是选择模拟电源还是数字电源？
要是进行数字电源的选择，究竟是挑选那基于DSP的控制方案咧，还是去选择那基于MCU的控制方案呀？
我们十分理解，电源工程师面临着难处，期望下面这些文字，能够将这一难题化解掉 。
模拟电源vs数字电源
人所共知，于核心功率转换范畴之中，模拟电源方案向来是行业里的主要角色，与之相关的产品种类繁多并且历经市场长时间的检验，极其值得信任。然而，在近些年突然兴起的数字电源正在改变这种市场情形。
有一种被称作数字电源的东西，它是这样一种方案，采用数字信号去控制开关电源的开关状态，以及开关电源的频率，通过数字信号处理器也就是DSP，还有微处理器即MCU等，对电源输出展开控制与监测，具备高精度的特征，拥有高稳定性的特点，有着高可靠性的特性，呈现高效率的特质，并且能够远程控制，进而自动调节输出电压 。
传统模拟电源里，变压器电源由铁芯与线圈构成，线圈匝数确定两端电压比，主线圈产生频率5Hz的变化磁场，该变化磁场透过铁芯传至次级线圈，在次级线圈产生感应电压，借由变压器达成电压转换，此模拟电源缺点是，因线圈和铁芯为导体，电压转换时会因自感电流产生能量损耗，变压器效率低，一般不超35%，此外，该产品体积较大，会占用较多PCB面积。
开关电源把传统模拟电源变压器效率低下的问题给解决了，其工作原理是，电流进入变压器之前，利用晶体管的开关功能提升线圈的频率，一般会把50HZ的电流频率提升到数万HZ ，在这般高的频率下，磁场变化的频率也达到数万HZ ，所以线圈的尺寸会大幅缩小，因匝数以及磁芯体积的减小，热损耗显著降低，通常，开关电源的效率能达到90%以上，而且体积特别小，输出稳定，具备传统模拟电源难以达成的优点。
在现代电子系统里，数字电源是一项很重要的技术，它可降低功耗，还能管理日益增长的电源复杂性。在智能手持设备、数据服务器以及无线基站中，数字电源的管理与控制能提供实时智能，这让开发人员得以构建电力系统，该系统能自动适应环境，还能优化效率。 使用数字电源意味着，对于负载和系统温度的变化可进行自动补偿，借助自适应死区控制能实现节能，通过动态电压缩放可实现优秀的系统性能，而且在各种故障条件下，依靠强大的保护能实现安全运行。
从技术角度去看，数字电源是由DSP或者MCU进行控制的，相对来说，DSP控制的电源运用数字滤波，能够满足复杂的电源要求，它实时响应速度更快，电源电压调节性能更佳。现在的功率模块IC把脉宽调制器也就是PWM、电感、功率MOSFET以及无源元件都集成到一个小封装里用于高效功率转换，所以，构建一个完整的数字电源系统只要几个输入和输出端，电源的设计变得越发简单易行。电源模块IC能够为各类导轨供电，只需较小的PCB面积，所以，系统设计者能够开发出更紧凑的电子产品，其外形更小 。
从综合角度来看，在那些易于使用、几乎无需更改工作参数的应用里面，我们能够借助硬件固化来达成有针对性的应用，在这种情形下模拟电源产品具备更大优势。然而，在复杂的多系统业务当中，相较于模拟电源，数字电源的优势就极为凸显，比如说数字电源是经由软件编程得以实现的，它的可扩展性与可重用性让用户能够轻易更改工作参数并对电力系统进行优化。 additionally，通过实时过电流保护以及管理，还能够切实减少外围设备的数量 。
数字电源的优势
有关数字电源的优势，我们可以归纳为以下几点：
通过基于PMBus协议的I2C通信总线，主机控制器能够轻易管理输出电压的调整、功率排序以及多个电压轨的同步。数字电源模块IC，由PMBus予以支持，使得高效电源的设计变得简单，使得紧凑电源的设计变得简单，使得智能电源的设计变得简单 。
产品的开发时间被有效缩短了。新产品开展设计时，随时很有可能都要发生变化，例如增添电源轨，电流或者瞬态响应需要进行调整。针对数字电源来说，依靠SMBus能够轻易地把新的电源轨增添至电源管理系统里。
降低系统BOM成本等较低运行成本能实现，而可靠性与产品寿命会同时得到提高。数字电源存在时，许多系统管理功能能用固件达成，且电源控制功能也能用固件实现，硬件成本由此得以节省。系统产品部件更少，具备全面数字管理保护功能，其可靠性会更高，使用寿命会更长。
即便是占据领先地位的模拟电源，当代许多电子系统的电源所需它也满足不了。数字电源灵活性相当高，适应性也强，效率很高，成本相对而言较低，电力方面各种应用的设计需求它给解决了。
两种全数字电源设计方案
数字电源发展并非是一成不变的，它始终处在技术的快速演变当中，数字电源的定义会因电源转换供应商的不一样而稍有差异，有人讲它仅是在模拟电源基础上增添了控制回路，具备数字接口，借助PMBus添加了数字电源功能，有人坚信数字电源是基于MCU或DSP解决方案的全数字控制回路，第一种情形因模拟功率控制核心由数字管理电路封装，常常被称作数字封装解决方案 。被称作全数字解决方案的是后者，用户开展大量软件编码或许是需要的。
这两种数字电源解决方案，各有其利弊，数字封装解决方案，不需要通过编程去控制功率转换，然而无法提供数字电源的全部好处，另外还需要进行补偿回路设计，这对于并非电源设计专家的系统设计人员而言，可能会是一个挑战，全数字电源解决方案，在闭环控制方案里具备高灵活性，不过需要良好的控制算法以及固件设计，此外，为了达成高系统精度，需要高分辨率的A/D电路以及更快的时钟，这在一定程度上会增加电源部分的成本。
实际上，针对电源或者功率转换器进行设计时目标是很简单的，也就是，当输入电压或者负载条件出现改变这种情形的时候，能够凭借所需的电压值供应稳定的，而且还有可调节特性的直流输出。一款全数字电源方案一般而言都会含有下面这四个功能：
能发PWM波，并且具备保护关断功能；
能进行环路运算；
可实现快速ADC采样；
拥有常规的通信接口，如I2C、串口等。
除却这些基础功能，全数字电源设计存在DSP控制与MCU控制之分，这种情形又该怎样去做选择呢？
开关电源的数字控制，在当今工业里，变得越发普遍，对于全数字电源设计，通用MCU的基本外设，包含PWM，包含模数转换器，包含UART，还包含定时器等相对DSP而言，它缺少了高分辨率PWM外设然而，就是这个外设，它的作用却很不一般HRPWM外设，是独立于常规PWM模块之外的一个外设，也是对全数字电源精度影响极大的一个外设。
DSP控制器具备低成本同时又有高性能 拥有可增强以及集成的电力电子外围设备 像是ADC与HRPWM 基于DSP的数字控制能够让实现更多功能的控制方案达成 还有多平台的标准控制硬件得以设计以及获有快速修改设计以契合特定客户需求的灵活性 因为DSP不容易被老化情形以及环境变化所影响 并且具备更好的抗噪声性 所以 对于电源精度有着较高要求的能量转换以及存储等应用 DSP方案有可能是更为优质的选择
TI的TMS320F280x是32位DSP，其处理速度高达100MHz，它有增强的外围设备，比如HRPWM模块，有转换速度高达160ns的12位A/D转换器，有32x32位乘法器，有32位定时器，还有实时代码调试能力等，它为电源设计人员提供了数字控制的所有好处，并且允许实现高带宽，高频电源而不牺牲性能。
DSP具备的额外计算能力，还能够让复杂的非线性控制算法得以实现，可把多个转换器控制整合到同一个处理器里，进而对总系统成本予以优化。在基于TMS320F280x的数字控制DC-DC开关电源设计当中，图1呈现了实现DC-DC转换器的电压模式控制，是需要单信号测量的。
由电压感测电路对其瞬时输出电压Vout进行感测与调节，之后经由ADC通道输入到DSP，电压环路控制器Gc被设计成让输出电压Vout跟踪参考Vref，与此同时达成所期望的动态性能。
为降压调节器开关Q1提供占空比命令的是该控制器的数字化输出U，该命令输出用于计算片上PWM模块中定时器比较寄存器的适当值，PWM模块因该值生成PWM输出，也就是当前的PWM1，PWM1输出最终驱动降压转换器开关Q1。
图1，其展示的，是基于TMS320F280x的，数字控制DC-DC转换器解决方案的，简化框图，该图源为Texas Instruments 。
在基于MCU控制的全数字电源设计当中，STMicroelectronics公司生产的针对数电的电源产品组合为STM32数字电源（D-Power），该种产品组合有着多条产品线源自STM32产品系列，其范围覆盖从入门级别到具备高性能的产品，其中，高性能产品里包含带有嵌入式高分辨率定时器（HRTimer）的STM32F3 MCU，高性能产品里包含带有嵌入式高分辨率定时器（HRTimer）的STM32G4 MCU，高性能产品里包含带有嵌入式高分辨率定时器（HRTimer）的STM32H7 MCU 。
该计时器作为功能强大且灵活脉冲宽度调制（PWM）发生器，能提供高达184ps分辨率，当STM32F3、STM32G4和STM32H7 MCU包含模拟组件时，其产品编号变为STM32F334、STM32G474和STM32H743 。
STM32 D - Power生态系统为数字电源领域人员提供开发便利，这些人员涵盖从初学者到专家级开发人员，比如，B - G474E - DPOW1探索套件是完整数字电源解决方案，它是基于STM32G474RET6 MCU的完整演示与开发平台，它充分利用HRTimer性能，它帮助设计人员以数字电源为原型应用，它快速实现降压 - 升压转换。。
图2：B-G474E-DPOW1 探索套件
（图源：STMicroelectronics）
随着MCU技术取得进步，HRPWM外设并非仅DSP才有，NXP的数字信号控制器，也就是DSC，在一个芯片里集成了微控制器的功能，即MCU的功能，还集成了强大的数字信号处理功能，也就是DSP的功能，它适用于各种应用，从通用嵌入式市场到电机控制以及功率变换等 。
近年来，在数字电源领域，NXP推出了全新DSC产品，该产品针对新的数字电源应用，集成了高性能CPU内核的智能控制外设，像皮秒级精度的eFlexPWM、高速且触发灵活的ADC、带同步斜坡生成的DAC、高速可靠的比较器、多模式内置运放OPAMP，还有灵活配置的XBAR和事件触发发生器，这些外设灵活组合，能让DSC针对不同的开关模式电源（SMPS）拓扑结构，实现不同控制功能以及高效率设计。
MC56F8xx 32位DSP，属于NXP新一代入门级DSC产品，其基于高性能56800EX DSP内核，该内核频率高达100MHz，它也是NXP第一款集成数字签名算法安全子系统即DSASS的DSC产品，同时还是第一款集成高速低功耗运算放大器的DSC产品。
另外，MC56F81xxx系列针对MC56F82xxx系列做了诸多功能的强化，其中涵盖了增强后的DMA功能，也就是eDMA，还有可配置的逻辑事件发生器，即EVTG，以及具有双1.6MSps的12位ADC和完全的PMBus支持，从而为功率转换应用给出了极具成本效益的解决办法。
图3：MC56F81xxx系列系统框图
（图源：NXP）
结语
电源转换市场中，数字电源转换市场占比约为50% 。该市场增长，主要归因于，工业、通信、计算以及汽车电子产品的各类数字电源系统里，AC/DC电源转换、隔离电源转换、DC/DC功率转换、DC/AC功率转换、功率调节、有源功率滤波等被越来越多地采用。
未来几年，数字电源转换市场需求预计会大幅增长，Future Market Insights（FMI）经过分析认为，数字电源转换市场会从2022年的176.06亿美元增长至2029年的383.40亿美元，2022年到2029年期间的复合年增长率能够达到11.8%，并且中国会成为数字电源转换市场中表现极为突出的市场，预计中国在2022年至2029年间于数字电源转换市场的复合年增长率将会高达14.1%。
倘若几年之前数字电源尚属一种概念，那么，现如今数字电源技术于数据中心等电力密集型应用里已得到广泛运用。借助使用数字电源模块，系统设计者能够为更多-system功能节省印刷电路板之空间，削减产品开发所需时间，降低研发成本，并迅速把新产品推向市场。凭借数字控制以及高可靠性，能够对系统运行予以优化，从而达成低功耗以及更长使用寿命之目的。
全数字电源解决方案依靠通用MCU或DSP来实现，可是，MCU和DSP并非专门针对电源设计的产品，一般需要耗费过多的编码和固件设计时间，这致使全数字电源解决方案的设计变得艰难。此过程对于拥有数年设计经验的模拟电源工程师来说存在极大挑战。所以，各数字电源方案的供应商在提供产品之际，基本上都会同步提供配套的开发工具或开发板，这让这一困境得到了极大缓解，进一步推动了数字电源方案的普遍应用。
虽然这样，可是我们不得不明白一个情况，即模拟电源依旧会存续一阵子，并且占有较大的市场占比，跟当下市场里的数字电源融洽共存。
