【導(dǎo)讀】開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS)是當(dāng)今高科技世界中大多數(shù)電子設(shè)備的。每個(gè)電氣設(shè)備都需要電源才能運(yùn)行，并且不同的設(shè)備需要不同形式的電源。這帶來(lái)了巨大的架構(gòu)多樣性，解決方案范圍從超小型 SMD 1W 降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器到高功率、高效率50kW 整流器。
開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS)是當(dāng)今高科技世界中大多數(shù)電子設(shè)備的。每個(gè)電氣設(shè)備都需要電源才能運(yùn)行，并且不同的設(shè)備需要不同形式的電源。這帶來(lái)了巨大的架構(gòu)多樣性，解決方案范圍從超小型 SMD 1W 降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器到高功率、高效率50kW 整流器。
從 20 世紀(jì) 40 年代海軍電傳打字機(jī)系統(tǒng)使用的早期REC-30 水銀蒸氣閘流管電源到今天的超高效率、高功率密度電信整流器，SMPS 行業(yè)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。根據(jù)的 Report Linker 評(píng)估，隨著GaN和SiC器件等新技術(shù)的前景， SMPS 市場(chǎng)預(yù)計(jì)到 2025 年將達(dá)到 63 億美元以上。這一進(jìn)步是持續(xù)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，已經(jīng)涉及到設(shè)計(jì)的每一個(gè)組成部分。然而，這種無(wú)處不在的變革背后有一個(gè)共同點(diǎn)：數(shù)字革命。
在本文中，我們將討論圍繞此事的一些重要方面。我們首先概述導(dǎo)致這一轉(zhuǎn)變的歷史條件，然后厘清常用術(shù)語(yǔ)“數(shù)字力量”和一些相關(guān)概念的含義。
圖 1. SMPS 歷史時(shí)間表。
SMPS 簡(jiǎn)史
SMPS 界對(duì)于“數(shù)字電源”一詞的含義還沒(méi)有明確的共識(shí)。這可以歸因于多種因素，包括早在 70 年代就推出了款 PWM 控制器 IC 的數(shù)字技術(shù)、過(guò)去幾十年發(fā)生的不同程度的數(shù)字化，當(dāng)然還有營(yíng)銷(xiāo)的創(chuàng)意本質(zhì)腦。事實(shí)上，開(kāi)關(guān)動(dòng)作本身——賦予整個(gè)技術(shù)獨(dú)特的名稱(chēng)——本質(zhì)上是一種數(shù)字現(xiàn)象。盡管存在這種混亂，但正如我們將在本節(jié)中看到的，模塊的技術(shù)演變?cè)跉v史上是清晰的。
盡管 SMPS 革命早在 30 年代初就已為人所知，但直到 70 年代末開(kāi)發(fā)出兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：功率 MOSFET 和 PWM 控制器 IC 后，SMPS 革命才真正發(fā)生。
在此之前，SMPS 由模擬設(shè)備控制；控制器板設(shè)計(jì)有運(yùn)算放大器、比較器、晶體管和無(wú)源元件，以執(zhí)行監(jiān)督和控制模塊所需的所有功能。隨著設(shè)計(jì)的發(fā)展，需要更大、更復(fù)雜的功能，而用分立元件解決如此復(fù)雜的邏輯所面臨的挑戰(zhàn)多導(dǎo)致性能限制和大量零件。
許多公司看到了這個(gè)機(jī)會(huì)，開(kāi)始生產(chǎn)用于 PWM 控制的專(zhuān)用模擬 IC。然而，直到 1976 年，Bob Mammano 將所有功能塊集成到一個(gè)芯片（SG1524）中，發(fā)明了個(gè) PWM 控制器 IC，標(biāo)志著數(shù)字電源時(shí)代的開(kāi)始（見(jiàn)圖 2）。
圖2 . SG1524 的框圖。圖片由Tautec Electronics 提供。
一旦 Mammano 以其 SG1524 打開(kāi)舞臺(tái)，各種各樣的 PWM 控制器就開(kāi)始出現(xiàn)，提供越來(lái)越多的功能和改進(jìn)的功能。在 80 年代中期，電源 IC 的日益多樣化超越了 PWM 控制領(lǐng)域，并為監(jiān)控和故障管理等其他任務(wù)提供了解決方案。
與此同時(shí)，新的控制策略（例如電流模式控制）正在研究中，并取得了可喜的成果，為電源 IC 提出了另一組新的要求。市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)張到 90 年代，消費(fèi)電子產(chǎn)品和數(shù)據(jù)處理設(shè)備的巨大增長(zhǎng)引起了環(huán)境問(wèn)題，制定了降低功耗的計(jì)劃以及提高 SMPS 轉(zhuǎn)換效率的強(qiáng)烈需求（例如，美國(guó)能源之星和歐盟行為準(zhǔn)則） ）。
對(duì) SMPS 日益嚴(yán)格的要求影響了設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，從而需要更復(fù)雜的功能，例如數(shù)據(jù)記錄和外部通信。這種復(fù)雜性與 MPU 和 MCU 芯片的日益普及和價(jià)格下降相一致，這些芯片于 70 年代中期進(jìn)入市場(chǎng)，并具有 TI 的 TMS1000 和 Intel 的 I8080 等器件，并迅速激增（見(jiàn)圖 3）。
圖 3. Texas Instruments 的 TMS1000 和 Intel 的 18080。圖片由德州儀器 (TI) 和英特爾提供。
導(dǎo)致 SMPS 采用這些技術(shù)的事件并沒(méi)有詳細(xì)記錄，因?yàn)檫@是一種明顯的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，旨在消除越來(lái)越多的用于非關(guān)鍵監(jiān)視和控制功能的分立元件。然而，到了 80 年代，電機(jī)驅(qū)動(dòng)行業(yè)開(kāi)始使用 MPU 和 MCU，并在包括反饋控制在內(nèi)的各種用途中取得了巨大成功。
然而，SMPS 設(shè)計(jì)人員（典型的保守群體）僅利用這些經(jīng)驗(yàn)來(lái)執(zhí)行非關(guān)鍵任務(wù)。后來(lái)，在 90 年代，隨著基于數(shù)字信號(hào)處理器的控制器 (DSC) 的普及，一步終于邁出了。這就是全數(shù)字控制 SMPS 的誕生。
數(shù)字電源和軟件控制 SMPS
總而言之，我們可以說(shuō)，對(duì)于 SMPS 而言，數(shù)字電源并不是一個(gè)全有或全無(wú)的術(shù)語(yǔ)。SMPS 是包含各種功能塊的復(fù)雜系統(tǒng)，隨著技術(shù)的發(fā)展，這些功能塊已逐漸數(shù)字化。在這一變革中，通過(guò)引入 DSC 及其各自的固件來(lái)執(zhí)行執(zhí)行電源轉(zhuǎn)換所需的所有監(jiān)視和控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了深層次的數(shù)字技術(shù)滲透。
那么，我們可以將數(shù)字電源定義為由SMPS 產(chǎn)生的電源，其中所有與控制相關(guān)的功能均由數(shù)字技術(shù)執(zhí)行。然而，該定義并沒(méi)有區(qū)分由不可編程數(shù)字控制器 IC 實(shí)現(xiàn)控制功能的電源和依賴(lài) MPU、MCU、DSC、FPGA 或其組合的電源。由于許多 SMPS 應(yīng)用和新技術(shù)（例如 SiC 和 GaN）都需要后者，因此這種區(qū)別變得越來(lái)越重要。
與其他領(lǐng)域發(fā)生的情況類(lèi)似，選擇面向軟件的電源設(shè)計(jì)方法時(shí)會(huì)出現(xiàn)多種可能性。從通過(guò)使用代碼加密引入新的 IP 保護(hù)機(jī)制到減少因組件老化而引起的可靠性問(wèn)題，其優(yōu)點(diǎn)眾多，并且可以顯著提高性能并降低開(kāi)發(fā)周期的成本和持續(xù)時(shí)間。
然而，這些優(yōu)點(diǎn)的代價(jià)很高，因?yàn)橹辽倏梢哉f(shuō)，改變?cè)O(shè)計(jì)范式以在模塊的引入全新的學(xué)科（即軟件工程）本身會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。
其中一些挑戰(zhàn)與培養(yǎng)正確的技能有關(guān)?，F(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)需要數(shù)字設(shè)計(jì)師、數(shù)字控制和固件開(kāi)發(fā)人員。其他涉及采用正確的工具和流程來(lái)執(zhí)行正確的設(shè)計(jì)。事實(shí)上，為了在不產(chǎn)生重大風(fēng)險(xiǎn)的情況下朝這個(gè)方向發(fā)展，必須考慮多種因素。
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