不再夸張的數字電源

要點

•數字電源可以降低成本，簡化你的設計，并提高精度。

•數字電源非常適用于輸出余量設定及逐周期回路補償。

•很多系統工程師并不想要或需要非線性控制或自適應補償。

•數字電源能提高效率的聲稱通常無法證實。

•數字電源確有獨特的性能，但也存在折衷。

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。