原创深度:何为数字电源?

一切电子设备都要用电,电源也就无处不在。电源在我们印象中就是输入端进电,输出端对用电设备供电,它的电路是由一堆的电阻、电容、电感还有变压器、风扇之类构成。如果有人问你电源属于模拟电路还是数字电路,相信大家一定会说是模拟电路,事实上电源系统的电力部分确实是模拟电路,生活中常见电器也多为模拟电源。那么近年来,为何数字电源的概念越来越常见?数字电源究竟是什么?

数字电源属于开关电源,但是开关电源不一定是数字电源。请看下面图1-2。

“图1:模拟开关电源”
图1:模拟开关电源

“图2:数字开关电源”
图2:数字开关电源

从上面两张图我们就可以看出,一个开关电源到底是不是数字电源,取决于开关电源的开关信号是否由软件计算出来。开关电源的应用远远早于DSP、MCU的应用,早期的开关电源都由模拟电路生成PWM调制信号。后来DSP在以UPS应用为代表的逆变器控制电路上得到了大规模应用,但在开关电源DC—DC部分却很少使用,并且长期局限于IT行业的服务器电源应用。近年来,有不少开关电源的DC—DC电路采用了DSP/MCU,PWM调制信号由软件算法计算产生,这才是这里所说的数字电源。

通过软件编程实现的用于电源控制算法的复杂度远远高于模拟电路所能实现的硬控制算法,后者仅局限于PID控制。DSP/MCU的应用使得开关电源能够用上各种现代控制算法,比如自适应控制、预测控制等。这些先进的控制算法大大的扩展了数字电源的性能,丰富了其应用场景。

当然,这里不是说数字电源一定比模拟电源性能更优越、数字电源会淘汰模拟电源。近年来,电源市场上模拟电源与数字电源之争确实存在。总体上讲,负载波动不大,电压等级需求单一的系统适合采用模拟电源。这种条件下,由于模拟电源没有软件计算的延迟,其响应性能反而优于数字电源。

“图3”
图3

用电需求复杂的数据中心

如果负载波动大,要求多路不同的供电电压,甚至对供电的时序也有特殊要求,比如通信用电源、数据中心供配电、复杂电路系统(FPGA/CPU)等,这些用户就需要数字电源。究其原因,就是复杂的功能可以由灵活的软件编程来实现,高难度的控制需求可以有先进的算法来满足。

除了通过软件编程可以带来多功能以及控制算法上的优势外,数字电源所采用的DSP/MCU往往还带有丰富的通信外设。各种接口的使用让数字电源具备了通信能力,这大大扩展了数字电源的应用场景和功能,比如远程控制、在线监测、在线升级软件、多电源组网、集群管理、故障报警等等。这是纯模拟电源完全不具备的。DSP/MCU在数字电源的应用还催生了数字电源专用的通讯协议——PMBus(Power Management Bus,电源管理总线),这是一种开放标准的数字电源管理协议。通过定义传输和物理接口以及命令语言,即可促进与电源转换器或其他设备的通信。支持PMBus的芯片已经出现在了很多大牌半导体厂商的产品库中。

“图4:TI
图4:TI 出品的支持PMBus的降压控制器

针对数字电源这一新兴电源市场,各大传统DSP/MCU厂商都推出了专用数字电源用DSP/MCU芯片。比如Microchip推出了16位DSC:dsPIC33EP GS系列。STMicroelectronics也在STM32家族中推出了采用ARM-Cortex M4核心的STM32G474和STM32F334。

“图5:Microchip的dsPIC33EP
图5:Microchip的dsPIC33EP GS系列

“图6:贸泽备有数字电源评估板”
图6:贸泽备有数字电源评估板

“图7:STM32G4混合信号微控制器”
图7:STM32G4混合信号微控制器

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“作者:马玺”
作者:马玺

马玺,多年来深耕半导体产品的技术开发及市场营销。曾任职于梅特勒-托利多研发工程师,富士通半导体产品工程师,贸泽电子技术营销产品经理等职位。具有10多年国际知名企业电子半导体相关领域产品研发及技术营销专业背景,熟悉嵌入式系统、微控制器,存储器及无线领域相关的市场与技术。

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