數(shù)字電源

詞語解釋

數(shù)字電源是指在數(shù)字通信中，使用電源來提供信號(hào)電源的方式。它可以提供更高的可靠性，更低的噪聲水平，更高的信號(hào)質(zhì)量，更高的靈敏度和更低的功耗。數(shù)字電源的應(yīng)用主要有兩種：一種是用于支持?jǐn)?shù)字信號(hào)的電源，另一種是用于支持模擬信號(hào)的電源。在數(shù)字信號(hào)的電源方面，數(shù)字電源可以提供更高的可靠性，更低的噪聲水平，更高的信號(hào)質(zhì)量，更高的靈敏度和更低的功耗。它可以用于支持多種數(shù)字信號(hào)，如數(shù)字視頻、數(shù)字音頻、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字電話、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)等。在模擬信號(hào)的電源方面，數(shù)字電源可以提供更高的精度，更低的噪聲水平，更高的靈敏度和更低的功耗。它可以用于支持多種模擬信號(hào)，如模擬視頻、模擬音頻、模擬調(diào)制解調(diào)器、模擬電話、模擬網(wǎng)絡(luò)等。總之，數(shù)字電源是一種高精度、低噪聲、高靈敏度、低功耗的電源，可以支持?jǐn)?shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，在通信中有著重要的作用。

數(shù)字電源是采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)電源的控制、保護(hù)回路與通信接口的新型電源技術(shù)�？删幊�、響應(yīng)性和數(shù)字環(huán)路控制是表征數(shù)字電源的3個(gè)主要特征。

隨著電源系統(tǒng)的性能和功率的不斷提高，實(shí)現(xiàn)電源性能指標(biāo)所必需的元件數(shù)量和成本也隨之增加，越來越多的控制需要通過具有成本效益的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。一般認(rèn)為，在設(shè)計(jì)DC/DC變換器時(shí)，通常100W以上的系統(tǒng)中會(huì)應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)；而在設(shè)計(jì)AC/DC變換器時(shí)，250W以上的系統(tǒng)會(huì)應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，這樣電源的經(jīng)濟(jì)性會(huì)更高一些。因此，在未來的電源系統(tǒng)中，模擬與數(shù)字技術(shù)將共存相當(dāng)一段時(shí)間。30年前，電源行業(yè)轉(zhuǎn)向開關(guān)電源是一個(gè)很大的變化，而電源數(shù)字化趨勢(shì)將會(huì)是一個(gè)更大的變化。

數(shù)字電源的定義　　
什么是數(shù)字電源，業(yè)界對(duì)此并沒有一個(gè)清晰統(tǒng)一的定義，各個(gè)公司對(duì)此的解釋也不盡相同。
　　TI從功能上對(duì)數(shù)字電源進(jìn)行了定義：數(shù)字電源就是數(shù)字化控制的電源產(chǎn)品，它能提供管理和監(jiān)控功能，并延伸到對(duì)整個(gè)回路的控制。
　　DC/DC轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商Power One公司的市場(chǎng)發(fā)展總監(jiān)Pechi Lou則認(rèn)為：除了DPM，數(shù)字電源還應(yīng)該包括數(shù)字電源轉(zhuǎn)換(DPC)層面�！皞鹘y(tǒng)的非隔離式POL轉(zhuǎn)換器所采用的模擬PWM反饋回路被DPC中的數(shù)字PWM(DPWM)所取代，因此可對(duì)POL轉(zhuǎn)
換器進(jìn)行純數(shù)字控制。”Lou指出，“采用大量外部元件對(duì)模擬的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字管理的方式雖然可行，但并不經(jīng)濟(jì)；而采用數(shù)字轉(zhuǎn)換器不僅使該任務(wù)簡(jiǎn)單，還可以實(shí)現(xiàn)大量的功能操作�！�
　　意法微電子(ST)則從系統(tǒng)框架的層面進(jìn)行了闡述，“DPM的概念是：通過一個(gè)數(shù)字內(nèi)核和嵌入式通信接口(通常為I2C)對(duì)多個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊和外部元件進(jìn)行控制�！�
　　飛兆半導(dǎo)體則強(qiáng)調(diào)了DPM與傳統(tǒng)的模擬電源管理方案的差別：“DPM提供自適應(yīng)控制，能在相同的應(yīng)用中適應(yīng)不斷變化的需求。DPM利用模擬前端進(jìn)行探測(cè)，并執(zhí)行一組方程式，以每一周期為基礎(chǔ)提供輸出控制。此外，DPM無需附加外
部元件，而傳統(tǒng)方案卻需要用外部元件進(jìn)行微調(diào)�！�
　　電源模塊廠商Astec(Emerson的子公司)對(duì)DPM的看法是是在電源系統(tǒng)內(nèi)部以及PWM控制回路進(jìn)行管家式管理。因此，DPM的框架主要為一個(gè)或多個(gè)MCU、一些讀寫存儲(chǔ)器、通信接口和各種推挽式功率放大器和傳感器。
　　實(shí)際上做為數(shù)字電源，首先，PWM的信號(hào)輸出是由數(shù)字控制芯片提供；第二，控制環(huán)路的反饋計(jì)算工作交由數(shù)字單元完成；第三留有人機(jī)交互界面，便于信息的交換，而且可以實(shí)現(xiàn)電源輸出的可控和輸入的監(jiān)測(cè)；第四，留有通信總線
接口，可方便實(shí)現(xiàn)群監(jiān)群控，冗余控制等。
數(shù)字電源與模擬電源的區(qū)別　　
數(shù)字電源與模擬電源的區(qū)別主要集中在控制與通信部分。在簡(jiǎn)單易用、參數(shù)變更要求不多的應(yīng)用場(chǎng)合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對(duì)性可以通過硬件固化來實(shí)現(xiàn)，而在可控因素較多、實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快、需要多個(gè)模擬系統(tǒng)
電源管理的、復(fù)雜的高性能系統(tǒng)應(yīng)用中，數(shù)字電源則具有優(yōu)勢(shì)。
　　此外，在復(fù)雜的多系統(tǒng)業(yè)務(wù)中，相對(duì)模擬電源，數(shù)字電源是通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)多方面的應(yīng)用，其具備的可擴(kuò)展性與重復(fù)使用性使用戶可以方便更改工作參數(shù)，優(yōu)化電源系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)過電流保護(hù)與管理，它還可以減少外圍器件的
數(shù)量。
　　數(shù)字電源有用DSP控制的，還有用MCU控制的。相對(duì)來講，DSP控制的電源采用數(shù)字濾波方式，較MCU控制的電源更能滿足復(fù)雜的電源需求、實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快、電源穩(wěn)壓性能更好。
　　數(shù)字電源有什么好處？它首先是可編程的，比如通訊、檢測(cè)、遙測(cè)等所有功能都可用軟件編程實(shí)現(xiàn)。另外，數(shù)字電源具有高性能和高可靠性，非常靈活。
　　數(shù)字電源不是讓模擬電源冗余的“魔法子彈”。模擬和數(shù)字電源都會(huì)存在，并將和睦相處。如果不需要額外的數(shù)字控制功能，那么模擬電源毫無疑問就是理想選擇。反之，在有眾多嚴(yán)格調(diào)節(jié)功率級(jí)的復(fù)雜系統(tǒng)中，要求監(jiān)控、數(shù)據(jù)通
信和靈活控制環(huán)路，這時(shí)數(shù)字解決方案更能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。幸運(yùn)的是，數(shù)字電源控制優(yōu)化微處理器的推出以及一些新型工具和培訓(xùn)的出現(xiàn)可以讓廣大設(shè)計(jì)人員可以為眼前的應(yīng)用選擇最佳的解決方案。
使用前需考慮的問題　　
在使用數(shù)字電源以前，當(dāng)然也有一些必須要考慮的問題。數(shù)字控制器的 PCB 板級(jí)空間必須包括 MCU、晶體時(shí)鐘、保護(hù)/濾波和 ADC 引腳緩沖。另外，對(duì) PWM 精度和 ADC 動(dòng)態(tài)范圍也有一些限制。盡管如此，一些最新的數(shù)字電源專用 MCU
產(chǎn)品還是可以解決多大數(shù)這些問題。
　　模擬工程師們擔(dān)心的另一個(gè)問題是掌握這些數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)所需的時(shí)間和精力。許多情況下，如 Z 轉(zhuǎn)換和采樣理論等概念通常自畢業(yè)那天起就沒有接觸過了！幸運(yùn)的是，許多在線工具現(xiàn)在都是免費(fèi)提供，其自動(dòng)根據(jù)一套用戶頻率域規(guī)
范將一個(gè)模擬設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間當(dāng)量。
數(shù)字電源的分類　　
數(shù)字電源從電壓及電流值在A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息的處理手段來看，可大致分為兩種，即：
　　◆數(shù)字化后通過硬接線專用邏輯電路實(shí)施PID控制；
　　◆數(shù)字化后通過DSP微控制器等以軟件方式實(shí)施復(fù)雜控制。
　　但從市場(chǎng)的角度來看，又可分為以下兩種：
　　◆ 數(shù)字電源管理器(DPM)，使用數(shù)字信息來管理電源系統(tǒng)及其中電源的整體運(yùn)作。有了DPM，就可以利用數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)與電源的通信，以監(jiān)控和管理加電、測(cè)序、負(fù)載分配和平衡、故障情況、熱交換、保養(yǎng)問題和其他任務(wù)。
　　◆ 電源數(shù)字控制器(DCP)，使用數(shù)字技術(shù)來控制電源單元內(nèi)部的功率開關(guān)功能。從理論上來說，這意味著盡可能早地執(zhí)行模－數(shù)轉(zhuǎn)換，使電源中所有的反饋和控制功能在數(shù)字域進(jìn)行處理。
數(shù)字電源市場(chǎng)的大事件　　
過去幾年內(nèi)，發(fā)生的幾件事影響了數(shù)字電源市場(chǎng)：
　　◆ 英飛凌收購Primarion 公司
　　◆ Exar 公司收購了FyreStorm 的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)
　　◆ Intersiln 收購Zilker Labs
　　◆ 德州儀器收購Ciclon
　　◆ Power One 在PMBus 方面取得了有關(guān)數(shù)字電源的專利訴訟勝利
　　◆ Volterra 大肆擴(kuò)張負(fù)載點(diǎn)(POL)市場(chǎng)份額凌特公司、英飛凌和德州儀器獲得Power One 的數(shù)字電源專利許可
　　在過去幾年發(fā)生的所有事件已經(jīng)為一項(xiàng)主導(dǎo)技術(shù)確定了路徑：DCP。在DCP 技術(shù)領(lǐng)域，兩類設(shè)計(jì)占優(yōu)勢(shì)地位：基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的設(shè)計(jì)，以及基于微控制器PID-內(nèi)存的設(shè)計(jì)。微控制器PID-內(nèi)存的設(shè)計(jì)將成為主導(dǎo)，因其具有靈
活性且復(fù)雜程度較低。

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