STM32助你輕松解碼數字電源設計

如果把處理器和傳感器分別比作是電子設備的“大腦”和“五官”，那么電源管理就是電子設備的“心臟”，其重要性不言而喻。

物聯網時代，功能越來越強大的服務器、通信設備等產品推動了半導體工藝技術不斷升級，體積小、性能強大的芯片要求電源管理IC能提供更智能的控制環路、更快速的動態響應、更高的電壓反饋精度以及更簡化的外圍電路布局設計。

面對這些要求，擁有集成度高、快速響應、設計靈活、可控性強等優勢的數字電源技術備受青睞。

如何定義數字電源？

數字電源，以數字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，將數字電源驅動器、PWM控制器等作為控制對象，能實現控制、管理和監測功能的電源產品。它是通過設定開關電源的內部參數來改變其外特性，并在“電源控制”的基礎上增加了“電源管理”。

所謂電源管理是指將電源有效地分配給系統的不同組件，最大限度地降低損耗。數字電源的管理（如電源排序）必須全部采用數字技術。

▲ 數字電源原理框圖

通過軟件編程實現的用于電源控制算法的復雜度遠遠高于模擬電路所能實現的硬控制算法，后者僅局限于PID控制。 DSP/MCU的應用使得開關電源能夠用上各種現代控制算法 ，比如自適應控制、預測控制等。這些先進的控制算法大大的擴展了數字電源的性能，豐富了其應用場景。

除了通過軟件編程可以帶來多功能以及控制算法上的優勢外，數字電源所采用的DSP/MCU往往還帶有豐富的通信外設。各 種接口的使用讓數字電源具備了通信能力 ，這大大擴展了數字電源的應用場景和功能，比如遠程控制、在線監測、在線升級軟件、多電源組網、集群管理、故障報警等等。這是純模擬電源完全不具備的。

DSP/MCU在數字電源的應用還催生了數字電源專用的通訊協議——PMBus（Power Management Bus，電源管理總線），這是一種開放標準的數字電源管理協議。通過定義傳輸和物理接口以及命令語言，即可促進與電源轉換器或其他設備的通信。支持PMBus的芯片已經出現在了很多大牌半導體廠商的產品庫中。

數字電源有何所長？

數字電源相對于模擬電源的優勢主要體現在以下幾個方面：

便于高度集成化。 由于數字電路采用二進制，所以電路基本單元簡單，而且對元件要求也不嚴格，允許電路參數有較大的離散性，有利于將眾多的基本單元集成在同一硅片上進行批量生產。

工作準確可靠，抗干擾能力強。 數字電源用1和0來表示信號，數字電路辨別信號有無簡單，大大提高了電路的工作可靠性。同時數字信號不易受到噪聲干擾，抗干擾能力極強。

數字信息便于長期保存。 借助某種媒體(磁盤、光盤等)可將數字信息長期保存下來。

**數字集成電路產品多、通用性強且成本低。 **

保密性好。 數字信息容易進行加密處理，不易被竊取。

不僅能完成數值運算，還可以進行邏輯運算和判斷。 這在控制系統中是不可缺少的。

▲ 數字電源與模擬電源對比

從應用角度分析：

• 數字電源適合于控制參數較多、實時響應速度快、復雜的高性能電源系統，例如設計從AC線路到負載的高端電源系統?？蓮V泛用于移動通信設備、計算機服務器、數據中心電源系統及不間斷電源（UPS）等。負載波動大，要求多路不同的供電電壓，甚至對供電的時序也有特殊要求，比如通信用電源、數據中心供配電、復雜電路系統（FPGA/CPU）等，這些用戶就需要數字電源。究其原因，就是復雜的功能可以由靈活的軟件編程來實現，高難度的控制需求可以有先進的算法來滿足。
• 模擬電源適應于簡單易用、控制參數少、成本低的應用場合。負載波動不大，電壓等級需求單一的系統適合采用模擬電源。這種條件下，由于模擬電源沒有軟件計算的延遲，其響應性能反而優于數字電源。

STM32助你輕松解碼數字電源設計

5G、物聯網、AI等新興技術的加速落地，推動數字電源從消費電子、網絡通信延伸至汽車電子、新能源、智能硬件等廣泛領域。

從模擬電源轉到數字電源，開發人員會面臨諸多挑戰，如響應速度或帶寬、DSP或MCU的處理速度、ADC采樣延時、復雜拓撲支持、自適應環路/斜坡/均流/溫度補償及復雜算法等，分分鐘為設計帶來不同挑戰。此外，模塊化、集成化、系統化的發展趨勢也為數字電源設計帶來更多挑戰。

從硬件、軟件工具和嵌入式軟件到培訓資源和文檔，STM32數字電源一站式資源庫（也稱為D-Power）提供一整套材料，以支持并加快數字電源應用的開發，如D-SMPS、照明、焊接、太陽能系統和無線充電器的逆變器。

▲ 基于STM32的數字電源市場應用

** STM32 D-Power 產品線**

STM32 D-Power產品組合包括STM32產品系列的幾個產品線，并涵蓋了入門級到高性能產品，從而能夠在性能方面實現最大可擴展性與靈活性。

STM32D-Power產品組合包括帶有嵌入式高分辨率定時器（HRTimer）的STM32F3、STM32G4和STM32H7 MCU，該計時器為一種功能強大且靈活的脈沖寬度調制（PWM）發生器，可提供高達184ps的分辨率。STM32F3、STM32G4和STM32H7 MCU包含模擬組件的產品編號為STM32F334、STM32G474和STM32H743等。

▲ 可用于數字電源的產品型號

嵌入式HRTimer主要特點包括：

1. 高分辨率 ：184ps（STM32G474）或217ps（STM32F334）

• 多達12個通道的定時器單元組成，支持交叉互補或獨立工作模式
• 無論電壓、溫度或制造偏差如何，始終可以在所有通道上實現高分辨率

2.** 波形生成與事件管理**

• 軟件介入最少的高級PWM波形生成
  • 智能功能，如硬件突發模式控制器，自動延遲模式，外部事件窗口，平衡空閑模式(帶延遲與自動恢復功能)，斜坡補償，谷值跳躍，多種保護方案。
  • 每個定時器都有一路DMA通道
  • 修改一個參數可更改多個事件（定時器級聯）
• 復雜事件管理：10路外部事件輸入，最多6路故障輸入
• 眾多互連

▲ 可用于數字電源的STM32產品線