電源管理的模擬和數字方法

　　模擬電路是一款表示連續可變，可量測物理量(如長度，寬度，電壓，壓力)數據的器件。然而，在模擬市場分類中，我們看到數據轉換和接口產品是具有數字數據和電路成分的器件。

　　實際上，在模擬領域，我們看到混合信號應用的廣泛性，范圍從純模擬到數字以及從電源到信號。實際上，在每次技術歷程中模擬是產生新電路、新結構和新方案的一種豐富的基本元素。如市場情報公司的數據報告所示，模擬已成為一個大的混合信號領域，它跨越純模擬到數字的全部電路領域。

　　模擬繼續在增長，不管數字化的每個實際現象。這是因為以上所述的原因和模擬保持無可比擬的創新領域：10年前沒有容性穩壓器(電荷泵)，5年前沒有LED驅動器，這種創新還將繼續。結果，純模擬電路的數字化在寬廣限定的模擬市場保持家用增長現象，確認模擬的領先創新能力。肯定的說，沒有模擬不可能有模擬的數字化。

　　數字化的局限性

　　圖1示出一般電源轉換和管理系統的框圖。框圖中的單元(電源基準，D/A，驅動器，濾波器)是連接“外部”模擬世界的特征元件，如上述原因它們將保持摸擬。框圖中的通信單元是數字(串行或并行通信總線)的。控制單元，傳統上用模擬方法實現，但最近5年改變為數字實現。

　　當今業內趨勢表明電源轉換(伺服控制算法)和電源管理(新的串行或并行總線協議通信，定序電路等)的數字控制結構正變為成熟。未來幾年，預測這些結構可以替代模擬對應部分。

　　電源繼續處于一個艱難的環境下，對半導體器件有很大的壓力。開關穩壓器中的電感器或電機中的線圈，以大于VCC電源和低于它的電壓尖峰信號周期性地使電子電路激化。這樣的過壓和欠壓偏移勢必會喚醒半導體器件中的寄生晶體管，這會對系統產生有害的影響。如何使這些有害影響不連接到外部世界，這不是數字電子的范圍。這是一個相當難解決的問題，甚至對于最有經驗的模擬設計人員也成為一個重要的難題。事實上，寄生參量問題使電源/模擬設計變成為一種藝術，而不是科學。現在沒有SPICE仿真器能模擬寄生晶體管的三維效應，而只要這樣情況繼續存在，模擬將繼續是少數熟練設計人員手中的“黑魔術”。

　　模擬和數字結構

　　圖2示出電壓穩壓器的典型模擬控制實現框圖，是圍繞調制器構建脈寬調制(PWM)開關穩壓器。模擬調制器由一個比較器構成(調制波形示于圖3)，比較器的輸入是周期為T的周期性逐段線性(三角或鋸齒)調制波形VST，另一個輸入為誤差信號Vε。如準穩態誤差信號Vε處在調制波形的最小和最大之間，則這兩個波形的交叉點決定‘on’脈沖的周期Ton。因此，比較器輸出產生一個方波Vsw，其平均值與DC輸出電壓Vo相同。在此方法中，PID(比例-積分-微分)單元可以用一個運放和外部無源元件(補償電阻器Rc和電容器Cc)實現，或用集成有Rc、C2補償網絡的單片實現。

　　圖4示出一種數字控制結構，其中輸入誤差信號(Vfb-Vref)經模/數轉換器(ADC)轉換為數字信號，此后進行PID補償和數字調制(DPWM)。

　　數字電源轉換控制環路的核心是數字調制器。圖5示出用環形振蕩器實現數字調制器方法，這是一種簡單和有效的方法。在此實例中，環形振蕩器工作頻率為1MHz(T=1ms)，此頻率也是數字PWM系統的時鐘頻率，環形振蕩器由255個電路構成(在環形振蕩的最簡單實現方法中，門電路數必須是奇數)，以對應于8位分辨率。每個門電路輸出都是比前一個門電路延遲1/255時鐘周期，大約為4ns。

　　適當地選擇門電路之間的時間延遲，可以產生數字調制器輸出處的‘on’脈沖，通過由數字誤差信號電壓DVε驅動的數字選擇器可以進行這種選擇。

　　選擇控制算法

　　若被穩壓的系統是真正線性的，這意味著工作模式是連續不變的或者是平穩的，則模擬通常是采用的方法。臺式CPU電壓穩壓器就是這樣情況，穩壓器輸出從無載到滿載必須用同樣的算法進行連續地控制。若系統非平穩，這意味著工作模式是不連續和變化的，則選擇數字方法比較好。

　　例如，在筆記本或移動電話電壓穩壓器應用中，選擇數字方法是比較好的。因為在輕負載時，應節省功率，此時需要模式變化。這通常會發生從PWM算法到PFM(脈沖頻率調制)的情況。PFM是隨負載調節頻率的模式，因此，在較輕負載時產生較低的頻率，進而有較低的開關損耗。

　　在模擬系統中，這樣的模式變化需要從一個控制環路(如PWM)突然轉換到另一個模式(如PFM)，通常此時負載正在變化。這種算法不是連續性的，必定導致輸出穩定度的暫時降低。

　　相反，數字控制固有的配置來處理不連續性。因此，數字控制在單控制算法中具有處理模式變化的能力。

　　電源管理和轉換應用

　　數字電源管理的明顯優點是容易通信、編程、狀態報告等。這種數字控制的典型應用實例是智能電池系統，為筆記本電腦供電的智能電池充電器。此系統包括智能充電器，智能電池和主微控制器。在此系統中，智能充電器從器件通過系統管理總線(SMBus)接收來自“主”控制器的命令。然后，智能充電器調節其參量為智能電池提供所需的電流、電壓和功率，然后對微控制器報告其數值。

　　在電源轉換應用中，微控制器基數字結構具有很多有用的地方，特別是在不僅僅需要編程性，而且也需要電流和電壓整形的應用中。

　　電流整形應用

　　在輕載鎮流器應用中需要電流整形，對于不同的燈可以靈活地設置電流的強度和周期以及３個工作相(預熱，點火和調光)。在PFC應用中也需要電流整形，電流必須與線電壓有相同形狀。