【導讀】開關(guān)模式電源 (SMPS)是當今高科技世界中大多數(shù)電子設備的。每個電氣設備都需要電源才能運行,并且不同的設備需要不同形式的電源。這帶來了巨大的架構(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。
開關(guān)模式電源 (SMPS)是當今高科技世界中大多數(shù)電子設備的。每個電氣設備都需要電源才能運行,并且不同的設備需要不同形式的電源。這帶來了巨大的架構(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 40 年代海軍電傳打字機系統(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)取得了長足的進步。根據(jù)的 Report Linker 評估,隨著GaN和SiC器件等新技術(shù)的前景, SMPS 市場預計到 2025 年將達到 63 億美元以上。這一進步是持續(xù)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,已經(jīng)涉及到設計的每一個組成部分。然而,這種無處不在的變革背后有一個共同點: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。我們首先概述導致這一轉(zhuǎn)變的歷史條件,然后厘清常用術(shù)語“數(shù)字力量”和一些相關(guān)概念的含義。
圖 1. SMPS 歷史時間表。
SMPS 簡史
SMPS 界對于“數(shù)字電源”一詞的含義還沒有明確的共識。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)、過去幾十年發(fā)生的不同程度的數(shù)字化,當然還有營銷的創(chuàng)意本質(zhì)腦。事實上,開關(guān)動作本身——賦予整個技術(shù)獨特的名稱——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)演變在歷史上是清晰的。
盡管 SMPS 革命早在 30 年代初就已為人所知,但直到 70 年代末開發(fā)出兩項關(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 由模擬設備控制;控制器板設計有運算放大器、比較器、晶體管和無源元件,以執(zhí)行監(jiān)督和控制模塊所需的所有功能。隨著設計的發(fā)展,需要更大、更復雜的功能,而用分立元件解決如此復雜的邏輯所面臨的挑戰(zhàn)多導致性能限制和大量零件。
許多公司看到了這個機會,開始生產(chǎn)用于 PWM 控制的專用模擬 IC。然而,直到 1976 年,Bob Mammano 將所有功能塊集成到一個芯片(SG1524)中,發(fā)明了個 PWM 控制器 IC,標志著數(shù)字電源時代的開始(見圖 2)。
圖2 . SG1524 的框圖。圖片由Tautec Electronics 提供。
一旦 Mammano 以其 SG1524 打開舞臺,各種各樣的 PWM 控制器就開始出現(xiàn),提供越來越多的功能和改進的功能。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提供了解決方案。
與此同時,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。市場持續(xù)擴張到 90 年代,消費電子產(chǎn)品和數(shù)據(jù)處理設備的巨大增長引起了環(huán)境問題,制定了降低功耗的計劃以及提高 SMPS 轉(zhuǎn)換效率的強烈需求(例如,美國能源之星和歐盟行為準則) )。
對 SMPS 日益嚴格的要求影響了設計的各個方面,從而需要更復雜的功能,例如數(shù)據(jù)記錄和外部通信。這種復雜性與 MPU 和 MCU 芯片的日益普及和價格下降相一致,這些芯片于 70 年代中期進入市場,并具有 TI 的 TMS1000 和 Intel 的 I8080 等器件,并迅速激增(見圖 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。
導致 SMPS 采用這些技術(shù)的事件并沒有詳細記錄,因為這是一種明顯的設計趨勢,旨在消除越來越多的用于非關(guān)鍵監(jiān)視和控制功能的分立元件。然而,到了 80 年代,電機驅(qū)動行業(yè)開始使用 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 設計人員(典型的保守群體)僅利用這些經(jīng)驗來執(zhí)行非關(guān)鍵任務。后來,在 90 年代,隨著基于數(shù)字信號處理器的控制器 (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,對于 SMPS 而言,數(shù)字電源并不是一個全有或全無的術(shù)語。SMPS 是包含各種功能塊的復雜系統(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,通過引入 DSC 及其各自的固件來執(zhí)行執(zhí)行電源轉(zhuǎn)換所需的所有監(jiān)視和控制任務,實現(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,該定義并沒有區(qū)分由不可編程數(shù)字控制器 IC 實現(xiàn)控制功能的電源和依賴 MPU、MCU、DSC、FPGA 或其組合的電源。由于許多 SMPS 應用和新技術(shù)(例如 SiC 和 GaN)都需要后者,因此這種區(qū)別變得越來越重要。
與其他領(lǐng)域發(fā)生的情況類似,選擇面向軟件的電源設計方法時會出現(xiàn)多種可能性。從通過使用代碼加密引入新的 IP 保護機制到減少因組件老化而引起的可靠性問題,其優(yōu)點眾多,并且可以顯著提高性能并降低開發(fā)周期的成本和持續(xù)時間。
然而,這些優(yōu)點的代價很高,因為至少可以說,改變設計范式以在模塊的引入全新的學科(即軟件工程)本身會帶來挑戰(zhàn)。
其中一些挑戰(zhàn)與培養(yǎng)正確的技能有關(guān)?,F(xiàn)在,團隊需要數(shù)字設計師、數(shù)字控制和固件開發(fā)人員。其他涉及采用正確的工具和流程來執(zhí)行正確的設計。事實上,為了在不產(chǎn)生重大風險的情況下朝這個方向發(fā)展,必須考慮多種因素。
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