電源通常是系統(tǒng)開發(fā)中進(jìn)行的最后一項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)討論常常是這樣開始：“好吧，我們來設(shè)計(jì)一個(gè)電源，它的輸入電壓是這么大，多個(gè)輸出的電流是這么大，而且具有一個(gè)效率目標(biāo)，以控制散熱”。然而，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜。電源設(shè)計(jì)工程師知道好的電源（特別是功率高達(dá)數(shù)百瓦的電源）必須平衡經(jīng)常相互沖突的目標(biāo)。這些目標(biāo)包括輸出靈活性、動態(tài)線路/負(fù)載性能、高負(fù)載和低負(fù)載效率、元件公差、散熱問題和溫度系數(shù)、監(jiān)測和保護(hù)以及電壓或電流的動態(tài)變化。
除了長期致力于開發(fā)各種解決方案，以滿足最新負(fù)載要求的電源專家以外，設(shè)計(jì)高性能電源的困難并未得到全面認(rèn)識。這在為構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)（IoT）云計(jì)算和電信基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)器和存儲網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)電源的挑戰(zhàn)中得到例證。一度被歸于高性能CPU的性能要求，現(xiàn)在也延伸到中型甚至小型的負(fù)載中。
模擬控制拓?fù)涞陌l(fā)展趨緩
為滿足這些要求，設(shè)計(jì)工程師開發(fā)了許多創(chuàng)新的模擬控制回路和技術(shù)，例如恒定導(dǎo)通時(shí)間或滯后控制，以及典型的電壓和電流模式方案等等。盡管這些設(shè)計(jì)具有不少特性，但它們都已經(jīng)沒法滿足用戶的要求。在采用PWM控制器情況下，諸如誤差放大器、比較器和斜坡發(fā)生器等功能塊受到其設(shè)計(jì)約束和變量的限制。它們受到信號鏈中的時(shí)移和相移，以及在為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)選擇元件時(shí)的噪聲注入和大信號響應(yīng)問題的影響（見圖1）。
圖1. 模擬PWM電源控制器
（英文 中文翻譯：Analog PWM Controller 模擬PWM控制器；Error Amp 誤差放大器；Comp 比較器；Ramp Generator 斜坡發(fā)生器；Latch 鎖存器；Driver 驅(qū)動器）
這些設(shè)計(jì)的性質(zhì)（必須按照具體應(yīng)用需求對電路進(jìn)行調(diào)整，確保對性能的妥協(xié)降到最低）意味著信號控制器無法提供最新系統(tǒng)要求的靈活性。這種限制已導(dǎo)致模擬控制器的性能和使用停滯不前。好在，數(shù)字電源控制（亦稱“數(shù)字電源”）提供了一種更好的替代方案。
數(shù)字電源控制是什么？對一些人而言，它仍然是一個(gè)模擬控制回路，但有些參數(shù)可以通過數(shù)字接口進(jìn)行調(diào)整。例如，可以通過PMBus接口發(fā)出命令來改變輸出電壓。但這種說法并沒有提到數(shù)字控制以及數(shù)字電源能給市場帶來什么好處。
數(shù)字電源來救場
基于PWM DC/DC控制器的真正數(shù)字電源控制遠(yuǎn)不只是對內(nèi)部模擬回路的管理。相反，實(shí)際閉環(huán)反饋路徑完全是在數(shù)字域內(nèi)執(zhí)行的，起點(diǎn)是反饋電壓的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。一旦所有信息都在數(shù)字域內(nèi)，就可以應(yīng)用新的先進(jìn)控制技術(shù)和數(shù)字信號處理。例如，根據(jù)負(fù)載的條件改變狀態(tài)和算法，以便在不斷變化的條件下也能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的響應(yīng)（見圖2）。
圖2. 數(shù)字電源控制器的實(shí)現(xiàn)
（英文 中文翻譯：Digital-DC Controller 數(shù)字DC控制器；Power Management 電源管理；Serial Interface 串行接口；Multi level comp 多級比較器；Digital PID Filter 數(shù)字PID濾波器；Driver 驅(qū)動器）
數(shù)字控制的好處不只是先進(jìn)的控制策略和實(shí)現(xiàn)的靈活性。算法能夠適應(yīng)變化，從而克服了以前在模擬電源中出現(xiàn)的局限性，例如由于溫度上升、公差甚至老化而產(chǎn)生的元件變異。請注意，有些無源元件（如電感和電容）的初始公差可輕松達(dá)到±20%甚至更高，使用公差更小的元件會顯著增加設(shè)計(jì)成本。數(shù)字電源控制器不再需要捉襟見肘地平衡復(fù)雜設(shè)計(jì)中的眾多無源和模擬元件，并為其表現(xiàn)不理想負(fù)責(zé)。借助先進(jìn)的數(shù)字控制算法，回路穩(wěn)定性挑戰(zhàn)也不再是個(gè)問題。