最近，營銷部門一直在大肆吹噓已在學術界徘徊了幾十年的數字電源，他們沒有惡意，只是熱情過度(圖1)。現在，其中的一些夸張之詞已經消逝，是時候討論一下數字電源適合什么，其工作原理，缺點，以及它的折衷(參考文獻1)。不過，盡管它有缺點，各家公司仍然開發和部署了一些器件，它們在不涉及折衷的情況下，充分利用了數字控制回路的好處。

圖1，數字電源最終達到了平穩量產的階段(Gartner集團提供)。

芯片公司對數字電源的定義是五花八門。有些公司認為，數字電源包含了圍繞一個模擬PWM(脈沖寬度調制)回路的數字功能與通信鏈接。其它公司稱，數字電源是一種內置數字PWM芯片的狀態機。還有一些公司表示，數字電源包括了一個通用DSP，DSP運行著一個閉合控制回路的算法。而過去

十年來學術意義上的真正數字電源，則擁有一個數字PWM回路，并帶有一個狀態機或一只DSP。一只模擬PWM器件上加上一個串行總線并不能成為數字電源。不過，數字電源可以免除或消除對某些元件的要求，從而可以降低成本。

你可以為一只DSP加一個FET驅動芯片和一些代碼，以控制渦輪風機的扇葉角度和變頻器，基本上這就是簡單的數字電源了。例如，德州儀器公司十多年前就開始為其DSP提供電源庫。該公司現在生產多個系列基于DSP的電源芯片(圖2)。CamSemi公司嘗試減少器件數，提供5W C2161PX2 ac/dc控制器，它采用反饋變壓器上的一個檢測繞組，而不是昂貴的光耦(參考文獻2與圖3)。數字電源不用二極管來檢測反饋波形，當檢測繞組的反饋信號為負值，以及不表示次級的輸出電壓時，就消除這個信號。至于降低成本，Exar公司制造了16A的XRP7740數字電源芯片，可為機頂盒或數據服務器提供多個電源軌(圖4)。Exar公司擁有芯片方面的很多專利，包括將一小塊片芯區域用于一個實用的控制回路(參考文獻3)。這樣，Exar公司的芯片定價就能與模擬芯片競爭。

圖2，你可以編譯德州儀器公司任何DSP的數字電源庫，或用一只該公司專用芯片，做出數字電源系統。TI還制造采用狀態機的數字電源芯片。

圖3，CamSemi公司提供5W的開關電源控制芯片，它有一個替代線性電源的雙極晶體管。開關設計有更高的效率，使用銅線也較少，因此降低了成本。

圖4，Exar公司的XRP7740可在四個通道上提供16A輸出電流。聰明的IC設計使得芯片很小，因此該公司提供的芯片價格能與模擬方案相競爭。

數字電源還可以完成逐周期的回路補償。例如，Intersil公司的數字電源管理集團Zilker Labs最近就推出了ZL6105，它采用了一個狀態機來完成逐周期的自動補償工作(圖5)。另一個例子是，新興的Powervation公司用一個數字電源ASIC，完成電源的逐周期補償(圖6)。這種實時的回路補償是數字芯片較其模擬對手的主要優勢。這些數字電源控制器可以跟蹤由于老化和干涸所造成的電解電容降級問題。如果你將部件設計成一塊電源磚，則數字控制器可以檢測磚的輸入輸出電容，并在每個周期作補償。其它數字電源芯片可以做一次性的自補償周期，幫助創建數字補償濾波器的因數。

圖5，可以手動設定Zilker Labs公司ZL6105演示板的補償，但這樣做并非理想的方案 (a)。當你打開自動補償時，可改進設計的瞬態響應穩定性 (b)。

圖6，為提高輕載時的效率，Powervation公司的數字電源芯片可以去掉一個相。然后，即使在單一相位時，自動補償功能也能維持滿回路帶寬

當對一個系統作測試和驗證(以確定能在生命周期內正常工作)期間，數字電源還提供了在一個區間上余量可變的電源輸出電壓。例如，英飛凌公司旗下Primarion集團提供的PX7510就可通過PMBus(電源管理總線)完成余量設定和其它操作。思科系統公司DSSG(數據中心、交換以及服務集團)的技術領導Bob Thomas稱：“余量可以讓我們驗證當輸出電壓超出設定的極限時，系統的電氣性能與熱性能情況。”

數字電源的大話

有關數字電源的夸大言論可追溯到十年前有關模糊邏輯的爭論。有些人認為，模糊邏輯將取代對模擬控制的需求。不過，看似模糊邏輯只在某些應用中優于模擬方案，并且，即使在這些應用中，也可以用一個PID(比例/積分/微分)控制器完成幾乎所有功能(參考文獻4)。有些推銷者還聲稱，數字回路的電源可以做自適應補償，即具有在快速瞬態響應和低噪聲之間切換的能力。這個特性迫使你去測量噪聲與瞬態響應，然后必須決定何時在兩者間切換。Powervation公司已成功完成了這個工作，但它要花費大量的處理能力。

數字電源專家們還炫耀了“非線性”控制方案，但這些回路卻讓你無法在數字電源芯片上連接網絡分析儀。非線性數字回路并不提供有效的增益與相位響應。于是芯片公司轉而讓工程師們在時域中評估穩定性，聲稱他們應給回路施加一個瞬態條件，并確保振鈴會在一個可接受的時間量內消失。不過，有經驗的控制系統工程師們都不喜歡非線性控制，而喜歡采用熟悉的增益與相位方法。

有些公司稱數字電源芯片可以在一個多相電源中，保持各相位之間有更緊密的電流匹配。不過，與一個30%失配的模擬電源作比較是不切實際的，并且，沒有一個負責的工程師會把這樣一種設計送去量產。

有些芯片公司還聲稱數字電源的效率高于模擬電源，但這種說法并不可靠。一只芯片關閉多相控制器中各個相的能力可表示為一種效率收益。在輕載時，它可提供相當不錯的效率，不過這種能力并非源于數字PWM回路。任何模擬芯片都可以完成這個功能。開關電源中的主要損耗是磁、開關以及銅損耗，一只控制芯片無法影響這些損耗。凌特技術公司的模擬式LTM4609降-升壓轉換模塊可得到98%的效率，幾乎優于所有數字芯片。

還有一種有關效率的說法是，數字芯片可提供更好的死區時間控制。換句話說，它們可以驅動同步與功率FET，因此沒有反向電流。然而，凌特技術公司擁有一個模擬方法的專利，能確保同步FET永遠不會反向導通，而美國國家半導體、Allegro與飛兆公司在多款芯片中采用了模擬的山谷模式(valley-mode)控制，實現了相同的效果。凌特技術公司工程副總裁兼首席技術官Bob Dobkin指出：“沒有理由說數字控制回路有更高的效率。用模擬方式可以做stage-shedding。穿通控制也不是問題了，我們一些較新的電路還有自適應穿通控制。”

折衷是不可避免的

實際上，一款芯片采用數字回路還是模擬控制回路并沒有什么關系。在選擇一種數字方案時，你只需要關心要做哪些折衷。例如，數字電源的靜態電流較高。盡管德州儀器公司的DSP有很高的功率效率和速度，但它們消耗的功率也大于狀態機芯片，而遠超過模擬芯片。在吸收的靜態電流方面，一只離散時間式采樣數據的PWM芯片總是高于低功耗模擬PWM芯片。因此，Summit Microelectronics公司以及其它公司便做出了“數字管理”的模擬電源。這種方案是圍繞模擬PWM區域，做出手持電子設備所需要的數字通信與控制功能。這些是準備用在電池工作設備上的器件，無法擁有高速ADC/DAC和DSP，因為它們的靜態電流都在毫安量級。Summit公司營銷與應用副總裁Abid Hussain說：“如果我帶一個靜態電流大于100 μA的芯片去見一個客戶，我肯定會受到嘲笑的。”

無論怎樣，如果你有了DSP，就可以增加一個軟件模塊，建立一個電源軌。注意DSP必須要引導，因此，如果這時有一個小差錯，則可能損失數字電源軌，直到器件裝入引導碼，開始運行時。另外，你的DSP最好是確定性的。如果它有太多的循環和中斷，那么就無法為數字電源代碼提供服務，電源軌循環就不會真正閉合。

你會發現，模擬器件也可以減少器件數量。例如，Power Integrations公司提供不需要光耦的低成本離線模擬器件，而凌特技術公司生產的LTC4278和其它模擬器件采用檢測線圈作電壓反饋，而不是光耦。它們未用數字電源也能提供這些功能，因此不需要一個數字PWM回路也可以消除負反饋電壓，而用反饋波形的適當部分作反饋控制。你關心的不應該是芯片公司采用了模擬PWM回路還是數字PWM回路，而應注意在沒有光耦情況下，器件是否可以提供嚴密的輸出調節。

數字電源芯片的制造還需要更昂貴的遮罩集，有較高的NRE(非重發性工程)成本。Exar XRP7740數字電源芯片充分利用了數字PWM回路的尺寸，提供了價格上可與模擬器件相競爭的低成本芯片。然而，這些芯片的遮罩集要貴得多，因此各家公司銷售這些芯片時都把變動做到最少，哪怕客戶訂量達數百萬片。片芯的低成本是對高成本精細CMOS遮罩集的一種折衷，因此制造商必須面向大批量應用。Cadence公司工程服務副總裁Time Henricks稱：“總歸是技術-經濟的問題。”他指出，在精細CMOS上置入大輸出或大驅動晶體管幾乎不一種有性價比的方案。一般來說，在廉價CMOS工藝下用較粗的線更有好處(參考文獻5)。另外，很多電源芯片必須工作的電壓都高于細線或寬線CMOS可以提供的電壓，因此雙極模擬芯片永遠會有其地位。

數字電源擅長于那些需要逐周期補償的應用，但很多公司更愿意采用一種簡單而耐用的模擬設計，對器件的壽命作適當的補償。數字電源自動補償仍然是一個發展中的技術。思科公司Thomas稱：“我們有一個傳統電源軌，在布局上有一些寄生電阻和電感。有家公司認為它的芯片可以補償它。當我們對芯片在此應用中作評估時，客戶的結論是，它的自動調整算法不能實現合理的余量。”模擬芯片在設計中工作良好，不過設計者有意降低了其交叉頻率，以補償由于電路板上機械約束所致的非最優布局。

如果一家公司要制造輸入輸出電容未知的電源磚，一只能作自動補償的芯片也許很關鍵，但設計者通常是為特定應用開發電源。盡管為一個數字電源部件的補償作一次性調節很不錯，但模擬部件并不要求開發數字濾波器的因數。你只需要修改一個補償電容和電阻，就能改變回路的響應。Cadence公司的Henricks評論道：“模擬芯片只有一個基準、一個比較器、一個開關、一個單極濾波器和一些輸出電路，這種健壯性和簡單性很難被超越。”注意，擾動回路做實時補償的辦法并非數字電源域所專有。凌特技術公司剛發布了LT4180，它就是一個能夠檢測電源輸出阻抗的新穎模擬器件，還能調節供電，補償AC和DC電壓降。

模擬芯片也可以做余量調節，這種系統功能并不依賴于數字PWM回路。例如，Maxim公司的MAX16064監控與控制芯片可監視四個模擬開關電源轉換器(參考文獻6)，而凌特技術公司的LTC2978監控與控制芯片則可監視八個模擬電源轉換器(參考文獻7)。

簡言之，數字電源在某些應用中有意義，而在其它應用中則相反。對一個系統工程師來說這無關緊要，他們不應關心半導體公司如何去閉合回路。系統工程師都應關注的是芯片工作情況，以及自己需要的功能。系統工程師需要的是價格、供貨，以及數據表。數字電源與模擬電源之爭是教授與IC設計者的事。你需要的是能在真實世界中解決問題的芯片與功能。除非它確實能滿足你的需求，否則就不應該為數字電源支付額外的費用。