電力的產生，分配和消耗有許多方面，通常涉及從一種形式到另一種形式的多個轉換階段，每個階段表現出其唯一的轉換和控制。通過以可以提供整流，升壓或降壓轉換甚至反轉的方式切換源電壓，通常可以最有效地實現轉換的基本方法。

切換的主要形式現在是脈沖 - 寬度調制（PWM），可對輸出波形/電壓進行高級控制，因此也可提供最高水平的效率。在功率轉換中實現PWM控制級可以（并且已經）在模擬域中實現，但是雖然這可以在特定條件下提供可接受的解決方案，但它提供的靈活性很小并且可能導致可能無法提供有效轉換的解決方案在廣泛的操作條件下。由于這個原因，PWM轉換級的控制現在正在向數字域過渡，這個新范例的核心是微控制器（MCU）。它不僅能夠增加設計的靈活性，還能提高效率。當然，這在復雜性方面是有代價的，那么制造商正在采取哪些措施來緩解這種轉變？

仍然模擬

模擬設計師的好消息是數字化功率轉換仍然涉及大量的模擬技術; MOSFET仍然用于切換和引導電源。對于不熟悉MCU的人來說，壞消息是用于控制這些MOSFET的PWM信號現在由算法生成。

這對于不熟悉編寫嵌入式代碼的工程師來說顯然會引起一些驚愕，然而，許多針對該應用領域的領先制造商現在提供的軟件庫旨在首先幫助設計人員，例如Microchip提供的開關模式電源控制庫;一個針對dsPIC33F和dsPIC33E系列數字信號控制器進行了優化的庫。

雖然與傳統的MCU非常相似，但現在稱為數字信號控制器（DSC）的器件是一個相對較新的類為這種類型的應用而開發的設備。例如，dsPIC33E具有高速PWM模塊，可提供多達三個PWM對，每個PWM對具有獨立的時序，并且能夠支持DC/DC，AC/DC轉換，具有功率因數校正，以及逆變器設計，照明控制和BLDC（無刷直流電機）控制。

在數字電源應用中使用dsPIC有效意味著DSC取代了僅模擬設計中的多種功能。求和節點（將轉換器輸出端的電壓與參考電壓進行比較），補償器（設計中實現反饋以確保穩定運行的部分），PWM發生器本身都可以歸入DSC。

在數字拓撲中，所使用的算法有效地取代了補償器硬件。因為它是軟件，它提供了更多的靈活性，例如實現非線性功能的能力。在處理電源變化或負載變化時，這使系統設計更加自由。此外，更容易進行修改，而無需移除或調整物理組件;而是可以通過簡單地改變一些數字參數來進行改變。圖1顯示了模擬功能的框圖，可在數字電源設計中由dsPIC DSC替代。

在傳統模擬解決方案中不明顯的數字設計中需要的另一個因素是測量電壓的能力。這提供了對數字控制算法至關重要的數據，并通過模擬/數字轉換器（ADC）實現。 dsPIC33E具有一個ADC模塊，該模塊具有多達16個模擬輸入，可以以高達1.1 Msamples/s的速率采樣。這種性能水平顯著提高了DSC的工作頻率。

圖1：Microchip Technology的dsPIC33旨在取代電源轉換設計中的多個模擬功能。

全面的設計支持

很明顯，數字電源轉換仍然嚴重依賴于模擬功能，這就是為什么一般的MCU和特別是DSC非常適合這個應用領域的原因;它們將處理核心的數字功能與基本模擬功能（如ADC和DAC，運算放大器和比較器）結合在一個器件中。

兩個域的緊密集成至關重要，因為它允許控制循環在時域中進行優化。最小化反饋環路中的轉換時間對于提高整體效率至關重要，這最終是任何數字電源轉換解決方案的目標。

這一點在英飛凌的XMC4500系列中很明顯，該系列結合了許多功能。使高效的數字電源轉換更容易實現。這包括高分辨率PWM（HRPWM），其占空比分辨率為150 ps。通過這種精細調節，可以更精確地調節降壓轉換器的輸出電壓，從而減少輸出電壓紋波。

XMC4500中的捕捉/比較單元支持HRPWM： CCU4和CCU8。這些單元可以支持各種脈沖生成，包括非對稱，非周期和單事件。這些單元也可以由許多內部/外部源或檢測到的事件觸發。

在電源轉換解決方案的核心使用可編程器件的另一個好處是它可以輕松實現電源管理總線協議（PMBus）;開放標準，具有超過200條指令的命令語言，旨在允許系統的不同和不同元素進行通信。基于I 2 C接口和系統管理總線（SMBus）的變體，將PMBus從站添加到基于XMC4500的系統中相對簡單;英飛凌網站上提供了一份應用指南，介紹了如何實現這一目標。在英飛凌軟件開發平臺第4版DAVE中，還支持使用XMC4000系列設計電源轉換解決方案。

XMC4000系列基于帶有浮點擴展的ARM Cortex-M4內核，32具有許多高級功能的-bit內核，與英飛凌的CCU4/CCU8和HRPWM功能完全集成。英飛凌提供一系列DAVE應用程序，用于使用HRPWM模塊進行電源轉換和PWM生成。因此，它是一個綜合平臺，適用于最復雜的電源轉換系統。

PWM的重要性

雖然許多DSC基于最初為MCU設計的核心，但有些采用基于DSP（數字信號處理器）的核心，并將其與DSC解決方案所需的硬件功能相結合。這種類型器件的一個很好的例子是德州儀器的TMS320F2802x Piccolo MCU。然而，可能比其核心更重要的是增強型PWM外設。這是一種高度可編程且基本上自主的外設，一旦配置，只需最少的CPU交互即可運行。這顯然提供了實時系統的優勢，例如復雜的功率轉換。

每個ePWM都具有一個16位時基計數器，并支持兩個PWM輸出，可以獨立工作。它們還具有8個子模塊，包括時基計數器，其中包括用于傳統上下開關互補控制的死區子模塊，以及用于產生斬波載波頻率的PWM斬波器如果需要。某些型號也提供PWM（HRPWM）的高分辨率擴展。圖2顯示了Piccolo如何用于峰值電流模式控制（PCMC）降壓轉換器。

圖2：德州儀器的Piccolo DSC采用峰值電流模式控制降壓轉換器配置。

合并能力具有類似DSP功能的MCU內核創建DSC在數字電源應用中具有明顯的優勢，這實際上是恩智浦（原飛思卡爾半導體）的56F8037/56F8027系列所提供的。基于具有雙哈佛架構的專用內核，其單周期設計意味著它每秒可以執行高達3200萬條指令，運行頻率僅為32 MHz。這是由單周期16 x 16位并行MAC（乘法器 - 累加器）單元輔助的。雖然核心頻率僅為32 MHz，但PWM可以采用高達96 MHz的時鐘運行，分辨率為15位。六輸出PWM模塊允許從PWM發生器，外部GPIO，內部定時器，模擬比較器輸出或ADC轉換提供源信號。

圖3：此圖顯示了恩智浦56F8000如何在隔離的110 W DC/DC SMPS中提供數字控制。

圖3顯示了一個塊56F8000的圖表，因為它將用于DC/DC SMPS應用，在這個例子中它是一個110 W隔離開關模式電源，DSC在次級側。

結論

向數字電源的遷移已經有一段時間了;數字控制的好處很難否認，并且由于在單個器件上模擬和數字集成的持續和積極進步，采用數字電源解決方案現在比以往任何時候都更具成本效益。

對更節能運行的需求只會增加，這自然有助于實現數字控制。現在有這么多有能力的解決方案，很明顯，轉向數字電源轉換不僅具有商業吸引力，而且在技術上也是有益的。