傳統(tǒng)開關(guān)電源（Switch Mode Power Supply,SMPS）控制通常使用純模擬技術(shù)。低成本和高性能數(shù)字信號控制器（Digital Signal Controller, DSC）的出現(xiàn)開啟了開關(guān)電源控制的全新境界，并且標(biāo)志著電源產(chǎn)業(yè)正朝著數(shù)字革命的方向發(fā)展。

本白皮書強調(diào)，當(dāng)前是電源應(yīng)用采用數(shù)字技術(shù)、實現(xiàn)數(shù)字電源的最佳時機。Microchip 提供的AC-DC 參考設(shè)計就是展示數(shù)字控制技術(shù)優(yōu)點的極佳實例。

本白皮書通過在以下幾個方面將數(shù)字電源與模擬電源進行定量比較以指出數(shù)字電源的優(yōu)勢所在：

●比較模擬電源與數(shù)字電源的物料成本

●控制先進拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能力和數(shù)字控制的靈活性

●在同樣成本條件下，數(shù)字電源實現(xiàn)的附加價值數(shù)字電源節(jié)省成本。

圖1 為兩級模擬AC-DC 電源的高階原理框圖。

圖 1: 兩級模擬AC-DC 電源

圖2 顯示了數(shù)字AC-DC 電源的高階框圖。

圖 2: 數(shù)字AC-DC 電源

模擬電源的主要組成包括：

●功率鏈：半導(dǎo)體開關(guān)、電感、電容和功率變壓器

●驅(qū)動電路：柵極驅(qū)動以及支持電路

●反饋電路：傳感器、放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)

●控制器：每個功率級專用控制器

●后臺管理電路：用于順序控制、監(jiān)控和通信的專用單片機以及支持電路

為便于比較，考慮選擇一個兩級式電源。前端轉(zhuǎn)換器采用升壓功率因數(shù)校正（Power Factor Correction,PFC）電路，而第二級是DC-DC 相移式全橋轉(zhuǎn)換器。

模擬電源與數(shù)字電源的功率鏈部分、驅(qū)動電路和反饋電路保持一致。圖2 分別展示了上述例子中所描述的數(shù)字電源。對于數(shù)字控制電源，專用模擬控制器和后臺管理電路可合并采用一片dsPIC?DSC 來實現(xiàn)。

圖1和圖2僅從較高層次展示了兩者的主要差別；然而，在進行對比時所有支持電路也需包括在內(nèi)。圖3 所示為每個模擬級中的支持電路，而圖4 則為數(shù)字系統(tǒng)中的支持電路。注意模擬控制器所需要的額外連接（在圖3 和圖4 中用箭頭標(biāo)出）。

圖 3: 模擬級電路

圖 4: 數(shù)字級電路

除了主要的組件，還需將支持電路成本、布線復(fù)雜程度、以及模擬數(shù)字電源PCB 板尺寸這些因素考慮在內(nèi)。

表1 將300W 模擬電源與數(shù)字電源的物料清單進行了比較，著重說明了前面所述的差別。比較中所用到的價位是直接從廠家的網(wǎng)站上獲得的。

表 1： 300W 模擬與數(shù)字電源物料價格比較

表1 中所列出的物料清單比較清楚地說明了數(shù)字電源與模擬電源方案相比所節(jié)約的成本。

有些人可能會認(rèn)為數(shù)字電源需要使用專用的MOSFET柵極驅(qū)動器，而模擬解決方案則可提供片上柵極驅(qū)動器。不過，這一點僅適用于低功率模擬設(shè)計，對于大多數(shù)高功率模擬設(shè)計來說，仍然需要使用外部柵極驅(qū)動器。

無論在PFC 級中使用或者未使用外部MOSFET 柵極驅(qū)動器，表1 中列出了不同模擬電源的所有BOM 成本。

顯而易見，數(shù)字電源在總BOM成本方面具有顯著優(yōu)勢。

數(shù)字電源還有許多其他潛在的低成本優(yōu)勢。例如，采用數(shù)字化控制方案的另一個優(yōu)點就是減少元件數(shù)量。這可以使布線更簡單，PCB 板的尺寸更小，進而減少了PCB板的加工和組裝成本，同時提高了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

這些額外的成本節(jié)省更強調(diào)了選擇電源數(shù)字化控制方案的好處。

高級特性

效率優(yōu)化

對于任何電源設(shè)計人員，兩個最重要的考量方面就是總成本和系統(tǒng)性能。與模擬電源相比，數(shù)字電源的成本優(yōu)勢在之前的章節(jié)中已經(jīng)進行了分析，我們現(xiàn)在將針對數(shù)字電源具有更高效率這一優(yōu)點進行探討。

任何電源設(shè)計都是按照其可能的最大效率來實現(xiàn)的。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展及新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，電源效率達到了更高的水平。之前已經(jīng)提到，在某些運行條件下（半載或者較高的線電壓情況時），效率的確或多或少實現(xiàn)了最大化。

數(shù)字電源增強了系統(tǒng)的通用性，可對多個運行點的效率進行優(yōu)化。

對于PFC升壓轉(zhuǎn)換器，輕載時可通過降低轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率來減小開關(guān)損耗。由于是輕載，磁場仍可以應(yīng)對較低的開關(guān)頻率。如果實現(xiàn)的是一個交錯式PFC 轉(zhuǎn)換器，輕載時可以通過關(guān)斷其中一相來進一步減小功耗。

類似地，對于一個相移式全橋變換器，可以在輕載時關(guān)斷同步MOSFET,而使用內(nèi)部集成續(xù)流二極管，這樣可消除額外的開關(guān)損耗。

另一個實例是降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。對于高電流輸出的場合，同步降壓轉(zhuǎn)換器通常是首選。但是，使用同步MOSFET會在輕載時引起環(huán)流，這反過來會引起更高的損耗。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)換器運行在不連續(xù)電流模式時，降壓轉(zhuǎn)換器的同步/ 續(xù)流MOSFET 就會被禁止。

上述介紹的技術(shù)可通過選擇先進的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如諧振和準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器）來提高效率。數(shù)字控制完全支持這些先進的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括相移全橋和LLC 諧振轉(zhuǎn)換器，從而獲得高效率和高功率密度?？傊瑪?shù)字控制提供很多選擇，可在整個運行范圍內(nèi)對電源效率進行優(yōu)化。

電源管理

在電源管理領(lǐng)域中，與模擬電源相比，數(shù)字電源提供了前所未有的優(yōu)勢。在一個典型模擬電源中，通常使用圖5 中所述的后臺單片機來完成其電源管理。

圖 5: 不同電源類型在電源管理方面的差異

這個后臺單片機將本地系統(tǒng)參數(shù)發(fā)送到主控制器或者數(shù)據(jù)記錄器中。但這個單片機如何獲取數(shù)據(jù)呢？必須用檢測電路收集所需數(shù)據(jù)，并將其進行發(fā)送。在某些情況下，遠(yuǎn)程系統(tǒng)也可能對本地電源轉(zhuǎn)換器發(fā)出指令。這個配置要求增加后臺單片機和功率轉(zhuǎn)換電路之間的硬件接口，從而增加了系統(tǒng)的成本。

相反地，數(shù)字電源不需要額外電路，因為所有系統(tǒng)參數(shù)已經(jīng)由DSC 測量出來。這些參數(shù)存儲在DSC 的存儲器中，并且通過片上通信外設(shè)發(fā)送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)，例如SPI、I2C?、UART或者CAN.任何對該系統(tǒng)操作的修改都無需額外的外部硬件而可由簡單的軟件來完成。#p#分頁標(biāo)題#e#

數(shù)字電源消除了冗余電路從而減少了系統(tǒng)總成本。例如，對于一個兩級AC-DC 電源，第一級將對其閉環(huán)控制運行的輸出電壓進行測量。由于這一輸出電壓也是第二級的輸入，因此該數(shù)據(jù)也被第二級用作前饋控制或者輸入過壓/ 欠壓保護。

單獨一個DSC消除了相同參數(shù)的重復(fù)測量，并可從內(nèi)部提供不同控制或保護特性的所有選項。DSC也有助于系統(tǒng)對故障狀態(tài)作出比分立模擬控制器更快速、更高效的反應(yīng)。例如，在一個兩級AC-DC 模擬電源中，如果故障出現(xiàn)在下級轉(zhuǎn)換器中，除非這個故障狀況已經(jīng)被傳送給PFC 控制器，否則前端PFC 升壓轉(zhuǎn)換器將無法識別這個故障。而數(shù)字控制器能檢測到整個系統(tǒng)的故障狀態(tài)，無論故障發(fā)生在何處，幾乎都能在瞬間作出反應(yīng)。