数字电源管理系统的特点及实际应用分析

过去的几年里，半导体和电源供货商花了很大力气，通过大量市场上发布的关于数字技术文献，推广数字电源的概念，这也可以解释为什么我们在今天看到越来越多的复杂的电源系统。但很多最终用户都持观望的态度，主要是由于不同的电源厂家采用不同的实现方法和架构。目前来看，还没有一个明确的大范围采用数字技术设计的征兆，设计人员仍处于不明确的氛围。此外，各种各样的供应商对“数字电源”定义也不同，这也引起市场层面对这一概念的混淆。那么，什么是真正的数字电源，它又能带来什么直接的好处呢？

电源管理和电源控制的区别

电源控制和电源管理之间的区别，是关于数字电源讨论中的关键概念。爱立信使用“电源控制”术语来强调电源供应系统内部的控制功能，尤其是个体内部能量流的循环管理。这一定义包含了反馈回路和内部管理维持功能。功率控制功能在与电源供应的开关频率实时监控中起到作用。这种类型的控制功能可以由模拟或者数字技术实现，电源供应系统无论采用哪种方式，呈现给最终用户的表现是基本一致的。这就是说，数字电源的使用不要求最终用户做任何改变和新的设计。

相应的，“电源管理”是关于一个或多个电源供应系统之外的通讯和控制。

包括电源系统配置，单个电源供应系统的监控，以及故障监测信息传送等。电源管理功能不是实时的，它们在一定的时间范围内起作用，要慢于电源供应系统的开关频率。目前，这些功能都趋于将模拟和数字技术结合。例如，电阻器通常用于调整输出电压，而给每个电源供应系统的电源排序则需要专线控制。按照爱立信的定义，数字电源管理意味着这些功能全部使用数字技术。此外，简化互连方式应用在某些类型的数据通信母线结构，优于在每个电源供应系统之间使用多种定制的互连手段进行排序和侦错。

电源控制的实现技术

参见图1左面，脉宽调制芯片提供了典型的原边模拟控制回路。电源的输出电压由一个阻性分压器件采样后送入误差放大器与直流标准电压进行比较。误差放大器的输出是一个模拟信号，其幅度与电源输出电压所需要的校正大小成正比。这个信号反馈到脉宽调制芯片，产生一个相应脉宽的脉冲信号，用以控制功率半导体器件（一般为MOS管）的“导通时间”。因为MOS管的输入门电容较大，驱动电路便能有效地开关它们。一般使用一个固定的阻容网络来补偿控制回路，以确保电源动态响应和稳定度之间的合理平衡。

电源的另外两个主要部分就是输入输出的滤波网络。它们通常由电感、电容和电阻组成并提供多种功能。输入滤波部分保护电源不受输入电压跳变的影响，在负载跳变时提供储能，同时和外部滤波电路一起使电源满足输入传导电磁兼容的要求。输出滤波部分使输出电压更平滑以满足纹波噪声的指标，同时也帮助电源储能以满足负载的动态电流要求。重要的是，无论是模拟或数字控制架构，输入和输出滤波电路以及功率器件在本质上会保留一致。

典型的数字电源控制系统的结构参见图1右面。输出电压的遥测与模拟系统相似。但是数字控制系统中使用模数转换器替代了模拟控制系统中的误差放大器，将采样得到的电压信号转换为一个二进制数。除了输出电压，知道其它模拟参数也很重要，例如输出电流和电源的温度。当然使用多个分开的模数转换器能够测量各个参数，但是一般使用一个前置多路复用器的模数转换器将会更经济。复用器会在各个测得的模拟参数之间切换并将其按序（并—》串）输入模数转换器。

由于多路复用器和模数转换器的采样速率是固定的，模数转换器为每一个参数输出一系列数字，每一系列数字是由一个已知的周期分开。这些数值提供给一个微处理器，为系统提供了工作流程。板子上的程序存储器存储了微处理器的控制运算法，用于执行一系列基于模数转换器输出值的计算。这些计算的结果是一些参数，例如误差信号，驱动极所需的脉宽，针对各种驱动输出优化的延迟值，以及环路补偿参数。模拟系统中外部环路补偿元件就不再需要了。生产过程中，参数的比较参考值，例如输出电压、输出电流、温度限定值存储在非易失性存储器里，或者在系统启动时可以下载到数据存储器中。

和模拟控制相比，数字控制在适应输入和负载条件变化方面更加灵活。通常，模拟的方法是为一个给定的控制参数配置一个折衷的设置，然而数字控制系统能够在转换器工作环境作用下改变控制参数。例如，在同步的负载点（POL）降压型的稳压器里，死区时间保证了上端和下端的场效应晶体管永远不会同时工作。模拟控制系统为了最恶劣的工作条件，采用了固定的定时网络去设置死区时间。但是对于典型的工作环境下，这个死区时间比需要的时间长，从而降低了转换器的效率。通过对比，一个数字控制环可以根据工作环境动态的变化死区时间，优化了POL整流器的效率。

同时，模拟系统中的反馈回路补偿是必要的，是环路稳定和动态响应性能的折衷。使用数字控制技术，能够建立非线性或者自适应的控制环路，从而补偿因数可以根据工作环境来改变。也就是说，电源或者负载点稳压器在需要时提高了响应速度，或者在某些情况下放慢了响应速度。这种方法还有其它好处，输出电容就减少了。对于给定的电压稳定度，输出电容的减少是必须的，因为它降低了成本和减小了元件占用的空间。数字控制可以允许工作在非连续模式，即，当电源在非常小的负载时跳过一些开关周期，而且没有动态负载特性变坏这样的常见问题。

数字电源管理

数字电源管理是指利用数字的方式从供电单元外部对于板上的电源进行监控。例如，控制多个电压的开启和关断顺序，用以满足系统的每个单元对于供电电压裕量的要求。这类数字控制对于在系统中正确运行DSP和FPGA等器件尤显重要，因为这类器件通常需要供给低压的核心电压和多种I/O电压。

今天的数字电源管理系统的架构通常由板级电源和其通过数字通信总线连接的中心控制器件等部分组成。板级电源可以是隔离的DC/DC模块或者是非隔离的POL DC/DC转换器。中心控制器件的形式亦可多样化，可以是专用的电源管理芯片、微控制器，或者利用FPGA中空闲的门阵列来实现控制功能。中心控制器件通常被叫做“主”单元，而受控的板级供电电源被定义成“从”单元。对于大多数的系统，“主”单元的控制范围通常为一个单板。在更大规模的系统中，“主”单元还可以会同位于系统其它地方更高级别的控制器件相互配合，甚至可以通过长距离的通信网络连接远程控制器件来实现对于电源系统的数字管理。图2是一个单板数字电源管理系统的示例。

应用实例

当单板需要更多种不同电压时，系统电源管理的复杂性和难度都会随之增加。就设计供电次序而言，就有几种因素需要考虑：上电的先后次序，上电的启动时间，延时，关机及错误情况下的保护操作等。数字电源控制将以往沿用的模拟控制及延时电路化繁为简。即使是自定义的启动模式，例如：先检查好电源模组#1的工作状态是否正常，然后才设定开启电源模组#2，都能够通过数字电源控制轻易地做到。

输出电压调节是生产最终测试阶段中，用以判断电源是否可靠的测试方式，一般是采用输出电压的±5%范围内配以任何程序进行测试。然而采用了数字信号母线，即使在没有任何附加的硬件配备或连线下，仍可在一秒钟内完成测试。图3是时序及输出电压调节的例子。

数字电源管理是供电电源和系统设计过程中不可或缺的部分。例如在电源供应器生产的初步阶段时，通过自动测试系统（ATE）就可以设置参数：输出电压调校、过流保护点、过压保护点、过热保护点、载入生产日期及序号等等。在电源系统优化过程中，设计者可利用数字接口，由电脑去测量电源的零件温度、电压、输出电流，还可以用来设置保护电路的测量点，以及优化上电时序。

在组装、测试单板及系统的过程中，通过将数字电源接口连线至ATE，我们可以做出电压限度测试，监视调节各点电压，转换效率测试和记录产品序号和生产日期等等。设计者更可利用一个主控制器，就可以在省去额外电路的情况下设定一些较复杂的上电和关机程序，监视工作温度以调节风速，在实时的情况下监测电源的效率，在失效之前做出应变。类似的监控电源可以应用于系统内的各个部分。

最重要的是这个数字系统无须在电路板上专门设置主控制器或数字接口，也无须在生产过程中加入任何附件就可以使用。如果设定条件是已知的话，电源供应商可在生产过程中编好程序而无须改变任何硬件设定。客户即可将这些数字控制的电源当作传统模拟控制的电源来使用。

基于以上各种优点，爱立信公司认为数控电源是未来的发展方向，尤其是模块电源。因此，爱立信即将推出更多以数控电路设计的新产品。值得一提的是，基于电源是数控的关系，客户将可以‘免费’享受数字电路带来的好处。

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