2019年01月31日 | 数字电源的理解误区有哪些？

作者：
Fionn Sheerin——模拟电源和接口产品部的资深产品营销工程师
Keith Curtis——MCU8部门的主管级技术工程师
Tom Spohrer——MCU16部门的产品营销经理
Terry Cleveland——模拟电源和接口产品部经理

数十年来，模拟电源转换器一直是行业中的主流电子器件，数字电源则是许多设计人员相对陌生的产品。公众对于此类产品的评价见仁见智，有人称其为电源转换技术的新一代产物，也有人将其视作难以普及的奢侈品。现实情况是，数字电源转换技术可实现诸多新功能，极具系统优势，充分满足不同的设计需求。如果找到妥善合理的使用方式，数字电源能够发挥巨大作用，数字技术将使我们受益。为此，我们研究了常见的理解误区，希望帮助用户了解利用数字技术实现电源转换的正确方法，深度剖析挑战与优势。

误区1：开关电源只能是单纯的模拟电源或数字电源，不可并存。

开关电源转换系统本身就是一种混合信号系统。脉宽调制（PWM）信号是数字信号，反馈信号则属于模拟信号。A/D转换是连接这两种节点的桥梁，转换时序精密准确。这种转换可能发生在基于放大器的控制网络判定开关时机后，也可能发生在反馈信号允许数字算法决定何时进行开关时。模拟控制芯片正在逐步应用提供外部控制功能的数字接口，而数字单片机也在将实现电源控制功能的模拟组件纳入其中，这种情况比过去更为普遍（见图1）。虽然电源中一直可以应用单片机，但单片机对于系统运行的影响力远高于以往。或者说，整个控制环均可通过数字信号控制器实现。无论怎样，电源设计的灵活性与可调节性都会得到提升，能够更加敏锐地响应环境条件或外部输入。无论控制环自身在数字域还是模拟域中实现，都可以增加这些功能。如今，开关电源内置众多数字逻辑器件，充分满足应用需求。

误区2：数字功能需要数字控制环

控制方法只是电源转换系统的一项功能。所有模拟系统中均可使用单片机，从而提升监控或管理能力，针对电源的监控或管理同样涵盖其中。根据历史经验，专用模拟控制器件的动态可配置性非常有限，单片机对模拟控制环的影响因此受限。然而，与上一代器件相比，新型模拟控制器件普遍采用数字接口，配置与编程能力更加优异。同理，带有单片机的集成电源转换器产品应运而生，动态配置达到新的维度。利用智能组件选取数字通信接口，休眠模式、频移、同步、软启动、智能故障保护或输出电压/电流变化全部可以在同一电源转换系统中以智能方式实现，该系统可加入模拟或数字控制环中。

误区3：数字电源的稳健性不如模拟电源

稳健性（Robustness）是一项复杂的系统功能，模拟或数字电源的稳健性可通过诸多措施得到提升。根据具体实施情况，模拟电源中欠压和过压比较器的反应更加迅速，提升了针对硬件故障的响应速度，真正实现逐周期限流。在数控电源中，更加先进的数控芯片采用专用模拟结构，上述方案同样可以实现。数字控制器可以使用模拟限流比较器。此外，具备数字功能的电源（包括使用模拟控制环的电源）独具诸多优势，但这些优势难以在真正的全模拟解决方案中得到体现。数字程序代码可提供定制的故障或欠压响应，包括定制软启动、软关断、涓流充电、超时和重试方法，这些都是难以（或无法）通过模拟控制器实现的功能。数字控制环或集成片上反馈网络可弱化对于外部无源组件的依赖性，后者通常随着时间推移发生变化或性能下降。最后，数字接口可提供诊断和报告信息，用于识别未来可能出现的问题，避免硬件系统运行中断。加入这些功能后，可以创造出比简单的专用模拟解决方案更为稳健的系统。无论具体实施情况如何，所有电源均需要谨慎测试，确保产品拥有长久的使用寿命。然而，目前对数字电源系统并没有一个基本的可靠性限制标准，导致其性能看起来不及模拟电源系统。

误区3：数字电源更加昂贵

设计人员可能认为数控电源比模拟电源更加昂贵，但事实并非总是如此。如果在设计中使用精度稍逊一筹，但价格相对低廉的组件，数字电源的制造成本并不高昂。数字电源所需的组件数量较少，在有效降低成本的同时，还能缩减解决方案的尺寸。数字电源还能够削减总体拥有成本。在负载条件变化的应用中，设计人员可以实施非线性和自适应算法，使电源达到最高效率，不受工作条件影响。数字电源运行成本较低的另一项原因是，它可以解决组件在电源生命周期内的老化问题。如需实施预防性维护，则会通知用户，避免出现灾难性的组件故障（以及损失惨重的意外停机事故）。

误区4：数字电源能效更高

数控电源可提升负载条件变化范围较大的应用的能效。它们可利用自适应算法，甚至采用切相等技术修改系统拓扑，以响应工作条件的变化。数控电源可以使用非线性算法和预测算法改进瞬态动态响应。从特定设计角度而言，模拟电源的能效可能与数字电源毫无差别，但模拟电源的挑战是，如果负载电流等条件偏离最优工作参数，如何实现能效最大化。另一方面，使用数字控制器的电源能效高于需要使用模拟控制器的电源。数字控制器一般更适合功率较高的应用，因为数字技术支持更全面的控制算法，进一步降低能耗，无疑可以抵消高功率应用中控制器的能耗开销。

误区5：数字控制器的延时对瞬态响应产生不利影响

数字补偿系统主要面临两大延时问题：采样效应和计算时间。

对于所有电源转换，交叉频率（瞬态响应）始终需要为相位裕度（稳定性）做出一定让步。数字系统基本与之类似，但对数控系统进行采样。定期采样（每周期一次）在传递函数中增加了一个相移。数字系统需要更低的交叉频率才能实现相同的相位裕度，因此这个相移难以补偿（如果使用同一补偿方法）。此外，处理器需要在一个开关周期内执行ADC读取和差值计算，否则计算时间中将额外产生延迟时段。

这些不利因素可通过先进的非线性控制方法和前馈技术以及在模拟控制系统中难以（或无法）实施的算法得到解决。缺点是针对处理性能的要求比较苛刻，需要找到平衡处理速度、开关频率、算法复杂度和瞬态响应的折衷方案。这些都是设计上的需求，并不代表采用数字控制必定会导致瞬态响应变差。

误区6：无负载电流会导致问题

开关电源通常以连续导通或非连续导通模式工作。在非连续导通工作模式下，电感电流在每个PWM周期结束时降为零。在连续导通工作模式下，电感中可保持持续的电流。连续导通的优点是，电感电流不必在每个PWM脉冲中从零斜升，可为每个PWM周期提供更高的电流。然而，为了保持稳定性，误差放大器/环路滤波器必须拥有合适的极点和零点组合。很遗憾，如果连续导通设计中的电流回落为零，控制环的稳定性就会受到影响。

为了应对这一问题，先前的设计中通常规定一个最低电流，或在输出电路中加入一个负载电阻（强制连续导通，FCC）来保证最低电流。令人欣慰的是，同时处理连续和非连续工作模式（PWM和PFM）的电源控制器已经问世，其可通过监控电路确定模式切换的正确时机。因此，尽管模式切换曾是电源控制器设计的阻碍，但自动处理模式切换的新型控制器有效解决了这一问题，这种阻碍终究只是技术发展中的小插曲。

误区7：数字电源设计困难

数控电源的设计难度不一定高于模拟电源，二者只是存在差别。这两种电源的功率传输系统设计非常相似。控制环或补偿器设计在数字控制器固件中实现，而非模拟电路。器件的极点和零点位置可用于定义补偿器特性（与模拟电源设计相同），但如果是数字补偿器，通常使用软件工具配置控制环的最优响应。例如，Microchip的dsPIC®数字信号控制器系列产品使用高度优化的软件库，其中包括常见的2P2Z（II型）和3P3Z（III型）补偿器算法，用户可访问Microchip网站免费下载。设计人员无需亲自编写软件来实现这些功能。此外，根据通过设计工具导出的系数，可针对特定功率传输系统调整这些算法。

误区8：数字电源设计比模拟电源设计容易 [因为前者只是软件]

数字电源使用软件控制算法，但这无法显著简化设计。设计人员仍需全面了解控制系统，然后将功率传输系统的频率响应设计为能够正确配置所用的基于软件的补偿器。另一方面，与调整所需硬件来改变电源相比，使用软件调整电源运行以微调相关结果更加容易。

误区9：只需使用DSP，数字电源即可替代一切：

虽然许多权威人士推崇数字电源，将其视为解决所有问题的“灵丹妙药”，但其应用确实存在局限性。  例如，将所有处理能力集中到手掌大小的MP3播放器中，使用内置的锂离子电池供电，目的只是提升电源电压，这种做法毫无意义。另一方面，白金级服务器电源需要利用数字电源转换器的功能，有效提供所需的电源输出，快速响应负载变化。

例如，手机信号塔在发射器开启时电流消耗极大，但其耗电量在发射器关闭后显著下降。发射器的控制器控制发射器的开启时机，进而对电源转换器发出报警，调节平均电流的上升情况。因此，当发射器接通时，电流已经存在。此举可避免在发射器接通后，环路滤波器响应过程中产生压降。这是数字电源一项强大的功能，也从侧面证明了设计的复杂性有所增加。

另一方面，电源需求相对恒定的系统可以使用设计相对简单、复杂性更低并且更加节约成本的模拟系统。毕竟考虑到成本因素与设计简易性，基于ASIC的稳压器仍是用户首选，地位难以撼动。

误区10：软件定义电源将唱主角

根据数年前的预测结果，软件无线电（SDR）将替代原有产品，逐渐成为无线接收器的主流设计方案。虽然具备诸多优势，但SDR一项主要缺陷严重限制了它的应用，即需要使用10到100 MIPS的处理器接收频率。即使系统利用模拟混频器将射频（RF）信号转换为频率较低的中频（IF）信号，也依然需要达到10到100 MIPs。除了处理解调，处理器对其他问题束手无策。显而易见，该方案的性价比毫无优势。目前，软件定义电源（SDP）将成为行业主流产品的论断并不科学。线性稳压器的简易程度与价格的确优于其他任何产品。但是，即便能够以同等价格购买MIPS指标满足要求的处理器，仍需使用5V线性稳压器引导电源，以便处理器启动。尽管SDP在电源领域具有一定地位，但实际只达到了“物尽其用”，提供相关功能而已。无论过去还是未来，SDP都不会成为电源转换的通用解决方案。

结论

我们通常很难区分无意义的营销资讯与精准的分析数据，不断变化的市场形势（例如当今的电源市场）更是增加了甄别信息的难度。技术变革的倡导者对新兴技术带来的优势不吝赞美之词，但经常忽视将会面临的挑战。相反，思维保守的人只关注技术难关，辩解说“切莫大费周章，弄巧成拙”。当然，我们不会迈向任何一个极端。我们通常以折衷的思维进行设计和工作，挖掘新技术的优势，保留原有技术的精华，积极探索正确的技术组合，迎合当前设计需求。正因如此，Microchip提供广泛的电源解决方案组合，涵盖数字电源与传统模拟电源。  技术领域没有绝对的优劣之分，探索博采众长的解决方案才是理想的发展之路。我们希望竭诚为用户服务，满足所有电源需求。