傳(chuan) 統開關(guan) 電源（Switch Mode Power Supply,SMPS）控製通常使用純模擬技術。低成本和高性能數字信號控製器（Digital Signal Controller, DSC）的出現開啟了開關(guan) 電源控製的全新境界，並且標誌著電源產(chan) 業(ye) 正朝著數字革命的方向發展。

本白皮書(shu) 強調，當前是電源應用采用數字技術、實現數字電源的最佳時機。Microchip 提供的AC-DC 參考設計就是展示數字控製技術優(you) 點的極佳實例。

本白皮書(shu) 通過在以下幾個(ge) 方麵將數字電源與(yu) 模擬電源進行定量比較以指出數字電源的優(you) 勢所在：

●比較模擬電源與(yu) 數字電源的物料成本

●控製先進拓撲結構的能力和數字控製的靈活性

●在同樣成本條件下，數字電源實現的附加價(jia) 值數字電源節省成本。

圖1 為(wei) 兩(liang) 級模擬AC-DC 電源的高階原理框圖。

圖 1: 兩(liang) 級模擬AC-DC 電源

圖2 顯示了數字AC-DC 電源的高階框圖。

圖 2: 數字AC-DC 電源

模擬電源的主要組成包括：

●功率鏈：半導體(ti) 開關(guan) 、電感、電容和功率變壓器

●驅動電路：柵極驅動以及支持電路

●反饋電路：傳(chuan) 感器、放大器和電阻網絡

●控製器：每個(ge) 功率級專(zhuan) 用控製器

●後台管理電路：用於(yu) 順序控製、監控和通信的專(zhuan) 用單片機以及支持電路

為(wei) 便於(yu) 比較，考慮選擇一個(ge) 兩(liang) 級式電源。前端轉換器采用升壓功率因數校正（Power Factor Correction,PFC）電路，而第二級是DC-DC 相移式全橋轉換器。

模擬電源與(yu) 數字電源的功率鏈部分、驅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字電源。對於(yu) 數字控製電源，專(zhuan) 用模擬控製器和後台管理電路可合並采用一片dsPIC?DSC 來實現。

圖1和圖2僅(jin) 從(cong) 較高層次展示了兩(liang) 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(nei) 。圖3 所示為(wei) 每個(ge) 模擬級中的支持電路，而圖4 則為(wei) 數字係統中的支持電路。注意模擬控製器所需要的額外連接（在圖3 和圖4 中用箭頭標出）。

圖 3: 模擬級電路

圖 4: 數字級電路

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

表1 將300W 模擬電源與(yu) 數字電源的物料清單進行了比較，著重說明了前麵所述的差別。比較中所用到的價(jia) 位是直接從(cong) 廠家的網站上獲得的。

表 1： 300W 模擬與(yu) 數字電源物料價(jia) 格比較

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

有些人可能會(hui) 認為(wei) 數字電源需要使用專(zhuan) 用的MOSFET柵極驅動器，而模擬解決(jue) 方案則可提供片上柵極驅動器。不過，這一點僅(jin) 適用於(yu) 低功率模擬設計，對於(yu) 大多數高功率模擬設計來說，仍然需要使用外部柵極驅動器。

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

顯而易見，數字電源在總BOM成本方麵具有顯著優(you) 勢。

數字電源還有許多其他潛在的低成本優(you) 勢。例如，采用數字化控製方案的另一個(ge) 優(you) 點就是減少元件數量。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(chan) 品質量和可靠性。

這些額外的成本節省更強調了選擇電源數字化控製方案的好處。

高級特性

效率優(you) 化

對於(yu) 任何電源設計人員，兩(liang) 個(ge) 最重要的考量方麵就是總成本和係統性能。與(yu) 模擬電源相比，數字電源的成本優(you) 勢在之前的章節中已經進行了分析，我們(men) 現在將針對數字電源具有更高效率這一優(you) 點進行探討。

任何電源設計都是按照其可能的最大效率來實現的。近年來，隨著半導體(ti) 技術的發展及新拓撲結構的出現，電源效率達到了更高的水平。之前已經提到，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了最大化。

數字電源增強了係統的通用性，可對多個(ge) 運行點的效率進行優(you) 化。

對於(yu) PFC升壓轉換器，輕載時可通過降低轉換器開關(guan) 頻率來減小開關(guan) 損耗。由於(yu) 是輕載，磁場仍可以應對較低的開關(guan) 頻率。如果實現的是一個(ge) 交錯式PFC 轉換器，輕載時可以通過關(guan) 斷其中一相來進一步減小功耗。

類似地，對於(yu) 一個(ge) 相移式全橋變換器，可以在輕載時關(guan) 斷同步MOSFET,而使用內(nei) 部集成續流二極管，這樣可消除額外的開關(guan) 損耗。

另一個(ge) 實例是降壓轉換器應用。對於(yu) 高電流輸出的場合，同步降壓轉換器通常是首選。但是，使用同步MOSFET會(hui) 在輕載時引起環流，這反過來會(hui) 引起更高的損耗。因此，當轉換器運行在不連續電流模式時，降壓轉換器的同步/ 續流MOSFET 就會(hui) 被禁止。

上述介紹的技術可通過選擇先進的拓撲結構（如諧振和準諧振轉換器）來提高效率。數字控製完全支持這些先進的拓撲結構，包括相移全橋和LLC 諧振轉換器，從(cong) 而獲得高效率和高功率密度。總之，數字控製提供很多選擇，可在整個(ge) 運行範圍內(nei) 對電源效率進行優(you) 化。

電源管理

在電源管理領域中，與(yu) 模擬電源相比，數字電源提供了前所未有的優(you) 勢。在一個(ge) 典型模擬電源中，通常使用圖5 中所述的後台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麵的差異

這個(ge) 後台單片機將本地係統參數發送到主控製器或者數據記錄器中。但這個(ge) 單片機如何獲取數據呢？必須用檢測電路收集所需數據，並將其進行發送。在某些情況下，遠程係統也可能對本地電源轉換器發出指令。這個(ge) 配置要求增加後台單片機和功率轉換電路之間的硬件接口，從(cong) 而增加了係統的成本。

相反地，數字電源不需要額外電路，因為(wei) 所有係統參數已經由DSC 測量出來。這些參數存儲(chu) 在DSC 的存儲(chu) 器中，並且通過片上通信外設發送到遠程係統，例如SPI、I2C?、UART或者CAN.任何對該係統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#分頁標題#e#

數字電源消除了冗餘(yu) 電路從(cong) 而減少了係統總成本。例如，對於(yu) 一個(ge) 兩(liang) 級AC-DC 電源，第一級將對其閉環控製運行的輸出電壓進行測量。由於(yu) 這一輸出電壓也是第二級的輸入，因此該數據也被第二級用作前饋控製或者輸入過壓/ 欠壓保護。

單獨一個(ge) DSC消除了相同參數的重複測量，並可從(cong) 內(nei) 部提供不同控製或保護特性的所有選項。DSC也有助於(yu) 係統對故障狀態作出比分立模擬控製器更快速、更高效的反應。例如，在一個(ge) 兩(liang) 級AC-DC 模擬電源中，如果故障出現在下級轉換器中，除非這個(ge) 故障狀況已經被傳(chuan) 送給PFC 控製器，否則前端PFC 升壓轉換器將無法識別這個(ge) 故障。而數字控製器能檢測到整個(ge) 係統的故障狀態，無論故障發生在何處，幾乎都能在瞬間作出反應。