數(shù)字電源的實現(xiàn)與進(jìn)展
數(shù)字電源有幾種不同的含意，實現(xiàn)方式也各不相同。
*簡單的是數(shù)字檢測，包括監(jiān)視開關(guān)電源的狀態(tài)，如溫度、輸入/出電流、輸入/出電壓、開關(guān)頻率（占空比）等，并根據(jù)需求向主機報告。故障狀態(tài)信息甚至?xí)r間標(biāo)記等信息可以存儲在非易失性存儲器中，并在將來某個時間上報這些信息。
**個定義是在“數(shù)字檢測”的基礎(chǔ)上通過數(shù)字接口控制開關(guān)電源，一般是通過I2C或類似的數(shù)字總線控制輸出電壓、 開關(guān)頻率、多通道電源的（上/下電）排序、上升斜率、跟蹤、（軟）啟動、裕度控制、故障保護(hù)等等。實際上，目前市場上的很多電源管理集成電路都以這種方式工作。
第三個定義是用數(shù)字電路徹底取代開關(guān)電源中的所有模擬電路，這是真正的原生數(shù)字電源。只須編寫幾行簡單的代碼，一個核心數(shù)字電源集成電路就 可以配置成升壓穩(wěn)壓器、降壓穩(wěn)壓器、負(fù)輸出、SEPIC、反激式或正激式轉(zhuǎn)換器，這樣將使開關(guān)電源更容易設(shè)計、配置而且更穩(wěn)定。但要實現(xiàn)這點從目前看來是相當(dāng)困難的，因為從物理定律上來說，電流是模擬信號，即使用ADC和DSP取代誤差放大器和脈沖寬度調(diào)制器的數(shù)字開關(guān)電源也仍然需要電壓基準(zhǔn)、電流檢測電 路和FET驅(qū)動器，這些組件目前只有模擬形式的產(chǎn)品。此外，電感器、變壓器以及電容器等模擬元器件在實現(xiàn)數(shù)字電源時也是不能沒有的。
傳統(tǒng)的模擬電源是以模擬控制環(huán)路為基礎(chǔ)的，如果在模擬控制環(huán)路外添加模擬量采樣、量化電路，并輔以通信電路，即可構(gòu)成上面**個定義中所指的帶數(shù)字檢測的比較初級的數(shù)字電源。
目前的數(shù)字電源大都是按照上面**個定義（即數(shù)字控制+數(shù)字監(jiān)視）實現(xiàn)的，電源內(nèi)部的模擬控制環(huán)路由數(shù)字控制環(huán)路替代。未來是屬于數(shù)字電源的，但數(shù)字化是個漸進(jìn)的過程，其發(fā)展很可能由同時使用模擬和數(shù)字技術(shù)的混合系統(tǒng)開始，進(jìn)而演進(jìn)到全數(shù)字實現(xiàn)。以前，數(shù)字化是以采用高成本的復(fù)雜多芯片電路方案為代價的。例如，一個具有電壓、電流監(jiān)視及控制能力的應(yīng)用可能需要很多集成電路，如高穩(wěn)定度基準(zhǔn)源、高精度多通道ADC、DAC和專用微控制器，此外還需要不小的軟件開發(fā)工作量。如果再考慮成本、復(fù)雜性、線路板空間限制和嚴(yán)苛的產(chǎn)品上市時間要求，以數(shù)字方式管理電源的確需要人們付出不菲的代價。
*近出現(xiàn)的數(shù)字電源產(chǎn)品的集成度和易用性已經(jīng)達(dá)到一個更高的高度。包括傳統(tǒng)的模擬電源廠商和新興的數(shù)字電源芯片設(shè)計廠商在內(nèi)的大部分廠商都在著手解決純粹的電源轉(zhuǎn)換以外的問題，包括添加監(jiān)測功能，提供可與系統(tǒng)通信的數(shù)字接口，以及建立數(shù)字控制反饋環(huán)路，即在模擬變換器外面使用“ 數(shù)字外殼”。常見的方案有兩種：（1）單芯片控制器方案。通過外接A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行取樣，取樣后對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理，再把結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換后傳送到PWM芯片，從而實現(xiàn)單芯片控制器對開關(guān)電源的控制。這種方案的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，設(shè)計方法容易掌握，而且對單芯片控制器的要求不高，成本比較低。但是整套電路用到多個芯片，電路比較復(fù)雜；且經(jīng)過A/D和D/A轉(zhuǎn)換等步驟，會造成比較大的信號延遲，進(jìn)而影響電源的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。有些單芯片控制器整合了PWM輸出，但一般單芯片控制器的運行頻率有限，無法產(chǎn)生足夠高的頻率和精度的PWM輸出信號。（2）通過高性能數(shù)字芯片（如 DSP或MCU）對電源實現(xiàn)直接控制的方案。數(shù)字芯片完成信號采樣、處理和PWM輸出等工作。由于數(shù)字PWM輸出的信號功率不足以驅(qū)動開關(guān)管，一般還需通過一個驅(qū)動芯片驅(qū)動開關(guān)管，即數(shù)字控制器與功率級之間的接口由MOSFET驅(qū)動器提供。由于這些數(shù)字芯片有較高的取樣速度（DSP片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器完成一 次A/D轉(zhuǎn)換只需數(shù)百納秒，相較之下，一般8位MCU控制器要數(shù)微秒之久）和指令周期，輸出的PWM信號的分辨率僅數(shù)百皮秒，過流檢測和關(guān)閉電源僅須數(shù)十納秒，可以快速有效的實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，使設(shè)計具備較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。此外，在微處理器的支持下添加RS232/485、USB、以太網(wǎng)等擴展通信手段也非常方便。數(shù)字控制的電源產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)大部分?jǐn)?shù)字電源的功能需求，但如果不添加一些額外部件，還實現(xiàn)不了全部功能需求。
這種“數(shù)字外殼”的架構(gòu)存在以下問題：為了保證電源有較高的穩(wěn)壓精度，A/D轉(zhuǎn)換器必需要有較高精度的取樣，但高 精度的取樣頻率需要更長的A/D轉(zhuǎn)換時間，造成回路的實時反應(yīng)能力變差。而且，高速的采樣和運算將產(chǎn)生巨大的運算量，能達(dá)到實時要求的核心處理器還是很少的。雖然在要求比較高的場合一般都會用DSP芯片，其運算和取樣速度快，功能強大，但DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比較高；而且DSP控制技術(shù)較難掌握，對設(shè)計者要求比較高。通用DSP芯片不是專門作為電源控制芯片使用的，一般的電源應(yīng)用對通用DSP芯片資源的利用率不高。不過目前以DSP為主要處理單元的數(shù)字電源芯片廠商，如TI、Freescale等公司都在優(yōu)化其作為數(shù)字電源核心的DSP的結(jié)構(gòu)，同時努力降低成本，并改善開發(fā)手段（提供評估板、IP模塊 等），以幫助開發(fā)人員輕松地如期完成開發(fā)。除了DSP的方案，有的廠商提供基于MCU（如Silicon Labs公司）或狀態(tài)機（如Zilker公司）的方案。MCU長于控制，而狀態(tài)機的優(yōu)點是低功耗。鑒于DSP和MCU兩種方案各有長處，現(xiàn)在有的廠商（如 SiliconLabs公司、Microchip公司）開始將硬件DSP和輔助MCU同時集成入芯片中，使系統(tǒng)性能*優(yōu)，效率已經(jīng)可以與模擬電源相媲美。
軟件設(shè)計對數(shù)字電源設(shè)計人員而言是另一個挑戰(zhàn)。為降低數(shù)字電源的設(shè)計門檻，很多半導(dǎo)體廠商推出了不需要軟件編程或者支持圖形用戶接口（GUI）的數(shù)字電源解決方案，設(shè)計人員通過GUI界面就能設(shè)定電源特性參數(shù)，而不需要任何編程技能。此外，還可根據(jù)具體系統(tǒng)的情況，設(shè)定每個輸出電壓的跟蹤、升壓時間和延時等。有的數(shù)字電源管理芯片允許設(shè)計人員通過芯片管腳配置電源特性參數(shù)。許多數(shù)字電源芯片允許在系統(tǒng)運行中通過電源管理總線（PMBus）來實時更改電源輸出特性。系統(tǒng)控制算法的設(shè)計通常是在專用的集成開發(fā)環(huán)境IDE中進(jìn)行，例如TI的面向DSP的CCS、Silicon Labs的基于MCS51的IDE等。