電力的產(chǎn)生，分配和消耗有許多方面，通常涉及從一種形式到另一種形式的多個(gè)轉(zhuǎn)換階段，每個(gè)階段表現(xiàn)出其唯一的轉(zhuǎn)換和控制。通過以可以提供整流，升壓或降壓轉(zhuǎn)換甚至反轉(zhuǎn)的方式切換源電壓，通常可以最有效地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的基本方法。

切換的主要形式現(xiàn)在是脈沖 - 寬度調(diào)制（PWM），可對(duì)輸出波形/電壓進(jìn)行高級(jí)控制，因此也可提供最高水平的效率。在功率轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)PWM控制級(jí)可以（并且已經(jīng)）在模擬域中實(shí)現(xiàn)，但是雖然這可以在特定條件下提供可接受的解決方案，但它提供的靈活性很小并且可能導(dǎo)致可能無法提供有效轉(zhuǎn)換的解決方案在廣泛的操作條件下。由于這個(gè)原因，PWM轉(zhuǎn)換級(jí)的控制現(xiàn)在正在向數(shù)字域過渡，這個(gè)新范例的核心是微控制器（MCU）。它不僅能夠增加設(shè)計(jì)的靈活性，還能提高效率。當(dāng)然，這在復(fù)雜性方面是有代價(jià)的，那么制造商正在采取哪些措施來緩解這種轉(zhuǎn)變？

仍然模擬

模擬設(shè)計(jì)師的好消息是數(shù)字化功率轉(zhuǎn)換仍然涉及大量的模擬技術(shù); MOSFET仍然用于切換和引導(dǎo)電源。對(duì)于不熟悉MCU的人來說，壞消息是用于控制這些MOSFET的PWM信號(hào)現(xiàn)在由算法生成。

這對(duì)于不熟悉編寫嵌入式代碼的工程師來說顯然會(huì)引起一些驚愕，然而，許多針對(duì)該應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先制造商現(xiàn)在提供的軟件庫旨在首先幫助設(shè)計(jì)人員，例如Microchip提供的開關(guān)模式電源控制庫;一個(gè)針對(duì)dsPIC33F和dsPIC33E系列數(shù)字信號(hào)控制器進(jìn)行了優(yōu)化的庫。

雖然與傳統(tǒng)的MCU非常相似，但現(xiàn)在稱為數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）的器件是一個(gè)相對(duì)較新的類為這種類型的應(yīng)用而開發(fā)的設(shè)備。例如，dsPIC33E具有高速PWM模塊，可提供多達(dá)三個(gè)PWM對(duì)，每個(gè)PWM對(duì)具有獨(dú)立的時(shí)序，并且能夠支持DC/DC，AC/DC轉(zhuǎn)換，具有功率因數(shù)校正，以及逆變器設(shè)計(jì)，照明控制和BLDC（無刷直流電機(jī)）控制。

在數(shù)字電源應(yīng)用中使用dsPIC有效意味著DSC取代了僅模擬設(shè)計(jì)中的多種功能。求和節(jié)點(diǎn)（將轉(zhuǎn)換器輸出端的電壓與參考電壓進(jìn)行比較），補(bǔ)償器（設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)反饋以確保穩(wěn)定運(yùn)行的部分），PWM發(fā)生器本身都可以歸入DSC。

在數(shù)字拓?fù)渲校褂玫乃惴ㄓ行У厝〈搜a(bǔ)償器硬件。因?yàn)樗擒浖峁┝烁嗟撵`活性，例如實(shí)現(xiàn)非線性功能的能力。在處理電源變化或負(fù)載變化時(shí)，這使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加自由。此外，更容易進(jìn)行修改，而無需移除或調(diào)整物理組件;而是可以通過簡(jiǎn)單地改變一些數(shù)字參數(shù)來進(jìn)行改變。圖1顯示了模擬功能的框圖，可在數(shù)字電源設(shè)計(jì)中由dsPIC DSC替代。

在傳統(tǒng)模擬解決方案中不明顯的數(shù)字設(shè)計(jì)中需要的另一個(gè)因素是測(cè)量電壓的能力。這提供了對(duì)數(shù)字控制算法至關(guān)重要的數(shù)據(jù)，并通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）實(shí)現(xiàn)。 dsPIC33E具有一個(gè)ADC模塊，該模塊具有多達(dá)16個(gè)模擬輸入，可以以高達(dá)1.1 Msamples/s的速率采樣。這種性能水平顯著提高了DSC的工作頻率。

圖1：Microchip Technology的dsPIC33旨在取代電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中的多個(gè)模擬功能。

全面的設(shè)計(jì)支持

很明顯，數(shù)字電源轉(zhuǎn)換仍然嚴(yán)重依賴于模擬功能，這就是為什么一般的MCU和特別是DSC非常適合這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的原因;它們將處理核心的數(shù)字功能與基本模擬功能（如ADC和DAC，運(yùn)算放大器和比較器）結(jié)合在一個(gè)器件中。

兩個(gè)域的緊密集成至關(guān)重要，因?yàn)樗试S控制循環(huán)在時(shí)域中進(jìn)行優(yōu)化。最小化反饋環(huán)路中的轉(zhuǎn)換時(shí)間對(duì)于提高整體效率至關(guān)重要，這最終是任何數(shù)字電源轉(zhuǎn)換解決方案的目標(biāo)。

這一點(diǎn)在英飛凌的XMC4500系列中很明顯，該系列結(jié)合了許多功能。使高效的數(shù)字電源轉(zhuǎn)換更容易實(shí)現(xiàn)。這包括高分辨率PWM（HRPWM），其占空比分辨率為150 ps。通過這種精細(xì)調(diào)節(jié)，可以更精確地調(diào)節(jié)降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，從而減少輸出電壓紋波。

XMC4500中的捕捉/比較單元支持HRPWM： CCU4和CCU8。這些單元可以支持各種脈沖生成，包括非對(duì)稱，非周期和單事件。這些單元也可以由許多內(nèi)部/外部源或檢測(cè)到的事件觸發(fā)。

在電源轉(zhuǎn)換解決方案的核心使用可編程器件的另一個(gè)好處是它可以輕松實(shí)現(xiàn)電源管理總線協(xié)議（PMBus）;開放標(biāo)準(zhǔn)，具有超過200條指令的命令語言，旨在允許系統(tǒng)的不同和不同元素進(jìn)行通信。基于I 2 C接口和系統(tǒng)管理總線（SMBus）的變體，將PMBus從站添加到基于XMC4500的系統(tǒng)中相對(duì)簡(jiǎn)單;英飛凌網(wǎng)站上提供了一份應(yīng)用指南，介紹了如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在英飛凌軟件開發(fā)平臺(tái)第4版DAVE中，還支持使用XMC4000系列設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換解決方案。

XMC4000系列基于帶有浮點(diǎn)擴(kuò)展的ARM Cortex-M4內(nèi)核，32具有許多高級(jí)功能的-bit內(nèi)核，與英飛凌的CCU4/CCU8和HRPWM功能完全集成。英飛凌提供一系列DAVE應(yīng)用程序，用于使用HRPWM模塊進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換和PWM生成。因此，它是一個(gè)綜合平臺(tái)，適用于最復(fù)雜的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

PWM的重要性

雖然許多DSC基于最初為MCU設(shè)計(jì)的核心，但有些采用基于DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）的核心，并將其與DSC解決方案所需的硬件功能相結(jié)合。這種類型器件的一個(gè)很好的例子是德州儀器的TMS320F2802x Piccolo MCU。然而，可能比其核心更重要的是增強(qiáng)型PWM外設(shè)。這是一種高度可編程且基本上自主的外設(shè)，一旦配置，只需最少的CPU交互即可運(yùn)行。這顯然提供了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，例如復(fù)雜的功率轉(zhuǎn)換。

每個(gè)ePWM都具有一個(gè)16位時(shí)基計(jì)數(shù)器，并支持兩個(gè)PWM輸出，可以獨(dú)立工作。它們還具有8個(gè)子模塊，包括時(shí)基計(jì)數(shù)器，其中包括用于傳統(tǒng)上下開關(guān)互補(bǔ)控制的死區(qū)子模塊，以及用于產(chǎn)生斬波載波頻率的PWM斬波器如果需要。某些型號(hào)也提供PWM（HRPWM）的高分辨率擴(kuò)展。圖2顯示了Piccolo如何用于峰值電流模式控制（PCMC）降壓轉(zhuǎn)換器。

圖2：德州儀器的Piccolo DSC采用峰值電流模式控制降壓轉(zhuǎn)換器配置。

合并能力具有類似DSP功能的MCU內(nèi)核創(chuàng)建DSC在數(shù)字電源應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這實(shí)際上是恩智浦（原飛思卡爾半導(dǎo)體）的56F8037/56F8027系列所提供的。基于具有雙哈佛架構(gòu)的專用內(nèi)核，其單周期設(shè)計(jì)意味著它每秒可以執(zhí)行高達(dá)3200萬條指令，運(yùn)行頻率僅為32 MHz。這是由單周期16 x 16位并行MAC（乘法器 - 累加器）單元輔助的。雖然核心頻率僅為32 MHz，但PWM可以采用高達(dá)96 MHz的時(shí)鐘運(yùn)行，分辨率為15位。六輸出PWM模塊允許從PWM發(fā)生器，外部GPIO，內(nèi)部定時(shí)器，模擬比較器輸出或ADC轉(zhuǎn)換提供源信號(hào)。

圖3：此圖顯示了恩智浦56F8000如何在隔離的110 W DC/DC SMPS中提供數(shù)字控制。

圖3顯示了一個(gè)塊56F8000的圖表，因?yàn)樗鼘⒂糜贒C/DC SMPS應(yīng)用，在這個(gè)例子中它是一個(gè)110 W隔離開關(guān)模式電源，DSC在次級(jí)側(cè)。

結(jié)論

向數(shù)字電源的遷移已經(jīng)有一段時(shí)間了;數(shù)字控制的好處很難否認(rèn)，并且由于在單個(gè)器件上模擬和數(shù)字集成的持續(xù)和積極進(jìn)步，采用數(shù)字電源解決方案現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更具成本效益。

對(duì)更節(jié)能運(yùn)行的需求只會(huì)增加，這自然有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。現(xiàn)在有這么多有能力的解決方案，很明顯，轉(zhuǎn)向數(shù)字電源轉(zhuǎn)換不僅具有商業(yè)吸引力，而且在技術(shù)上也是有益的。