數字電源技術

　　數字電源具有高性能和高可靠性的特點，其設計非常靈活。隨著IC廠商不斷推出新型號、性能更好的數字電源ic產品以及用戶對數字電源認識的深入，數字電源的應用將會得到普及。

　　近年來，許多相關的因素導致對數字電源管理的需求急劇上升。許多板卡設計人員已經轉向開發中間總線電源結構，通過使用多個單板DC/DC轉換器來產生不同矽器件所需要的多樣化的電源要求。這導致一個很明顯的結果就是在產品的設計、生產測試及日常使用的過程中，配置、控制及監控這些電源將變得更加的復雜。光是控制上電/下電時序就需要專門的可編程集成電路及大量的額外部件，更別說用于靈活的系統級控制和診斷所需要的配置或實時反饋設施。

　　目前許多高性能的DC/DC轉換器仍是通過簡單的無源元件產生的模擬信號來進行設置和控制。即使具有最先進電源轉換拓撲結構的高性能轉換器，也有可能需要使用外部調節電阻和電容來確定諸如？動時間、輸出點值及開關頻率等參數

　　。當然，這些參數沒有一個是可以在匆忙中更改的，因此自適應的電源管理方案就不可能實現。

　　除了一些專門用于微處理器（其以VID代碼的形式為輸出電壓控制提供有限的數字編程性）的轉換器之外，市場上大多數磚形轉換器、中間總線轉換器及負載點（Point of load， POL）轉換器仍然是采用模擬控制的。對數字控制需求最為迫切的是非隔離負載點轉換器，因為這些轉換器廣泛用于板卡上并為器件提供最終電壓。然而，這個需求也適合于隔離轉換器，因此，毫無疑問，設計者們希望能夠很快得到其他的數字可編程電源。

　　一、數字電源的定義

　　數字電源或數字控制電源有幾種不同的含義。

　　最簡單的定義是通過數字接口控制開關穩壓器，這可能包括通過I2C或類似的數字總線控制輸出電壓、開關頻率或多通道電源的排序，？動、裕度控制、加電和斷電排序等等都可以通過一個或多個數字信號控制。實際上，目前市場上的很多電源管理集成電路都以這種方式工作∶通過數字接口控制模擬開關穩壓器。

　　第二個是給前面定義加上所謂的數字遙測。在這種情況下，提供額外的控制功能以監視開關電源的狀態，如溫度、輸出電流、輸入電流、輸入電壓、輸出電壓等，并根據需求或周期性地向主機報告。ID標記、故障狀態信息甚至時間標記事件等其他信息也可以存儲在片上非易失性存儲器中，并在將來某個時間報告這些信息，具有大量數字集成電路的高端系統是這類數字電源的目標市場，而較低成本的消費類產品可能不需要這樣的信息。

　　第三個也是最野心勃勃的數字電源含義是，用數字電路徹底取代開關穩壓器中的所有模擬電路。據說這樣將使開關穩壓器更容易設計、配置、穩定、調節和銷售。更進一步的理由是，通過編寫幾行簡單的代碼，一個核心數字電源集成電路就可以配置成升壓穩壓器、降壓穩壓器、負輸出、SEPIC、反激式或正激式轉換器。正是數字電源的這個含義最難以理解，因為從根本上來說，電源是模擬的。甚至用ADC和DSP取代誤差放大器和脈沖寬度調制器的數字開關穩壓器也仍然需要電壓基準、電流檢測電路和開關或FET驅動器。此外，電感器或變壓器和電容器在實現數字電源時也是不能沒有的。

　　二、數字電源與模擬電源的區別

　　數字電源與模擬電源的區別主要集中在控制與通信部分。在簡單易用、參數變更要求不多的應用場合，模擬電源產品更具優勢，因為其應用的針對性可以通過硬件固化來實現，而在可控因素較多、實時反應速度更快、需要多個模擬系統電源管理的、復雜的高性能系統應用中，數字電源則具有優勢。

　　此外，在復雜的多系統業務中，相對模擬電源，數字電源是通過軟件編程來實現多方面的應用，其具備的可擴展性與重復使用性使用戶可以方便更改工作參數，優化電源系統。通過實時過電流保護與管理，它還可以減少外圍器件的數量。

　　數字電源有用DSP控制的，還有用MCU控制的。相對來講，DSP控制的電源采用數字濾波方式，較MCU控制的電源更能滿足復雜的電源需求、實時反應速度更快、電源穩壓性能更好。

　　數字電源有什麼好處它首先是可編程的，比如通訊、檢測、遙測等所有功能都可用軟件編程實現。另外，數字電源具有高性能和高可靠性，非常靈活。

　　三、數字電源的發展

　　數字電源是一種新技術，現階段其發展受到人們對它的一些誤解而比較難推廣∶

　　1、數字電源成本高得嚇人

　　過去，一說到“數字”，人們就認為成本高于傳統的模擬解決方案──較之數字解決方案具有的其他優點，譬如尺寸縮小、具有靈活性與適應性、可測試性增強、診斷功能及擴展功能，成本高是一大負面因素。不過與使用所占空間較大的專有技術制造的模擬反饋回路相比，利用市場上現有的CMOS技術實現數字反饋回路所需成本較少。另外，采用真正數字電源的解決方案整體成本比其他現有方案低得多。

　　2、數字電源復雜得多

　　人們有一種觀點，認為電源設計人員天生就是模擬技術設計人員，因而不想處理編程帶來的復雜性。數字電源管理的支持者提出，我們不但對力求創新的設計人員 （他們并沒有受到興起的數字電源的威脅）沒有給予足夠重視，而且實際上，編程并不是意味著編寫代碼，其實只是處理向導程序驅動的圖形用戶界面（GUI），以獲得各種系統級優點，其中包括∶

　?。?）通過實時遙測技術簡化了系統級溫度管理；

　?。?）通過實時遙測技術提高了在故障出現前事先預測的可靠性；

　　（3）通過在最終模塊或者主板測試階段完全自動化的檢查和可變電阻器微調等功能提高可制造性。

　　實際上，數字電源遲遲得不到接受是因為顧客認為數字技術未得到證明、技術復雜及成本高昂。這不足為奇，因為業界在70年代末遇到了相似的情況∶當時電源從線性改為開關式，而最初開關式也被認為價格昂貴、不可靠（輸出噪音大）。不過，一旦顧客認識到開關式電源所具有的優點（性能更高、尺寸更?。?，并且學會了如何實施新的開關式電源技術，線性電源很快就被淘汰了。幾年後，隨著顧客熟悉其具有的優點、市場上出現更多的提供商和解決方案、看到無需額外成本就能帶來的比模擬解決方案更好的效果，數字技術會出現類似的轉型。

　　從目前情況看iWatt、TI德州儀器、凌特公司（Linear Technology）等大公司紛紛推出自己的數字電源IC，這表面業界對數字電源的前景是看好的。據iSuppli和雷曼兄弟公司的報告表明，整個數字電源市場將在2006年實現創收1.68億美元左右，并且很快會成為電源市場非常重要的一部分；業界估計年復合增長率（CAGR）在今後幾年將超過 100%。

　　四、數字電源IC

　　目前，比較領先的數字電源IC開發商有德州儀器、凌特公司（Linear Technology）、Integrated Power等大公司。下面以德州儀器的UCD7K、UCD8K和UCD9K系列數字電源IC為例，介紹數字電源IC的主要特點。

　　1、UCD7K數字電源驅動器

　　德州儀器的UCD7000系列IC主要應用于數字電源或者需要快速局部電流限制保護的場合，兼容標準3.3V DSP微控制器I/O端口。UCD7201是該系列其中之一，其功能框圖如圖1。

　　圖1、德州儀器數字電源IC UCD7201結構框圖

　　UCD7201 可與UCD9110、UCD9501等數字電源控制器進行雙端拓撲連接?？删幊涕T限，具備可由主控制器監視的數字輸出電流限制標志。高阻抗數字輸入端，可以輸入頻率高達2MHz的3.3V邏輯電平信號，引腳內部有施密特比較器防止外部噪聲干擾。有電流限制標志引腳。電流限制門限設置端口，可將門限設置的 0.25V到1.0V之間的任意值當其開路時門限缺省值為0.5V。以上端口的引腳配置位置根據元件封裝不同而有所變化。該IC內部還可以向控制器提供電源。UCD7201典型應用電路如圖2。

　　圖2、UCD7201典型應用（推挽轉換器）