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[文章]智能电源：模拟和数字控制回路实现对比

拜月
工程师
2021-10-12 18:45:10     打赏
电源转换应用无处不在。小到使用升压转换器调节纽扣电池（电量逐渐减小）电压的便携式设备，大到进行大量冗余AC-DC转换的蜂窝****：一切都需要电力。业界对数字电源的讨论有很多；例如，将电源转换移至软件，最终用相应软件替代我们所有的电源硬件。现实情况要复杂得多，动态性也要差得多。大多数电源转换是（并将始终）在专用硬件中实现的。不过，随着数字信号处理器（DSP）和数字配置控制器的功能越来越强大，对于精明的设计人员而言，可供其使用的选项和电源转换功能也越来越多，更何况设计人员都不惧在固件编译器方面挑战一番。最大的问题是时机；何时在设计过程中增加固件是值得的，何时使用传统的模拟电源转换更好？答案与其所涵盖的电源转换一样，是不固定的。目前推动数字电源转换投资的主要因素有四个：报告、可靠性、动态负载管理和总拥有成本。

数据报告功能是数字化电源的主要优势之一。在许多系统中，了解处理器负载电流、电池电压或功率大小是有利的。这些信息可用于节制风扇速度、管理系统冷却或向用户报告状态。在生成或获取应用程序时，该功能可以向中央系统报告本地发电情况，或在耗电情况下报告所需电能——这两种情况均可使总体系统更为高效。今天，几乎所有的备用电池或电池电源都使用某种形式的电量计量。在高性能计算应用中，用户可能希望看到系统电压恰好能够使微处理器超频，或者数据中心可能只是想要监测其（实质）电源预算花费在哪些方面。准确的电压报告比较常见，但准确的电流或准确的功率报告则比较困难。后两者均需要良好的测量电路，通常围绕系统中某处的模数转换器构建。此外，无论是采用I2CTM、SMBusTM、PMBusTM、智能电池、SPI还是任何其他方法（标准或专有），都需要报告测量数据。这种测量和报告需要数字电路，但实际上并不需要数字化的控制回路，因此可单独实现，即使用监控电路（可能使用PIC12F18xx系列单片机）来监控模拟电压转换器。电压转换也可以在PIC®MCU的独立于内核的外设（CIP）中完成，或者使用内置MCU（例如MCP19xxx系列器件）的单片式模拟控制来完成。这些方法均可以实现数字报告，而且不需要数字控制回路，这通常可加快系统设计。有了此类系统，为进行报告而添加一定级别的数字电路就变得很容易，并且可以围绕模拟电源构建。
图1：模拟电源的数字管理实现该方法比真正的数字控制回路更容易实现，同时还具备数字电源的众多优势。使用现代控制器时，您会发现这些模块集成在一个 IC（例如 MCP19119）中。

报告可提高系统的可靠性。硬件现在可以监视异常行为，并进行通告，可在导致硬件故障之前检测到问题。这样一来，便可延长数据中心等高可靠性系统的正常运行时间。此外，还可使用数字控制回路进一步提高可靠性。模拟控制回路的补偿取决于随时间发生偏移的无源模拟组件。数字计算始终是相同的。不过，更大的优势在于能够处理故障和错误。与纯模拟控制电路相比，智能固件能够采取更多措施来减轻或标记有问题的情况。更重要的是，它可以响应这些错误。这可能意味着切换到冗余电源，或通知系统操作员设备需要修理。在系统层面上，这可以显著提高可靠性。

使用数字通信接口时，应用程序还能够接收数字命令。这可以实现更精细的负载管理。自适应电压调整、电压裕度调整，甚至仅仅是复杂的负载都需要具备对电源操作进行动态调整的能力。这些可以通过PMBusTM标准或智能电池协议等标准化命令来实现；也可以通过I2C或SPI接口的专有命令实现。也可以根据环境温度、输入电压或负载功率变化等环境测量值进行操作更改——无需任何外部通信。如果纯模拟电源检测到掉电并锁定处理器电源，则数字控制器可能会降低输出电压，向处理器发出减慢速度的信号，然后减速处理，直到输入恢复（缓慢的响应优于无响应）。

系统也可以实时调整工作频率，提高各负载条件下的效率，同时仍保持固定频率操作的优势。与数据报告类似，这些都是数字电路的典型应用，但是（取决于所需的确切性能变化）它们并不总是需要数字电源控制。例如，microchip的MIC24045模拟电源控制器可以使用I2C接口进行管理。


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关键词： 智能     电源     模拟     数字     控制     回路     实现     对比    

丘球
工程师
2021-10-12 19:00:07     打赏
2楼

学习到了


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大华K
工程师
2021-10-12 19:11:41     打赏
3楼

干货


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水方
工程师
2021-10-12 19:14:18     打赏
4楼

感谢楼主分享


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未来的我
工程师
2021-10-12 19:17:04     打赏
5楼

感谢分享


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黑杰克
高工
2021-10-12 22:43:27     打赏
6楼

感谢分享


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南望
助工
2021-10-12 23:44:23     打赏
7楼

对比做的还是蛮不错的


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nancy1988
菜鸟
2021-10-13 08:40:34     打赏
8楼

学习了


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sumoon
专家
2021-10-13 09:06:27     打赏
9楼

感谢分享!


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jia137017878
院士
2021-10-13 09:12:12     打赏
10楼

谢谢分享


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