大的市场份额，与当今市场上的数字电源和谐共处。