数字电源控制的真实承诺

　　数字电源控制引领着新的潮流，预示着更高的效率和更低的成本。但是，需要学习新技能和使用新工具集，同时面对日益紧张的进度表和不断缩减的人员，即使是最资深的工程师，也会感到“不适”。一些人争辩说他们不需要像计算机这样复杂的设备来控制他们的电路。毕竟，就成本而言，含有数百万个晶体管的数字控制芯片怎么可能与包含几百个晶体管的专用模拟控制器相竞争呢？

　　那么，数字电源是否有未来？答案是不容置疑的：“有”！

　　回顾计算机和电机控制系统发展的历史，就可知道通向未来的道路。在数字计算机出现之前，由真空管放大器和开关构成的模拟计算机(1940年~1960年)通过实现模拟积分器、加法器和乘法器来执行计算功能。早期的数字计算机要占据整个房间，具有数以万计的真空管，功耗达到几十千瓦。与之相比，台式模拟计算机的尺寸只是它的一小部分，功耗是它的百分之一，但数字计算机赢得了最终的胜利。为什么呢？主要是由于两个因素：可重复性，以及通过编程能处理日益复杂的任务。曾经有许多工程师打赌数字计算机会失败，但他们自己失败了。

　　在20世纪六七十年代，大规模集成电路的发展真正扫除了对数字计算机可靠性一直持有的顾虑。这为数字计算机开启了新的应用领域，如电机控制。20世纪60年代之前，电机速度控制仅限于强力方法，例如将可变电阻与电机电源串联；或者复杂的机制，例如使用电机放大器控制流经电机/发电机组的控制绕组的电流。由于与A类放大器相关的功率损耗，通过真空放大器直接控制电机从来都是不切实际的。20世纪70年代，高速、大电流晶体管的发展促使脉宽调制(Pulse-Width Modulated，PWM)方法控制电机的方式普遍使用。最初的PWM放大器由分立模拟电路组成，实现速度控制和PWM信号生成。

　　在整个20世纪70年代，随着微处理器性能的提高和成本的降低，电机控制工程师开始寻求降低系统成本的方法。位置环路首先步入数字领域，然后又以软件实现了速度环路。这样就不再需要昂贵的电机转速计。接着就消除从微处理器到放大器的模拟指令电压。微处理器系统直接生成供功率晶体管使用的PWM信号。

　　因为最早的数字电机控制器体积大、价格贵，所以它们最初应用于高端的运动控制系统。在接下来的15年~20年，摩尔定律的残酷法则使单片机成本不断降低，而性能持续提高，以至于很少有工程师会考虑使用“专用模拟电机控制器”，而不用低成本的单片机。

　　模拟电机控制PWM电路最终以集成电路的形式实现，成为现代模拟电源控制器的基础。

　　那么，为什么电源工程师要采用数字控制方法呢？原因有很多：元件数减少，能效提升，行为可预测，便于制造、设计、支持，并且可以添加新功能。

　　假如采用数字电源控制是必然的决定，那么如何选择适合的控制器呢？

　　有两类基本的数字电源控制器：专用数字PWM控制器和基于数字信号控制器(Digital Signal Controller，DSC)的产品。这两类数字控制器都具有提供可预测的行为、用于滤波器系数的可编程参数，以及通过消除大量无源元件可简化印刷电路板的设计。

　　专用电源控制器有两个子类：纯专用逻辑，以及集成了专用逻辑、可实现控制算法的单片机。

　　纯专用数字控制器可以最低的成本和功耗实现数字控制环路。此类器件通常提供一定量的非易失性存储器，用于存储滤波器系数，以及电压和电流参数。

　　另一种方法使用具有专用控制环路逻辑的单片机，通过牺牲功耗来提高适应性。但是，它能够支持更复杂的电源系统监控任务，并支持与外部设备通信，以进行远程监控。

　　大多数专用数字PWM控制器都针对特定应用而设计。因此，模拟和数字PWM控制器都容易受到相同问题的影响。如果电源设计师希望实现新的电源转换拓扑，设计师将不得不采用现有的控制器来满足新的电源转换电路的需求，或者设计师放弃开发新的、可能非常重要的设计。结果就是大量的电源设计都极其类似，使竞争对手可以很容易地进行“克隆”，从而降低每个制造商的利润率。

　　DSC方式通过将DSP引擎与单片机相结合来代替专用PWM控制逻辑电路。DSC方法使用以软件编写的算法，而不是专用电路来实现控制功能。但是，DSC需要比专用逻辑更大的功耗，因为它提供更多的通用资源。DSC的优点是十分灵活，可以适应新需求和尚待开发的拓扑。一些DSC还为嵌入式软件提供安全保护，即保护软件知识产权，使克隆电源设计变得更难。

　　可以说，DSC电源控制器最重要的特性之一是让工程师可以完全自由地创造新的电路设计，以满足前沿电路设计的特定挑战和需求。最初，功率晶体管用于实现传统电源拓扑中的“电源开关”。后来，随着功率晶体管成本的降低和对更高能效需求的增长，同步整流器变得很普遍。现在，随着功率晶体管成本的持续下降，电源电路中添加了更多的晶体管，以便弥补在缓冲器中以其它方式消耗掉的能量。此外，许多设计师现在添加了更多的晶体管来接通或断开一些电路元件，以满足当前的工作条件。PWM输出不再是简单的PWM，它们应被视为可编程晶体管控制信号。与传统的模拟PWM控制器相比，通过采用现代小尺寸半导体工艺，添加更多PWM输出的成本可以忽略不计。