隨著工業利用數字控制給傳統模擬領域帶來的好處，數字電源在過去五年中經歷了快速增長。來自不同微控制器供應商專門針對數字電源市場的許多新產品都支持這一點。

圖 1：模擬控制電源。

在傳統的模擬電源中，控制是使用由運算放大器和比較器組成的控制 IC 以及一系列精心挑選的外部電容器和電阻器組成的補償網絡來實現的。這些為電源提供了所需的瞬態負載性能和頻域（s 域）中的穩定性。補償網絡是固定的，并且經常受到反饋路徑中帶寬限制光耦合器的影響。這在圖1中示出。

當我們提到數字電源時，我們的意思是一個數字控制回路，它調節和穩定電源。這取代了自 1980 年代以來在開關模式電源中使用的模擬控制 IC。模擬控制 IC 及其相關的模擬補償網絡已被微控制器取代。

微控制器用于閉合電源的反饋回路。在典型的數控電源中，微控制器上的模數轉換器 (ADC) 模塊對輸出電壓或電流進行采樣。這與需求參考值進行比較，結果是一個誤差項。然后將誤差項用作離散時間控制器（通常是二極、二零或三極、三零控制器）的輸入，該控制器在離散時間域中具有極點和零點，即z 域。離散時間控制器以精確和預定義的時間間隔執行——每次都有一個新的 ADC 樣本可用。

圖 3：離散時間二極點二零控制器。

這種離散時間控制器的一個例子如圖 3 所示。該控制器由五個乘法和累加操作組成，這些操作被稱為數字信號處理器 (DSP) 上的乘法累加器 (MAC) 指令。該采樣周期 x[n] 的控制器輸入（誤差項）乘以控制器系數 B0。z-1 項是一個單位延遲，導致控制器的先前輸入 x[n-1] 乘以系數 B1。在此之后，還有另一個單位延遲，因此前兩個采樣周期的誤差項 x[n-2] 乘以 B2。

在圖 3的右側，相同的過程應用于控制器的輸出。控制器的前一個輸出 y[n-1] 乘以 A1，前兩個采樣周期的輸出 y[n-2] 乘以 A2。這些乘法累加在一起，結果是該采樣周期控制器的新輸出。控制器的輸出 y[n] 是脈寬調制 (PWM) 轉換器的占空比或諧振/脈沖頻率調制 (PFM) 拓撲的開關頻率的新值。

就像 s 域中的模擬補償器一樣，圖 3中所示的離散時間控制器 將在 z 域中具有頻率響應。控制器系數決定了頻率響應，從而決定了電源的穩定性。因此，工程師必須分析計算控制器系數以穩定電源。

微控制器多年來一直用于電源，目的是使用相對簡單和低成本的微控制器來實現基本功能，例如 PMBus 和風扇速度控制。然而，全數字控制以前在服務器和電信市場最為普遍，而在工業和醫療市場的采用則滯后。

禁止切換到數字控制的因素主要是與數字電源相關的成本和復雜性。好消息是，具有實現全數字控制所需的 DSP 功能的現代微控制器的成本近年來已大幅下降，使其可用于更多設計。然而，復雜性仍然是一個問題。這種復雜性源于對設計電源的混合域方法的需求。工程師需要將他們的電源設計知識與編寫高效代碼和穩定離散時間控制環路的能力相結合。

那么切換到數字控制的原因是什么？與模擬對應的數字控制回路相比，數字控制回路具有許多優勢。數字電源對環境、溫度、老化和控制回路組件的容差不敏感。它允許系統實時監控電源的性能，并根據需要調整參數以調整性能。

此外，與模擬補償器相比，先進的離散時間控制技術使我們能夠實現更高的性能，在幾個開關周期內從瞬態中恢復。這對負載點 (POL) 轉換器市場特別感興趣，該市場一直是數字電源的主要采用者。一個高性能微控制器可用于穩定和調節多個功率級——無需為每個功率級配備單獨的模擬控制 IC。

對高效轉換器不斷增長的需求是數字電源的靈活性提供超出典型模擬控制方案能力的解決方案的領域。這可能涉及調整 PSU 的操作以實現最佳的零電壓或零電流開關，降低開關損耗并提高整體效率。

或者，我們還可以考慮提高使用多個電源的整個數據中心或系統的效率的影響。這可以通過根據系統內主控制器的信息響應關閉或進入低功耗模式的請求來實現。

用于數字電源應用的最新微控制器包含 DSP 功能，允許數字控制環路在每個開關周期的單個 PWM 開關周期的一小部分內執行。圖 4 顯示了典型數字電源的 PWM 開關周期。在這個簡單的示例中，每個開關周期對輸出電壓進行一次采樣。對于為數字電源應用設計的微控制器，典型的 ADC 轉換時間為幾百納秒。

在 ADC 轉換之后，調用中斷服務程序來執行離散時間控制器。這是一個時間緊迫的例程，因此，控制器可以用匯編代碼編寫，以利用 MAC 指令并優化每個指令周期的使用。

對于這個例子，MCU不執行控制器的時間是我們的備用帶寬。此備用帶寬可用于執行特定于客戶應用程序的其他任務或功能。任何低優先級任務都在慢速循環中運行，并且只要發生高優先級任務（例如 ADC 中斷以運行控制循環代碼）就會被中斷。

根據設計的復雜性，為電源開發強大而高效的固件可能需要大量時間。除此之外，還有驗證和測試過程以及各種安全批準所需的文件。因此，需要投入大量資源來開發數字電源。但是，一旦進行了初始投資，固件就可以在許多不同的產品中重復使用。例如，一個系列中具有不同輸出電壓的產品的固件更改可能是更改控制器系數的簡單情況。

鑒于微控制器增加了設計的靈活性，數字電源非常適合定制電源應用，其中標準產品可能無法滿足客戶的所有要求。可能存在特定的通信要求，例如通過 USB、I 2 C 或 EtherCAT控制電源，以及在以后使用實時固件更新更新通信協議的可能性。客戶可能需要即時調整輸出電壓或電流限制，或者需要實時監控、電源軌排序或輸出模塊之間的精確電流共享。

當然，用于數字電源的高性能微控制器將比它所取代的模擬 IC 更昂貴。然而，數字控制器提供了在 MCU 內實現其他功能而不是使用分立元件的機會。這可以減少組件數量和更緊湊的解決方案，特別是對于具有復雜信號要求或多個電源軌的設計，可以使用一個微控制器進行控制。結果可能是使用微控制器而不是模擬解決方案實現時更具成本效益的整體解決方案。當然，對于一些復雜的需求，數字化可能是唯一的解決方案。

XP Power 能夠利用我們標準產品系列的多樣性來實施復雜的定制電源解決方案。MCU 作為電源的核心，定制電源應用的可能性是深遠的。鑒于數字電源提供的諸多好處，我們很可能會看到未來幾年數字電源的存在會不斷增加。

審核編輯：郭婷