【導讀】開關模式電源 (SMPS)是當今高科技世界中大多數電子設備的。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多樣性，解決方案范圍從超小型 SMD 1W 降壓 DC/DC 轉換器到高功率、高效率50kW 整流器。
開關模式電源 (SMPS)是當今高科技世界中大多數電子設備的。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多樣性，解決方案范圍從超小型 SMD 1W 降壓 DC/DC 轉換器到高功率、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 行業已經取得了長足的進步。根據的 Report Linker 評估，隨著GaN和SiC器件等新技術的前景， SMPS 市場預計到 2025 年將達到 63 億美元以上。這一進步是持續技術發展的結果，已經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變的歷史條件，然后厘清常用術語“數字力量”和一些相關概念的含義。
圖 1. SMPS 歷史時間表。
SMPS 簡史
SMPS 界對于“數字電源”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 的數字技術、過去幾十年發生的不同程度的數字化，當然還有營銷的創意本質腦。事實上，開關動作本身——賦予整個技術獨特的名稱——本質上是一種數字現象。盡管存在這種混亂，但正如我們將在本節中看到的，模塊的技術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 年代末開發出兩項關鍵技術：功率 MOSFET 和 PWM 控制器 IC 后，SMPS 革命才真正發生。
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，以執行監督和控制模塊所需的所有功能。隨著設計的發展，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，發明了個 PWM 控制器 IC，標志著數字電源時代的開始（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，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 控制領域，并為監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。市場持續擴張到 90 年代，消費電子產品和數據處理設備的巨大增長引起了環境問題，制定了降低功耗的計劃以及提高 SMPS 轉換效率的強烈需求（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，例如數據記錄和外部通信。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鍵監視和控制功能的分立元件。然而，到了 80 年代，電機驅動行業開始使用 MPU 和 MCU，并在包括反饋控制在內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）僅利用這些經驗來執行非關鍵任務。后來，在 90 年代，隨著基于數字信號處理器的控制器 (DSC) 的普及，一步終于邁出了。這就是全數字控制 SMPS 的誕生。
數字電源和軟件控制 SMPS
總而言之，我們可以說，對于 SMPS 而言，數字電源并不是一個全有或全無的術語。SMPS 是包含各種功能塊的復雜系統，隨著技術的發展，這些功能塊已逐漸數字化。在這一變革中，通過引入 DSC 及其各自的固件來執行執行電源轉換所需的所有監視和控制任務，實現了深層次的數字技術滲透。
那么，我們可以將數字電源定義為由SMPS 產生的電源，其中所有與控制相關的功能均由數字技術執行。然而，該定義并沒有區分由不可編程數字控制器 IC 實現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（例如 SiC 和 GaN）都需要后者，因此這種區別變得越來越重要。
與其他領域發生的情況類似，選擇面向軟件的電源設計方法時會出現多種可能性。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，其優點眾多，并且可以顯著提高性能并降低開發周期的成本和持續時間。
然而，這些優點的代價很高，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。
其中一些挑戰與培養正確的技能有關。現在，團隊需要數字設計師、數字控制和固件開發人員。其他涉及采用正確的工具和流程來執行正確的設計。事實上，為了在不產生重大風險的情況下朝這個方向發展，必須考慮多種因素。
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