一切電子設(shè)備都要用電，電源也就無(wú)處不在。電源在我們印象中就是輸入端進(jìn)電，輸出端對(duì)用電設(shè)備供電，它的電路是由一堆的電阻、電容、電感還有變壓器、風(fēng)扇之類構(gòu)成。如果有人問(wèn)你電源屬于模擬電路還是數(shù)字電路，相信大家一定會(huì)說(shuō)是模擬電路，事實(shí)上電源系統(tǒng)的電力部分確實(shí)是模擬電路，生活中常見(jiàn)電器也多為模擬電源。那么近年來(lái)，為何數(shù)字電源的概念越來(lái)越常見(jiàn)?數(shù)字電源究竟是什么?

數(shù)字電源屬于開(kāi)關(guān)電源，但是開(kāi)關(guān)電源不一定是數(shù)字電源。請(qǐng)看下面圖1-2。

從上面兩張圖我們就可以看出，一個(gè)開(kāi)關(guān)電源到底是不是數(shù)字電源，取決于開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)信號(hào)是否由軟件計(jì)算出來(lái)。開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于DSP、MCU的應(yīng)用，早期的開(kāi)關(guān)電源都由模擬電路生成PWM調(diào)制信號(hào)。后來(lái)DSP在以UPS應(yīng)用為代表的逆變器控制電路上得到了大規(guī)模應(yīng)用，但在開(kāi)關(guān)電源DC—DC部分卻很少使用，并且長(zhǎng)期局限于IT行業(yè)的服務(wù)器電源應(yīng)用。近年來(lái)，有不少開(kāi)關(guān)電源的DC—DC電路采用了DSP/MCU，PWM調(diào)制信號(hào)由軟件算法計(jì)算產(chǎn)生，這才是這里所說(shuō)的數(shù)字電源。

通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)的用于電源控制算法的復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬電路所能實(shí)現(xiàn)的硬控制算法，后者僅局限于PID控制。DSP/MCU的應(yīng)用使得開(kāi)關(guān)電源能夠用上各種現(xiàn)代控制算法，比如自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制等。這些先進(jìn)的控制算法大大的擴(kuò)展了數(shù)字電源的性能，豐富了其應(yīng)用場(chǎng)景。

當(dāng)然，這里不是說(shuō)數(shù)字電源一定比模擬電源性能更優(yōu)越、數(shù)字電源會(huì)淘汰模擬電源。近年來(lái)，電源市場(chǎng)上模擬電源與數(shù)字電源之爭(zhēng)確實(shí)存在?？傮w上講，負(fù)載波動(dòng)不大，電壓等級(jí)需求單一的系統(tǒng)適合采用模擬電源。這種條件下，由于模擬電源沒(méi)有軟件計(jì)算的延遲，其響應(yīng)性能反而優(yōu)于數(shù)字電源。

用電需求復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心

如果負(fù)載波動(dòng)大，要求多路不同的供電電壓，甚至對(duì)供電的時(shí)序也有特殊要求，比如通信用電源、數(shù)據(jù)中心供配電、復(fù)雜電路系統(tǒng)(FPGA/CPU)等，這些用戶就需要數(shù)字電源。究其原因，就是復(fù)雜的功能可以由靈活的軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，高難度的控制需求可以有先進(jìn)的算法來(lái)滿足。

除了通過(guò)軟件編程可以帶來(lái)多功能以及控制算法上的優(yōu)勢(shì)外，數(shù)字電源所采用的DSP/MCU往往還帶有豐富的通信外設(shè)。各種接口的使用讓數(shù)字電源具備了通信能力，這大大擴(kuò)展了數(shù)字電源的應(yīng)用場(chǎng)景和功能，比如遠(yuǎn)程控制、在線監(jiān)測(cè)、在線升級(jí)軟件、多電源組網(wǎng)、集群管理、故障報(bào)警等等。這是純模擬電源完全不具備的。DSP/MCU在數(shù)字電源的應(yīng)用還催生了數(shù)字電源專用的通訊協(xié)議——PMBus(Power Management Bus，電源管理總線)，這是一種開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電源管理協(xié)議。通過(guò)定義傳輸和物理接口以及命令語(yǔ)言，即可促進(jìn)與電源轉(zhuǎn)換器或其他設(shè)備的通信。支持PMBus的芯片已經(jīng)出現(xiàn)在了很多大牌半導(dǎo)體廠商的產(chǎn)品庫(kù)中。

針對(duì)數(shù)字電源這一新興電源市場(chǎng)，各大傳統(tǒng)DSP/MCU廠商都推出了專用數(shù)字電源用DSP/MCU芯片。比如Microchip推出了16位DSC：dsPIC33EP GS系列。STMicroelectronics也在STM32家族中推出了采用ARM-Cortex M4核心的STM32G474和STM32F334。

電源設(shè)計(jì)工程師通常采用靈活的電源監(jiān)視、時(shí)序控制和調(diào)節(jié)電路來(lái)管理他們的系統(tǒng)。本文討論電源管理的原理和方法。

多年來(lái)，為了使電子系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、耐用和正常工作，對(duì)越來(lái)越多的電源電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制變得極為重要——特別是對(duì)于使用微處理器的系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)一組電源電壓是否超過(guò)閾值或者仍然處于正常工作范圍內(nèi)，以及該電壓是否相對(duì)于其它電壓依照正確時(shí)序啟動(dòng)或關(guān)閉，對(duì)于系統(tǒng)工作的可靠性和安全性來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，在每個(gè)不同角度上都有著許多解決的方法。例如，利用一個(gè)由精密電阻分壓器、比較器和參考電壓所組成的簡(jiǎn)單電路，能夠用來(lái)檢測(cè)一組電源電壓是否高于或低于某一規(guī)定電壓。在復(fù)位發(fā)生器中，例如ADM8032，這種元件與一個(gè)延遲元件相結(jié)合來(lái)控制器件——例如微處理器、專用集成電路(ASIC)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)——在電源啟動(dòng)的同時(shí)就處于復(fù)位狀態(tài)。這種等級(jí)的監(jiān)測(cè)對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是足以勝任的。當(dāng)需要監(jiān)測(cè)多組電源電壓時(shí)，通常將多個(gè)器件(或是多通道比較器及其相關(guān)電路)并聯(lián)使用，但是增加了對(duì)監(jiān)控IC的要求，不再是簡(jiǎn)單的閾值比較。

在許多應(yīng)用中，電源的數(shù)目也顯著增加。在一些復(fù)雜、昂貴的系統(tǒng)中，例如局域網(wǎng)(LAN)交換機(jī)和蜂窩電話基站，通常都會(huì)有內(nèi)含10組或更多電源的線路卡;即使注重降低成本的消費(fèi)類系統(tǒng)，例如等離子電視，也可能有多達(dá)15組的獨(dú)立電源，其中許多電源需要監(jiān)測(cè)和時(shí)序控制?，F(xiàn)今許多高性能的IC都需要多組電源，例如，對(duì)于許多器件而言，提供獨(dú)立的內(nèi)核電源電壓和I/O電源電壓已成為一種標(biāo)準(zhǔn)作法。在高端產(chǎn)品方面，每顆 DSP可能需要高達(dá)四個(gè)獨(dú)立供應(yīng)的電源。在許多情況下，多顆多電源器件可能共同存在于同一系統(tǒng)中，其中包含F(xiàn)PGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器(以及模擬單元)。

許多器件都采用標(biāo)準(zhǔn)電源電壓(例如 3.3 V)，而另一些器件可能需要專用電源電壓。除此之外，一個(gè)特定的標(biāo)準(zhǔn)電壓還可能需要根據(jù)不同的供應(yīng)對(duì)象而個(gè)別加以調(diào)整。例如，有時(shí)會(huì)需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL這樣獨(dú)立供應(yīng)的模擬電源和數(shù)字電源。為了提高效率(例如：供應(yīng)給內(nèi)存使用的電源電流可能達(dá)到數(shù)百安培)或者為了滿足時(shí)序要求(個(gè)別的器件在不同時(shí)間需要3.3 VA以及3.3 VB)，多次產(chǎn)生相同的電壓有時(shí)可能是必要的。所有的這些因素都促使電源數(shù)目的增加。電源電壓監(jiān)測(cè)和時(shí)序控制有時(shí)會(huì)變得極為復(fù)雜，特別是當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成能夠支持電源上電和電源關(guān)斷的時(shí)序控制、以及能夠在工作期間內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)上，針對(duì)各組電源所有可能的故障狀況產(chǎn)生多種響應(yīng)，而中心電源管理控制器正是解決這個(gè)難題的最佳方案。

隨著電源電壓數(shù)目的成加，故障發(fā)生的機(jī)率也隨著增加。其風(fēng)險(xiǎn)與電源數(shù)目、器件數(shù)量和系統(tǒng)復(fù)雜程度成比例增加。外在因素也會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)，例如，假如在初始設(shè)計(jì)階段，主要的ASIC的特性沒(méi)有被完整的定義清楚，那么電源設(shè)計(jì)工程師必須用硬件方法完成電壓閾值監(jiān)測(cè)和時(shí)序控制，因?yàn)闀?huì)隨著ASIC的發(fā)展其電源電壓指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化。假如其技術(shù)要求改變，那么其PCB必須根據(jù)——明確的進(jìn)程予以修改，這通常涉及到成本問(wèn)題。另外，對(duì)于某些特定器件來(lái)說(shuō)，其電源電壓的指標(biāo)可能會(huì)在其開(kāi)發(fā)期間有所變化。在這種情況之下，對(duì)于任一個(gè)中心電源系統(tǒng)管理器來(lái)說(shuō)，一個(gè)易于調(diào)整電源電壓的方法應(yīng)該是非常有用的。事實(shí)上，在對(duì)于此類系統(tǒng)的電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、時(shí)序控制和調(diào)節(jié)所應(yīng)具備的靈活性是非常必要的。