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)字信號的電源，另一種是用于支持模擬信號的電源。 在數(shù)字信號的電源方面，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，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，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)字信號和模擬信號，在通信中有著重要的作用。 數(shù)字電源是采用數(shù)字方式實現(xiàn)電源的控制、保護回路與通信接口的新型電源技術(shù)。可編程、響應(yīng)性和數(shù)字環(huán)路控制是表征數(shù)字電源的3個主要特征。 隨著電源系統(tǒng)的性能和功率的不斷提高，實現(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)字電路實現(xiàn)。一般認(rèn)為，在設(shè)計DC/DC變換器時，通常100W以上的系統(tǒng)中會應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)；而在設(shè)計AC/DC變換器時，250W以上的系統(tǒng)會應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，這樣電源的經(jīng)濟性會更高一些。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)一段時間。30年前，電源行業(yè)轉(zhuǎn)向開關(guān)電源是一個很大的變化，而電源數(shù)字化趨勢將會是一個更大的變化。 數(shù)字電源的定義 什么是數(shù)字電源，業(yè)界對此并沒有一個清晰統(tǒng)一的定義，各個公司對此的解釋也不盡相同。 TI從功能上對數(shù)字電源進行了定義：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，并延伸到對整個回路的控制。 DC/DC轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商Power One公司的市場發(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POL轉(zhuǎn) 換器進行純數(shù)字控制�！盠ou指出，“采用大量外部元件對模擬的轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字管理的方式雖然可行，但并不經(jīng)濟；而采用數(shù)字轉(zhuǎn)換器不僅使該任務(wù)簡單，還可以實現(xiàn)大量的功能操作。” 意法微電子(ST)則從系統(tǒng)框架的層面進行了闡述，“DPM的概念是：通過一個數(shù)字內(nèi)核和嵌入式通信接口(通常為I2C)對多個電源轉(zhuǎn)換模塊和外部元件進行控制�！� 飛兆半導(dǎo)體則強調(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利用模擬前端進行探測，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行微調(diào)。” 電源模塊廠商Astec(Emerson的子公司)對DPM的看法是是在電源系統(tǒng)內(nèi)部以及PWM控制回路進行管家式管理。因此，DPM的框架主要為一個或多個MCU、一些讀寫存儲器、通信接口和各種推挽式功率放大器和傳感器。 實際上做為數(shù)字電源，首先，PWM的信號輸出是由數(shù)字控制芯片提供；第二，控制環(huán)路的反饋計算工作交由數(shù)字單元完成；第三留有人機交互界面，便于信息的交換，而且可以實現(xiàn)電源輸出的可控和輸入的監(jiān)測；第四，留有通信總線 接口，可方便實現(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。在簡單易用、參數(shù)變更要求不多的應(yīng)用場合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應(yīng)用的針對性可以通過硬件固化來實現(xiàn)，而在可控因素較多、實時反應(yīng)速度更快、需要多個模擬系統(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。 此外，在復(fù)雜的多系統(tǒng)業(yè)務(wù)中，相對模擬電源，數(shù)字電源是通過軟件編程來實現(xiàn)多方面的應(yīng)用，其具備的可擴展性與重復(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)。通過實時過電流保護與管理，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、實時反應(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、遙測等所有功能都可用軟件編程實現(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，這時數(shù)字解決方案更能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。幸運的是，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 板級空間必須包括 MCU、晶體時鐘、保護/濾波和 ADC 引腳緩沖。另外，對 PWM 精度和 ADC 動態(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)心的另一個問題是掌握這些數(shù)字設(shè)計技術(shù)所需的時間和精力。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！幸運的是，許多在線工具現(xiàn)在都是免費提供，其自動根據(jù)一套用戶頻率域規(guī) 范將一個模擬設(shè)計轉(zhuǎn)換成離散時間當(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施PID控制； ◆數(shù)字化后通過DSP微控制器等以軟件方式實施復(fù)雜控制。 但從市場的角度來看，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作。有了DPM，就可以利用數(shù)字信號實現(xiàn)與電源的通信，以監(jiān)控和管理加電、測序、負載分配和平衡、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)字域進行處理。 數(shù)字電源市場的大事件 過去幾年內(nèi)，發(fā)生的幾件事影響了數(shù)字電源市場： ◆ 英飛凌收購Primarion 公司 ◆ Exar 公司收購了FyreStorm 的知識產(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 大肆擴張負載點(POL)市場份額凌特公司、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)計占優(yōu)勢地位：基于數(shù)字信號處理器(DSP)的設(shè)計，以及基于微控制器PID-內(nèi)存的設(shè)計。微控制器PID-內(nèi)存的設(shè)計將成為主導(dǎo)，因其具有靈 活性且復(fù)雜程度較低。
數(shù)字電源是采用數(shù)字方式實現(xiàn)電源的控制、保護回路與通信接口的新型電源技術(shù)。可編程、響應(yīng)性和數(shù)字環(huán)路控制是表征數(shù)字電源的3個主要特征。 隨著電源系統(tǒng)的性能和功率的不斷提高，實現(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)字電路實現(xiàn)。一般認(rèn)為，在設(shè)計DC/DC變換器時，通常100W以上的系統(tǒng)中會應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)；而在設(shè)計AC/DC變換器時，250W以上的系統(tǒng)會應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，這樣電源的經(jīng)濟性會更高一些。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)一段時間。30年前，電源行業(yè)轉(zhuǎn)向開關(guān)電源是一個很大的變化，而電源數(shù)字化趨勢將會是一個更大的變化。 數(shù)字電源的定義 什么是數(shù)字電源，業(yè)界對此并沒有一個清晰統(tǒng)一的定義，各個公司對此的解釋也不盡相同。 TI從功能上對數(shù)字電源進行了定義：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，并延伸到對整個回路的控制。 DC/DC轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商Power One公司的市場發(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POL轉(zhuǎn) 換器進行純數(shù)字控制�！盠ou指出，“采用大量外部元件對模擬的轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字管理的方式雖然可行，但并不經(jīng)濟；而采用數(shù)字轉(zhuǎn)換器不僅使該任務(wù)簡單，還可以實現(xiàn)大量的功能操作。” 意法微電子(ST)則從系統(tǒng)框架的層面進行了闡述，“DPM的概念是：通過一個數(shù)字內(nèi)核和嵌入式通信接口(通常為I2C)對多個電源轉(zhuǎn)換模塊和外部元件進行控制�！� 飛兆半導(dǎo)體則強調(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利用模擬前端進行探測，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行微調(diào)。” 電源模塊廠商Astec(Emerson的子公司)對DPM的看法是是在電源系統(tǒng)內(nèi)部以及PWM控制回路進行管家式管理。因此，DPM的框架主要為一個或多個MCU、一些讀寫存儲器、通信接口和各種推挽式功率放大器和傳感器。 實際上做為數(shù)字電源，首先，PWM的信號輸出是由數(shù)字控制芯片提供；第二，控制環(huán)路的反饋計算工作交由數(shù)字單元完成；第三留有人機交互界面，便于信息的交換，而且可以實現(xiàn)電源輸出的可控和輸入的監(jiān)測；第四，留有通信總線 接口，可方便實現(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。在簡單易用、參數(shù)變更要求不多的應(yīng)用場合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應(yīng)用的針對性可以通過硬件固化來實現(xiàn)，而在可控因素較多、實時反應(yīng)速度更快、需要多個模擬系統(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。 此外，在復(fù)雜的多系統(tǒng)業(yè)務(wù)中，相對模擬電源，數(shù)字電源是通過軟件編程來實現(xiàn)多方面的應(yīng)用，其具備的可擴展性與重復(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)。通過實時過電流保護與管理，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、實時反應(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、遙測等所有功能都可用軟件編程實現(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，這時數(shù)字解決方案更能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。幸運的是，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 板級空間必須包括 MCU、晶體時鐘、保護/濾波和 ADC 引腳緩沖。另外，對 PWM 精度和 ADC 動態(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)心的另一個問題是掌握這些數(shù)字設(shè)計技術(shù)所需的時間和精力。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！幸運的是，許多在線工具現(xiàn)在都是免費提供，其自動根據(jù)一套用戶頻率域規(guī) 范將一個模擬設(shè)計轉(zhuǎn)換成離散時間當(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施PID控制； ◆數(shù)字化后通過DSP微控制器等以軟件方式實施復(fù)雜控制。 但從市場的角度來看，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作。有了DPM，就可以利用數(shù)字信號實現(xiàn)與電源的通信，以監(jiān)控和管理加電、測序、負載分配和平衡、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)字域進行處理。 數(shù)字電源市場的大事件 過去幾年內(nèi)，發(fā)生的幾件事影響了數(shù)字電源市場： ◆ 英飛凌收購Primarion 公司 ◆ Exar 公司收購了FyreStorm 的知識產(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 大肆擴張負載點(POL)市場份額凌特公司、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)計占優(yōu)勢地位：基于數(shù)字信號處理器(DSP)的設(shè)計，以及基于微控制器PID-內(nèi)存的設(shè)計。微控制器PID-內(nèi)存的設(shè)計將成為主導(dǎo)，因其具有靈 活性且復(fù)雜程度較低。
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