經過數(shù)十年的發(fā)展，高規(guī)格DC/DC轉換器已經達到性能頂峰，要求電源工程師重新考慮設計方法。事實上，采用人們熟知的模擬控制機制的轉換器如今在轉換效率和功率密度指標方面已經少有進步，隨著設計人員更多地認識到數(shù)字電源控制技術的優(yōu)勢，數(shù)字電源控制技術正在迅速提升市場份額。在實際應用中，任何數(shù)字電源轉換器都會采用混合信號硅片工藝支持的模擬和數(shù)字組合電路。在本文中，“數(shù)字電源控制”指的是用數(shù)字電路而不是模擬機制實現(xiàn)電源轉換器的內部控制環(huán)路。

對于最簡單的降壓轉換器例子來說，這意味著用模數(shù)轉換器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的誤差信號反饋放大器，并使用數(shù)字信號處理技術代替電壓基準、斜坡發(fā)生器和比較器控制驅動電源開關的脈寬調制器，見圖1。

圖1：數(shù)字降壓轉換器采用數(shù)字信號處理技術代替模擬控制環(huán)。

對于混合信號內核而言，增加片上“數(shù)字電源管理”功能極具吸引力，這種功能包含了監(jiān)視和控制電路，可與外部邏輯通信以促進電源管理機制。集成這種功能而額外增加的硅成本是可忽略的，但卻能極大地降低PCB占用面積要求，同時優(yōu)化電源轉換器內核與其測量和控制子系統(tǒng)之間的耦合。

板級I/O系統(tǒng)選擇的是基于SMBus硬件的PMBus電源行業(yè)標準，它的集成也很容易和便宜?，F(xiàn)在有多家硅供應商提供的芯片包含了構建數(shù)字電源轉換器必需的所有元件，并且外部元件數(shù)量極少。更少的元件有助于縮小數(shù)字轉換器體積、提高可靠性和降低成本——而且控制轉換器操作的數(shù)字值不會隨著時間或溫度發(fā)生漂移。

數(shù)字轉換器的基本要求

對任何數(shù)字電源轉換器的基本要求是必須至少要有最優(yōu)秀的實用模擬解決方案的效率，并且不犧牲任何電氣性能——包括穩(wěn)壓精度、瞬態(tài)響應或輸出噪聲電平。事實上所有電源轉換器在輕負載時都具有最低的效率，而且大多數(shù)模擬DC/DC轉換器在達到輸出最大功率的15－20%時才開始趨于高效工作。

一般來說，這種轉換器大約在最大負載的50－70%時取得最大效率，這正是它們的設計人員希望用戶使用的負載范圍。直到最近，這種特征工作范圍一直非常適合負載相對穩(wěn)定的大多數(shù)系統(tǒng)，但今天越來越多的系統(tǒng)被設計為只要有可能就關閉盡可能多的功能以節(jié)省能耗。

這種情況下要求更多的電源能夠在非常輕負載時就能高效工作，這時在可能根本不是很穩(wěn)定的轉換器輸入電壓方面可能出現(xiàn)回跳或次生效應。如圖2中的一對典型的四分之一磚塊中間總線DC/DC轉換器所示，設計良好的數(shù)字轉換器可以從滿負載的約10%開始就能提供比模擬轉換器相同或更高的效率，然后直到100%負載都能保持性能優(yōu)勢，同時對不斷變化的輸入電壓提供出色的容差性能。

圖2：12V/33A電源在25℃時的典型效率與負載電流和輸入電壓的關系。上圖針對的是模擬PKM 43048 PI電源；下圖針對的是數(shù)字BMR453電源。

數(shù)據(jù)轉換器用于延伸和展平工作效率曲線的一個關鍵技術是改變電源開關導通之間的死區(qū)時間。對于圖1所示的降壓轉換器例子，這種“直通”防止措施能夠確保兩個MOSFET管不會同時導通，而同時導通幾乎肯定會導致兩個管子互相損壞。

要想獲得最高效率，器件開關之間的過渡時間必須是零，但大多數(shù)轉換器使用固定的周期，這能保證轉換器在線路和負載范圍內安全工作。改變這個周期以反映輸入線路狀態(tài)可以將轉換器的極限工作效率提高幾個百分點。雖然有家硅供應商已經獲得了在模擬控制器芯片中完成這一任務的技術專利，但數(shù)字轉換器可以更加容易和靈活地滿足這個要求。

任何數(shù)字電源轉換器還必須提供有競爭力的功率密度——這個相對容易保證——同時要像模擬轉換器那樣容易使用。設計和應用之間的差異因此變得非常顯著，而且對大多數(shù)工程師來說數(shù)字電源轉換器的主要缺點是這種技術所要求的學習曲線。模擬轉換器需要使用電阻和電容設置極點和零點，以便平衡控制環(huán)路的動態(tài)響應與穩(wěn)定性之間的關系——有時還要設置死區(qū)時間周期——但數(shù)字轉換器使用常數(shù)組達到這些目的。

假如有正確的控制算法，數(shù)字轉換器就可以根據(jù)線路和負載條件實時地交換PID（比例－積分－微分）常數(shù)的不同值，從而使其性能一直勝過模擬轉換器設計。盡管硅供應商付出了很大的努力來完善開發(fā)環(huán)境，幫助簡化數(shù)字轉換器控制環(huán)路的調整，但開發(fā)魯棒性的固件仍需很大的工作量。

因此，許多工程師更愿意確定預先經過認證的數(shù)字電源轉換器模塊，從而實現(xiàn)這種技術的無縫過渡。在開發(fā)3E系列數(shù)字電源產品的首款器件過程中，愛立信證實可以將傳統(tǒng)松散調節(jié)的中間總線轉換器的高功率提高約3%，四分之一磚轉換器最大可以輸出396W的功率。

與此同時，這種數(shù)字轉換器可以提供相同尺寸下僅輸出204W的滿幅調整模擬DC/DC轉換器的嚴格±2%電壓調整率。轉換效率從最大輸出功率的約10%開始就超過96%。雖然數(shù)字轉換器集成有PMBus接口，但你可以忽略它，像任何模擬器件一樣輕松地使用這種數(shù)字轉換器。

同樣的好處可不同程度地應用于目前市場中出現(xiàn)的越來越廣泛的數(shù)字電源產品，而且結果是即使擁有豐富經驗的電源設計人員也越來越多的接受模塊化解決方案。

數(shù)字可配置能力

除了提高以前主導電源設計人員思想的電氣性能和功率密度外，數(shù)字電源還有許多其它優(yōu)勢。將電源管理硬件和PMBus接口與轉換器核心器件集成在一起可以提供大量好處，這些好處貫穿于最終用戶應用的整個生命期。

重要的是，現(xiàn)在可以在多種場合配置數(shù)字轉換器，包括最初制造之時、在電源系統(tǒng)設計人員應用的開發(fā)階段、在分銷商的倉庫里、設備制造時以及在最終用戶設備中工作時。這種高度靈活性首次將可編程邏輯模型延伸至電源轉換產業(yè)。

例如，愛立信3E系列數(shù)字電源轉換器的每位成員都能提供一組可編程參數(shù)，包括輸出電壓選擇；針對多軌負載實現(xiàn)上電順序的打開/關閉延時時間；提供浪涌電流保護的壓擺率控制；用于系統(tǒng)測試的電壓余量；針對過流、過溫、欠壓和過壓時產生告警和故障狀態(tài)的多種閾值。甚至還可以調整3E數(shù)字轉換器控制環(huán)路的響應，以便優(yōu)化在特定負載和大輸出電容條件下的性能。圖3顯示了通過精確調整常數(shù)設置3E負載點穩(wěn)壓器控制環(huán)路響應以優(yōu)化給定環(huán)境下瞬態(tài)響應性能的結果。

圖3：重新編程數(shù)字電源轉換器中的控制環(huán)路常數(shù)可以優(yōu)化給定工作環(huán)境下的動態(tài)性能

設計人員可以在3E產品生命期內的任何時間點使用轉換器的PMBus接口編程其中任何參數(shù)。支持這種操作的PMBus協(xié)議包含一個標準命令集，這個命令集還可以經過擴展適應定制操作。重要的是，PMBus強制使用一種叫做“設置－遺忘”的模式，允許設計人員一旦完成兼容器件的編程，那么在下次重新編程之前器件都能保持參數(shù)設置不變。

這個功能開啟了包括合理化庫存資產的各種可能，因為可以用運行在獨立模式的單個可編程數(shù)字轉換器代替多個固定電壓的模擬轉換器——也就是說，不需要目標板上有PMBus——進而開發(fā)出完全支持PMBus的系統(tǒng)，并有助于通過標記可能出故障的任何告警和錯誤狀態(tài)而確保最大的系統(tǒng)運行時間。

另外，一個完整支持PMBus的系統(tǒng)可以通過智能管理電源軌電壓優(yōu)化整個系統(tǒng)負載功率范圍內的效率而盡可能減小能耗。例如，在輕負載條件下重新編程給多個負載點轉換器供電的中間總線電壓（比如從12VDC到9VDC）可以降低這些轉換器的負擔，并最大限度地減小損耗。這種動態(tài)總線電壓適應技術非常有名，特別適合很大部分時間內負載條件變化很寬的系統(tǒng)，但用模擬轉換器技術實現(xiàn)極具挑戰(zhàn)性。

PMBus支持快速創(chuàng)建原型

實現(xiàn)數(shù)字電源轉換提供的靈活性的關鍵是盡可能讓設計人員容易使用。圖4顯示了基于傳統(tǒng)背板的系統(tǒng)中典型電路板的結構，其中包括了支持電源管理功能的一條通信鏈路。

圖4：PMBus使得監(jiān)視和控制兼容性電源系統(tǒng)器件（如3E系列）變得非常容易

在這個案例中，可能包含本地智能的板載電源管理邏輯將電路板的PMBus兼容器件與系統(tǒng)主機鏈接在一起，而這個主機——取決于最終用戶應用的復雜程度——可以是一臺運行應用軟件的PC，或具有LAN/WAN鏈路的嵌入式控制器。

因為PMBus的物理層依賴于SMBus——電氣上非常類似I2C——PMBus一般限用于電路板領域，設計人員可以自由地實現(xiàn)他們所選的背板連接。電路板電源控制邏輯要求通常不是很高，可以使用低成本的微控制器甚至FPGA中的一些空閑門：

基于開發(fā)的目的，系統(tǒng)主機和用戶接口可以由PC組成，同時PC上運行專用的應用開發(fā)軟件，并通過USB-to-PMBus適配器連接到原型板。這種方法提供了一種特別快速的參數(shù)（如輸出電壓設置、加電順序例程、電壓余量）試驗和故障處理方法，被測電路板上不需要做任何硬件改動。當設計人員對設置參數(shù)感到滿意時，應用軟件可以為每個可編程電源轉換器保存一個配置文件。圖5顯示了3E評估套件的軟件在器件配置屏幕中呈現(xiàn)的一些選項。

圖5：3E評估套件的圖形用戶界面軟件可以極大地簡化器件配置。

未來規(guī)劃

事實上系統(tǒng)的電源要求在特定系列設備的生命期內通常會發(fā)生演進。想要做到某種程度上不會過時的設計人員可以充分利用能夠提供可擴展功能的電源轉換器實現(xiàn)自己的愿望。在通孔電鍍和表面安裝組件之間通常要做出一個合理的選擇。除了滿足這些需求外，3E系列的機械設計還可以減輕相對較大的元件在使用拾放設備時可能產生的問題。該系列產品目前包含八分之一和四分之一磚中間總線轉換器，這些轉換器提供隔離型輸出，功率額定值最高為240W和396W；還包含20A和40A的負載點轉換器。在不遠的將來，會有更多的器件進一步擴大負載點范圍，以滿足電流值低至12A的要求。