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電源管理－數位PWM控制電源簡介 PWM控制的觀念早已存在了一段時間，在許多的研究報告以及實驗結果也都有實例來證明數位PWM控制的確可以帶來不少的好處。相較於類比PWM控制方式，數位PWM控制的方式不止在成本上具有較高的優勢，尤其它所具有的優異特性，例如它可產生任意的波形去驅動MOSFET開關、可與外界溝通的能力以及可程式化的彈性操作，這些因素都將使得數位PWM控制有可能會在最短的時間內去取代整個電源的控制方式。　就目前所能見到的數位PWM控制方式的產品，其優點可由幾項基本因素歸納如下： 1.可產生可程式化的驅動波形信號輸出。2.不受元件誤差，特性漂移以及老化的影響。3.隨時可因應不同環境變化而改變其設定參數。4.可記錄操作情況以作為參考除錯之用。5.與早就數位化的外界溝通。　從市場的角度來看，數位電路在成本的控制上會比類比電路更具競爭性，以類比電路所設計的IC要達到縮小晶片尺寸的機會並不太，除非有部份功能數位化才有可能完成這項工作。成本的高低一向是視晶片的大小為考量而決定，假使傳統類比電源控制方式及管理功能能夠一併數位化，將晶片尺寸縮小的速度也將會追隨著Moores law的準則而得到合理的解釋，相對地對於降低成本也有幫助。　對於一個電源製造廠而言，可程式化的電源設計對於降低生產設計成本也可提供一個不錯的解決方案。理論上以數位PWM控制的系統所具備的記憶體均內含有控制參數的設定以及可讀寫儲存資料的能力，此特性對於如何降低生產成本的控制有下列4項好處：1.產品的差異性可藉由程式的設定達成，而不需硬體的更換以降低庫存量。2.具有自我軟體監測方式，可強化產品測試效率，甚至取代其功能以降低生產的不良率。3.產品辨識、操作記錄及後續追蹤，均可經由記憶體的儲存，以方便日後的管理及除錯。　數位控制包括了那些部份？　首先，我們必須先瞭解在一般電源轉換器內有哪些部份是必須被控制的：1.對於控制電源MOSFET開關的調變控制週期（Duty Cycle）以達到所設定的輸出電壓是必須且主要的控制部份。2.對於所附屬的功能（例如電壓定位，時序控制，過溫度保護及過電流保護等等），所採取的保護動作及與外界溝通的能力也是要被控制且不可或缺的。　針對附屬的功能部分，就數位設計的角度去看，因為所須要的操作速度不高以及設計複雜度也不難，所以被數位化是可以實現的。但在另一個部份，若要將主要的控制模組數位化，其中包括了脈波寬度調變器（電源轉換器的核心），則會因「空間」、「成本」及「功耗」的因素影響而較難以實現。所幸拜現今數位積體電路進步之賜，為了實現與類比控制電源相同設計的要求，數位控制系統所必須具備的最大的資料解析度以及最小的延遲速度，可以仰賴DSP（Digital Signal Processing）和A/D轉換器的技術來達成。　以現今的技術看來， 數位積體電路的低成本以及其高密度的整合性，對於數位化PWM方式的設計可說幫助不少，因此，克服“全數位化”的電源控制方式的挑戰而實現數位化PWM的電源控制方式，是指日可待的。在此篇文章裡，將探討“速度的需求”在數位電源的重要性，也將探討電源設計工程師在數位電源控制將會遇到的問題及挑戰。　類比控制電源與數位控制電源結構的比較 ▲圖一 圖一為一個典型的類比控制電源方塊圖。在類比控制的方式上，輸出電壓會被取樣而與參考電壓作比較，其所產生的誤差電壓，會被放大後以提供類比PWM調變器作參考以調整適當的脈波寬度去產生所要求的輸出電壓，在功率MOSFET開關中被放大的電流及電壓會經由輸出濾波器過濾後，以得到所設計的直流輸出電壓。　在一個閉迴路系統內，控制電路必需滿足整個迴路增益在任何工作頻率下要＜1 （此時相位延遲等於360度）。除了閉迴路系統內含的180度反向器之外，外部元件所造成的相位延遲（例如：電容及電感）以及放大器、調變器和驅動開關線路也提供了額外但較少的相位延遲。　調整或者稱之為補償，是在誤差放大器上，針對迴路增益以及相位延遲所採取的一種方式，以確保整個電路能在預期的條件下正常且穩定工作，針對隔離式的輸入／輸出設計，亦可套用此類比控制電源方塊圖，其觀念上是一樣的。　假如將“Micro-Controller”植入圖一的類比控制電源方塊圖內，此MCU就必須針對類比電源所需要的調整及控制功能來設計，但這不是我們要在此討論的重點，我們比較關心的是在整個迴路控制技術上，如何以數位化來取代，尤其是針對PWM的功能，誤差信號的處理以及補償方式的數位化處理。　 ▲圖二 　一個數位化的控制電源架構如圖二所示，它是從圖一為基礎所衍生出來的類似架構，請注意此方塊圖中，輸出電壓取樣，補償電路及脈波寬度調變器的功能都還在，只是以另外一個名稱代表而已。其他如電源