STM32助你轻松解码数字电源设计

如果把处理器和传感器分别比作是电子设备的“大脑”和“五官”，那么电源管理就是电子设备的“心脏”，其重要性不言而喻。

物联网时代，功能越来越强大的服务器、通信设备等产品推动了半导体工艺技术不断升级，体积小、性能强大的芯片要求电源管理IC能提供更智能的控制环路、更快速的动态响应、更高的电压反馈精度以及更简化的外围电路布局设计。

面对这些要求，拥有集成度高、快速响应、设计灵活、可控性强等优势的数字电源技术备受青睐。

如何定义数字电源？

数字电源，以数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）为核心，将数字电源驱动器、PWM控制器等作为控制对象，能实现控制、管理和监测功能的电源产品。它是通过设定开关电源的内部参数来改变其外特性，并在“电源控制”的基础上增加了“电源管理”。

所谓电源管理是指将电源有效地分配给系统的不同组件，最大限度地降低损耗。数字电源的管理（如电源排序）必须全部采用数字技术。

▲ 数字电源原理框图

通过软件编程实现的用于电源控制算法的复杂度远远高于模拟电路所能实现的硬控制算法，后者仅局限于PID控制。 DSP/MCU的应用使得开关电源能够用上各种现代控制算法 ，比如自适应控制、预测控制等。这些先进的控制算法大大的扩展了数字电源的性能，丰富了其应用场景。

除了通过软件编程可以带来多功能以及控制算法上的优势外，数字电源所采用的DSP/MCU往往还带有丰富的通信外设。各 种接口的使用让数字电源具备了通信能力 ，这大大扩展了数字电源的应用场景和功能，比如远程控制、在线监测、在线升级软件、多电源组网、集群管理、故障报警等等。这是纯模拟电源完全不具备的。

DSP/MCU在数字电源的应用还催生了数字电源专用的通讯协议——PMBus（Power Management Bus，电源管理总线），这是一种开放标准的数字电源管理协议。通过定义传输和物理接口以及命令语言，即可促进与电源转换器或其他设备的通信。支持PMBus的芯片已经出现在了很多大牌半导体厂商的产品库中。

数字电源有何所长？

数字电源相对于模拟电源的优势主要体现在以下几个方面：

便于高度集成化。 由于数字电路采用二进制，所以电路基本单元简单，而且对元件要求也不严格，允许电路参数有较大的离散性，有利于将众多的基本单元集成在同一硅片上进行批量生产。

工作准确可靠，抗干扰能力强。 数字电源用1和0来表示信号，数字电路辨别信号有无简单，大大提高了电路的工作可靠性。同时数字信号不易受到噪声干扰，抗干扰能力极强。

数字信息便于长期保存。 借助某种媒体(磁盘、光盘等)可将数字信息长期保存下来。

**数字集成电路产品多、通用性强且成本低。 **

保密性好。 数字信息容易进行加密处理，不易被窃取。

不仅能完成数值运算，还可以进行逻辑运算和判断。 这在控制系统中是不可缺少的。

▲ 数字电源与模拟电源对比

从应用角度分析：

• 数字电源适合于控制参数较多、实时响应速度快、复杂的高性能电源系统，例如设计从AC线路到负载的高端电源系统。可广泛用于移动通信设备、计算机服务器、数据中心电源系统及不间断电源（UPS）等。负载波动大，要求多路不同的供电电压，甚至对供电的时序也有特殊要求，比如通信用电源、数据中心供配电、复杂电路系统（FPGA/CPU）等，这些用户就需要数字电源。究其原因，就是复杂的功能可以由灵活的软件编程来实现，高难度的控制需求可以有先进的算法来满足。
• 模拟电源适应于简单易用、控制参数少、成本低的应用场合。负载波动不大，电压等级需求单一的系统适合采用模拟电源。这种条件下，由于模拟电源没有软件计算的延迟，其响应性能反而优于数字电源。

STM32助你轻松解码数字电源设计

5G、物联网、AI等新兴技术的加速落地，推动数字电源从消费电子、网络通信延伸至汽车电子、新能源、智能硬件等广泛领域。

从模拟电源转到数字电源，开发人员会面临诸多挑战，如响应速度或带宽、DSP或MCU的处理速度、ADC采样延时、复杂拓扑支持、自适应环路/斜坡/均流/温度补偿及复杂算法等，分分钟为设计带来不同挑战。此外，模块化、集成化、系统化的发展趋势也为数字电源设计带来更多挑战。

从硬件、软件工具和嵌入式软件到培训资源和文档，STM32数字电源一站式资源库（也称为D-Power）提供一整套材料，以支持并加快数字电源应用的开发，如D-SMPS、照明、焊接、太阳能系统和无线充电器的逆变器。

▲ 基于STM32的数字电源市场应用

** STM32 D-Power 产品线**

STM32 D-Power产品组合包括STM32产品系列的几个产品线，并涵盖了入门级到高性能产品，从而能够在性能方面实现最大可扩展性与灵活性。

STM32D-Power产品组合包括带有嵌入式高分辨率定时器（HRTimer）的STM32F3、STM32G4和STM32H7 MCU，该计时器为一种功能强大且灵活的脉冲宽度调制（PWM）发生器，可提供高达184ps的分辨率。STM32F3、STM32G4和STM32H7 MCU包含模拟组件的产品编号为STM32F334、STM32G474和STM32H743等。

▲ 可用于数字电源的产品型号

嵌入式HRTimer主要特点包括：

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

• 多达12个通道的定时器单元组成，支持交叉互补或独立工作模式
• 无论电压、温度或制造偏差如何，始终可以在所有通道上实现高分辨率

2.** 波形生成与事件管理**

• 软件介入最少的高级PWM波形生成
  • 智能功能，如硬件突发模式控制器，自动延迟模式，外部事件窗口，平衡空闲模式(带延迟与自动恢复功能)，斜坡补偿，谷值跳跃，多种保护方案。
  • 每个定时器都有一路DMA通道
  • 修改一个参数可更改多个事件（定时器级联）
• 复杂事件管理：10路外部事件输入，最多6路故障输入
• 众多互连

▲ 可用于数字电源的STM32产品线