用于开关模式电源的数字电源

开关模式电源 (SMPS)是当今高科技世界中大多数电子设备的。每个电气设备都需要电源才能运行，并且不同的设备需要不同形式的电源。这带来了巨大的架构多样性，解决方案范围从超小型 SMD 1W 降压 DC/DC 转换器到高功率、高效率50kW 整流器。

从 20 世纪 40 年代海军电传打字机系统使用的早期REC-30 水银蒸气闸流管电源到今天的超高效率、高功率密度电信整流器，SMPS 行业已经取得了长足的进步。根据的 Report Linker 评估，随着GaN和SiC器件等新技术的前景， SMPS 市场预计到 2025 年将达到 63 亿美元以上。这一进步是持续技术发展的结果，已经涉及到设计的每一个组成部分。然而，这种无处不在的变革背后有一个共同点：数字革命。

在本文中，我们将讨论围绕此事的一些重要方面。我们首先概述导致这一转变的历史条件，然后厘清常用术语“数字力量”和一些相关概念的含义。

图 1. SMPS 历史时间表。

SMPS 简史

SMPS 界对于“数字电源”一词的含义还没有明确的共识。这可以归因于多种因素，包括早在 70 年代就推出了款 PWM 控制器 IC 的数字技术、过去几十年发生的不同程度的数字化，当然还有营销的创意本质脑。事实上，开关动作本身——赋予整个技术独特的名称——本质上是一种数字现象。尽管存在这种混乱，但正如我们将在本节中看到的，模块的技术演变在历史上是清晰的。

尽管 SMPS 革命早在 30 年代初就已为人所知，但直到 70 年代末开发出两项关键技术：功率 MOSFET 和 PWM 控制器 IC 后，SMPS 革命才真正发生。

在此之前，SMPS 由模拟设备控制；控制器板设计有运算放大器、比较器、晶体管和无源元件，以执行监督和控制模块所需的所有功能。随着设计的发展，需要更大、更复杂的功能，而用分立元件解决如此复杂的逻辑所面临的挑战多导致性能限制和大量零件。

许多公司看到了这个机会，开始生产用于 PWM 控制的专用模拟 IC。然而，直到 1976 年，Bob Mammano 将所有功能块集成到一个芯片（SG1524）中，发明了个 PWM 控制器 IC，标志着数字电源时代的开始（见图 2）。

图2 . SG1524 的框图。图片由Tautec Electronics 提供。

一旦 Mammano 以其 SG1524 打开舞台，各种各样的 PWM 控制器就开始出现，提供越来越多的功能和改进的功能。在 80 年代中期，电源 IC 的日益多样化超越了 PWM 控制领域，并为监控和故障管理等其他任务提供了解决方案。
与此同时，新的控制策略（例如电流模式控制）正在研究中，并取得了可喜的成果，为电源 IC 提出了另一组新的要求。市场持续扩张到 90 年代，消费电子产品和数据处理设备的巨大增长引起了环境问题，制定了降低功耗的计划以及提高 SMPS 转换效率的强烈需求（例如，美国能源之星和欧盟行为准则） ）。

对 SMPS 日益严格的要求影响了设计的各个方面，从而需要更复杂的功能，例如数据记录和外部通信。这种复杂性与 MPU 和 MCU 芯片的日益普及和价格下降相一致，这些芯片于 70 年代中期进入市场，并具有 TI 的 TMS1000 和 Intel 的 I8080 等器件，并迅速激增（见图 3）。

图 3. Texas Instruments 的 TMS1000 和 Intel 的 18080。图片由德州仪器 (TI) 和英特尔提供。

导致 SMPS 采用这些技术的事件并没有详细记录，因为这是一种明显的设计趋势，旨在消除越来越多的用于非关键监视和控制功能的分立元件。然而，到了 80 年代，电机驱动行业开始使用 MPU 和 MCU，并在包括反馈控制在内的各种用途中取得了巨大成功。

然而，SMPS 设计人员（典型的保守群体）仅利用这些经验来执行非关键任务。后来，在 90 年代，随着基于数字信号处理器的控制器 (DSC) 的普及，一步终于迈出了。这就是全数字控制 SMPS 的诞生。

数字电源和软件控制 SMPS

总而言之，我们可以说，对于 SMPS 而言，数字电源并不是一个全有或全无的术语。SMPS 是包含各种功能块的复杂系统，随着技术的发展，这些功能块已逐渐数字化。在这一变革中，通过引入 DSC 及其各自的固件来执行执行电源转换所需的所有监视和控制任务，实现了深层次的数字技术渗透。

那么，我们可以将数字电源定义为由SMPS 产生的电源，其中所有与控制相关的功能均由数字技术执行。然而，该定义并没有区分由不可编程数字控制器 IC 实现控制功能的电源和依赖 MPU、MCU、DSC、FPGA 或其组合的电源。由于许多 SMPS 应用和新技术（例如 SiC 和 GaN）都需要后者，因此这种区别变得越来越重要。

与其他领域发生的情况类似，选择面向软件的电源设计方法时会出现多种可能性。从通过使用代码加密引入新的 IP 保护机制到减少因组件老化而引起的可靠性问题，其优点众多，并且可以显着提高性能并降低开发周期的成本和持续时间。

然而，这些优点的代价很高，因为至少可以说，改变设计范式以在模块的引入全新的学科（即软件工程）本身会带来挑战。

其中一些挑战与培养正确的技能有关。现在，团队需要数字设计师、数字控制和固件开发人员。其他涉及采用正确的工具和流程来执行正确的设计。事实上，为了在不产生重大风险的情况下朝这个方向发展，必须考虑多种因素。