基于处理器如何实现电源管理模块设计？有哪些设计方案？

一切电子设备都要用电，电源也就无处不在。电源在我们印象中就是输入端进电，输出端对用电设备供电，它的电路是由一堆的电阻、电容、电感还有变压器、风扇之类构成。如果有人问你电源属于模拟电路还是数字电路，相信大家一定会说是模拟电路，事实上电源系统的电力部分确实是模拟电路，生活中常见电器也多为模拟电源。那么近年来，为何数字电源的概念越来越常见?数字电源究竟是什么?

数字电源属于开关电源，但是开关电源不一定是数字电源。请看下面图1-2。

从上面两张图我们就可以看出，一个开关电源到底是不是数字电源，取决于开关电源的开关信号是否由软件计算出来。开关电源的应用远远早于DSP、MCU的应用，早期的开关电源都由模拟电路生成PWM调制信号。后来DSP在以UPS应用为代表的逆变器控制电路上得到了大规模应用，但在开关电源DC—DC部分却很少使用，并且长期局限于IT行业的服务器电源应用。近年来，有不少开关电源的DC—DC电路采用了DSP/MCU，PWM调制信号由软件算法计算产生，这才是这里所说的数字电源。

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。

当然，这里不是说数字电源一定比模拟电源性能更优越、数字电源会淘汰模拟电源。近年来，电源市场上模拟电源与数字电源之争确实存在。总体上讲，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。

用电需求复杂的数据中心

如果负载波动大，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。

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。

针对数字电源这一新兴电源市场，各大传统DSP/MCU厂商都推出了专用数字电源用DSP/MCU芯片。比如Microchip推出了16位DSC：dsPIC33EP GS系列。STMicroelectronics也在STM32家族中推出了采用ARM-Cortex M4核心的STM32G474和STM32F334。

电源设计工程师通常采用灵活的电源监视、时序控制和调节电路来管理他们的系统。本文讨论电源管理的原理和方法。

多年来，为了使电子系统安全、经济、耐用和正常工作，对越来越多的电源电压进行监测和控制变得极为重要——特别是对于使用微处理器的系统。监测一组电源电压是否超过阈值或者仍然处于正常工作范围内，以及该电压是否相对于其它电压依照正确时序启动或关闭，对于系统工作的可靠性和安全性来说是至关重要的。对于这个问题，在每个不同角度上都有着许多解决的方法。例如，利用一个由精密电阻分压器、比较器和参考电压所组成的简单电路，能够用来检测一组电源电压是否高于或低于某一规定电压。在复位发生器中，例如ADM8032，这种元件与一个延迟元件相结合来控制器件——例如微处理器、专用集成电路(ASIC)和数字信号处理器(DSP)——在电源启动的同时就处于复位状态。这种等级的监测对于许多应用来说是足以胜任的。当需要监测多组电源电压时，通常将多个器件(或是多通道比较器及其相关电路)并联使用，但是增加了对监控IC的要求，不再是简单的阈值比较。

在许多应用中，电源的数目也显著增加。在一些复杂、昂贵的系统中，例如局域网(LAN)交换机和蜂窝电话基站，通常都会有内含10组或更多电源的线路卡;即使注重降低成本的消费类系统，例如等离子电视，也可能有多达15组的独立电源，其中许多电源需要监测和时序控制。现今许多高性能的IC都需要多组电源，例如，对于许多器件而言，提供独立的内核电源电压和I/O电源电压已成为一种标准作法。在高端产品方面，每颗 DSP可能需要高达四个独立供应的电源。在许多情况下，多颗多电源器件可能共同存在于同一系统中，其中包含FPGA、ASIC、DSP、微处理器和微控制器(以及模拟单元)。

许多器件都采用标准电源电压(例如 3.3 V)，而另一些器件可能需要专用电源电压。除此之外，一个特定的标准电压还可能需要根据不同的供应对象而个别加以调整。例如，有时会需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL这样独立供应的模拟电源和数字电源。为了提高效率(例如：供应给内存使用的电源电流可能达到数百安培)或者为了满足时序要求(个别的器件在不同时间需要3.3 VA以及3.3 VB)，多次产生相同的电压有时可能是必要的。所有的这些因素都促使电源数目的增加。电源电压监测和时序控制有时会变得极为复杂，特别是当一个系统必须设计成能够支持电源上电和电源关断的时序控制、以及能够在工作期间内不同时间点上，针对各组电源所有可能的故障状况产生多种响应，而中心电源管理控制器正是解决这个难题的最佳方案。

随着电源电压数目的成加，故障发生的机率也随着增加。其风险与电源数目、器件数量和系统复杂程度成比例增加。外在因素也会增加风险，例如，假如在初始设计阶段，主要的ASIC的特性没有被完整的定义清楚，那么电源设计工程师必须用硬件方法完成电压阈值监测和时序控制，因为会随着ASIC的发展其电源电压指标会发生变化。假如其技术要求改变，那么其PCB必须根据——明确的进程予以修改，这通常涉及到成本问题。另外，对于某些特定器件来说，其电源电压的指标可能会在其开发期间有所变化。在这种情况之下，对于任一个中心电源系统管理器来说，一个易于调整电源电压的方法应该是非常有用的。事实上，在对于此类系统的电源进行监测、时序控制和调节所应具备的灵活性是非常必要的。