隨著元器件和軟件控制的成本越來越低，數字電源成為一種常用解決方案，用于在極為復雜的設計中解決控制多個電壓的難題。 但是，數字電源也面臨著自身的挑戰(zhàn)，特別是將其添加到現有設計中時。 此外，數字控制增加了對固件開發(fā)的需求，模擬電路設計人員過去通常不愿意進行這種開發(fā)。

本文將簡要概述數字電源控制的優(yōu)勢，然后定義兩種數字控制方法。 第一種是“數字包封”方法，它仍然依賴于模擬穩(wěn)壓器。 第二種是全數字設計解決方案。 接下來，本文還將介紹如何充分利用最新數字電源 IC 功能來設計穩(wěn)定的電源，提供更快的瞬態(tài)響應時間、更大的帶寬和更出色的整體性能。

模擬技術的使用效果很好：為什么要采用數字技術?

模擬技術長期主宰著開關式 DC/DC 轉換器(穩(wěn)壓器)設計領域，因為它們相對簡單，而且實現成本很低。 但是，模擬設計也有其缺陷，其中一個明顯問題就是控制回路補償非常復雜。

數字設計提供了替代方法，特別是在支持數字電源所需的元器件在價格、尺寸和功耗方面均有所降低的情況下。 數字元器件讓設計人員能夠對電路控制進行微調，從而增強瞬態(tài)響應，最大程度地提高能效。

實際上，問題可能更加復雜，特別是一家芯片供應商對“數字電源”的定義可能與其他供應商有所不同。 有些供應商將該技術定義為帶有數字接口的電源解決方案，它可充分利用電源管理總線 (PMBus) 協議提供的功能，并配合使用“數字包封”解決方案中的模擬控制回路; 而有些公司則堅持認為數字電源是采用微處理器或數字信號處理器 (DSP) 的全數字控制回路。

這兩種技術都有各自的缺陷：如果使用數字包封技術，您將仍然面臨控制回路補償的難題，這一難題或許正是您一開始想要解決的;而如果使用全數字解決方案，設計人員可能需要進行大量編碼工作，才能讓數字電源系統投入運行。 不過，新一代數字電源控制器和模塊有望同時解決數字包封和全數字解決方案各自的難題。

添加數字包封

為現有模擬拓撲添加數字電源可以帶來諸多優(yōu)勢。 其中一大優(yōu)勢就是可以通過系統管理總線 (SMBus) 使用 PMBus 協議簡化雙向通信。

PMBus 是使用數字通信總線與電源轉換系統進行通信的標準協議。 PMBus 基于 SMBus 開發(fā)，SMBus 設計用于低帶寬設備通信，PMBus 則用于電源、元器件、電源相關芯片(例如可充電電池子系統)的數字化管理。

SMBus 本身也是基于內部集成電路 (I²C)、串行、單端計算機總線的，最初由 Philips 設計，用于將低速外圍設備連接到主板或其它嵌入式系統。 由于這種基礎，PMBus 是一種相對低速的雙線通信協議。 但是，與 SMBus 和 I²C 不同，PMBus 定義了大量的域特定命令，而不僅是詳細規(guī)定如何使用由用戶定義的命令進行通信。

2005 年 3 月，PMBus 規(guī)范 1.0 版發(fā)布。 隨后又發(fā)布了經過修訂的 1.3 版。 該版本減少了使用高速通信的延遲，還添加了專用的自適應電壓調節(jié) (AVS) 總線，用于對處理器電壓進行靜態(tài)和動態(tài)控制。 該標準由系統管理接口論壇 (SM-IF) 所有，可以免費使用。

使用支持 PMBus 的器件進行電源轉換，可提供傳統模擬電源系統無法實現的靈活性和控制能力。 在設計中采用數字電源，我們可以通過使用 PMBus 協議的主控制器，輕松管理輸出電壓的調節(jié)、電源定序、多電壓軌的同步(圖 1)。

圖 1：通過使用 PMBus 協議的 SMBus 進行雙向通信，可實現對多個電源器件的配置、控制和監(jiān)視。 (：Intersil)

此外，通過使用 SMBus 和 PMBus，我們可以輕松為電源管理系統添加新的電壓軌。 既無需重新編程，也不必添加更多獨立電源管理 IC，電壓軌的添加非常方便，而且可以輕松集成到監(jiān)控、定序、裕量和故障檢測方案中。

市面上有很多可通過數字方式配置和控制的開關穩(wěn)壓器。 例如，Microchip 的 MIC24045 就是一款可進行數字編程的 5 A 同步降壓 (“buck”) 穩(wěn)壓器，輸入范圍為 4.5 V 至 19 V，適用于多電壓軌應用。 各種參數可通過 I2C 進行編程，例如輸出電壓、開關頻率、軟啟動斜率、裕量、限流值和啟動延遲。 此外，MIC24045 還可通過 I2C 接口提供診斷和狀態(tài)信息。

雖然 SMBus 和 PMBus 為適當連接的模擬電源提供了數字配置、控制和監(jiān)控方面的便利性和靈活性，但這種數字包封解決方案缺少全數字控制，因而無法實現該方法的全部優(yōu)勢。 連接到總線的每個模擬器件根據其自身的控制回路工作，回路決定了器件的穩(wěn)定性和頻率響應，進而決定其他某些因素，例如電源能夠以多快速度對負載的快速變化做出響應。 (請參閱資料庫文章《了解開關穩(wěn)壓器控制回路響應》。)

設計人員經常需要修改模擬電源的控制回路，通過添加補償網絡，改進穩(wěn)定性和頻率響應。 這項工作會讓很多缺乏經驗的電源設計人員望而生畏。 但是，我們可以通過轉而使用全數字解決方案，來避免這項工作。

最大限度地發(fā)揮全數字電源的優(yōu)勢

全數字解決方案的實現不僅要使用由 SMBus 和 PMBus 協議實現的數字配置、控制和監(jiān)視功能，還要為連接到總線的各個穩(wěn)壓器實現數字控制回路。

數字控制的原理非常簡單。 在模擬穩(wěn)壓器中，控制回路的基本工作方式就是比較實際輸出電壓與所需輸出電壓之間的誤差。 而在數字穩(wěn)壓器中，模數轉換器 (ADC) 可將誤差電壓轉換為數字值。 此轉換的精度取決于 ADC 的分辨率，但即便分辨率不太高，其結果也很可能比模擬比較器的測量結果更加精確。 ADC 的分辨率越高，穩(wěn)壓器的控制就越好。

除了 ADC 之外，還使用比例積分微分 (PID) 處理器來替代模擬器件的補償器網絡。 PID 處理器是在很多閉環(huán)控制流程中使用的智能器件。 PID 處理器通過持續(xù)調節(jié)穩(wěn)壓器的數字脈寬調制器 (PWM) 芯片產生的脈沖串的占空比，使用數字誤差電壓讀數來校正穩(wěn)壓器的輸出。 PID 處理器必須承擔補償控制回路周圍的增益和相移因素的任務，正如補償器網絡在模擬器件中所做的那樣。

與模擬 PWM 相同，數字 PWM 也會產生可變寬度驅動脈沖，但其方法是先“計算”形成方波輸出信號的開關周期的預期持續(xù)時間，然后再按此時間進行“定時”。 相反，模擬 PWM 的工作方式是在時鐘轉換時觸發(fā)開啟，當固定電壓“斜坡”達到預設的跳閘電壓時觸發(fā)關閉。

與模擬穩(wěn)壓器相比，數字穩(wěn)壓器由于基準電壓精度高，且到比例積分微分 (PID) 處理器的 ADC 輸出更新頻率快，因此會顯著增強輸出電壓的穩(wěn)定性和精確度。 圖 2 對等效模擬開關穩(wěn)壓器和數字穩(wěn)壓器的框圖進行了比較。

(有關數字電源控制的更詳細說明，請參閱資料庫文章《DC/DC 穩(wěn)壓數字控制的興起》。)

圖 2：模擬開關穩(wěn)壓器(頂部)通常需要設計繁瑣的補償器網絡，以確保器件保持穩(wěn)定，同時提供良好的帶寬、相位裕量和增益裕量。 在數字穩(wěn)壓器(底部)中，這項工作則由 PID 處理器完成。