【導讀】開關模式電源 (SMPS)是(shi)當(dang)今(jin)高(gao)科(ke)技(ji)世(shi)界(jie)中(zhong)大(da)多(duo)數(shu)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)。每(mei)個(ge)電(dian)氣(qi)設(she)備(bei)都(dou)需(xu)要(yao)電(dian)源(yuan)才(cai)能(neng)運(yun)行(xing)，並(bing)且(qie)不(bu)同(tong)的(de)設(she)備(bei)需(xu)要(yao)不(bu)同(tong)形(xing)式(shi)的(de)電(dian)源(yuan)。這(zhe)帶(dai)來(lai)了(le)巨(ju)大(da)的(de)架(jia)構(gou)多(duo)樣(yang)性(xing)，解(jie)決(jue)方(fang)案(an)範(fan)圍(wei)從(cong)超(chao)小(xiao)型(xing) 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(shi)當(dang)今(jin)高(gao)科(ke)技(ji)世(shi)界(jie)中(zhong)大(da)多(duo)數(shu)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)。每(mei)個(ge)電(dian)氣(qi)設(she)備(bei)都(dou)需(xu)要(yao)電(dian)源(yuan)才(cai)能(neng)運(yun)行(xing)，並(bing)且(qie)不(bu)同(tong)的(de)設(she)備(bei)需(xu)要(yao)不(bu)同(tong)形(xing)式(shi)的(de)電(dian)源(yuan)。這(zhe)帶(dai)來(lai)了(le)巨(ju)大(da)的(de)架(jia)構(gou)多(duo)樣(yang)性(xing)，解(jie)決(jue)方(fang)案(an)範(fan)圍(wei)從(cong)超(chao)小(xiao)型(xing) 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係統使用的早期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後有一個共同點：數字革命。

在本文中，我們將討論圍繞此事的一些重要方麵。我們首先概述導致這一轉變的曆史條件
，然後厘清常用術語“數字力量”和一些相關概念的含義。

圖 1. SMPS 曆史時間表。

SMPS 簡史

SMPS 界對於“數字電源”一詞的含義還沒有明確的共識。這可以歸因於多種因素，包括早在 70 年代就推出了款 PWM 控製器 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
，模塊的技術演變在曆史上是清晰的。

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 控製器 IC 後，SMPS 革命才真正發生。

在此之前，SMPS 由模擬設備控製；控製器板設計有運算放大器
、比較器、晶體管和無源元件，以執行監督和控製模塊所需的所有功能。隨著設計的發展


，需要更大、更複雜的功能，而用分立元件解決如此複雜的邏輯所麵臨的挑戰多導致性能限製和大量零件。

許多公司看到了這個機會
，開始生產用於 PWM 控製的專用模擬 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 控製器 IC
，標誌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 打開舞台，各種各樣的 PWM 控製器就開始出現，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 控製領域，並為監控和故障管理等其他任務提供了解決方案。
與此同時，新的控製策略（例如電流模式控製）正在研究中，並取得了可喜的成果，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
，製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麵

，從而需要更複雜的功能
，例如數據記錄和外部通信。這種複雜性與 MPU 和 MCU 芯片的日益普及和價格下降相一致
，這些芯片於 70 年代中期進入市場，並具有 TI 的 TMS1000 和 Intel 的 I8080 等器件，並迅速激增（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cai用yong這zhe些xie技ji術shu的de事shi件jian並bing沒mei有you詳xiang細xi記ji錄lu，因yin為wei這zhe是shi一yi種zhong明ming顯xian的de設she計ji趨qu勢shi，旨zhi在zai消xiao除chu越yue來lai越yue多duo的de用yong於yu非fei關guan鍵jian監jian視shi和he控kong製zhi功gong能neng的de分fen立li元yuan件jian。然ran而er，到dao了le 80 年代，電機驅動行業開始使用 MPU 和 MCU，並在包括反饋控製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。後來
，在 90 年代，隨著基於數字信號處理器的控製器 (DSC) 的普及
，一步終於邁出了。這就是全數字控製 SMPS 的誕生。

數字電源和軟件控製 SMPS

總而言之，我們可以說
，對於 SMPS 而言
，數字電源並不是一個全有或全無的術語。SMPS 是包含各種功能塊的複雜係統，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製任務，實現了深層次的數字技術滲透。

那麼

，我們可以將數字電源定義為由SMPS 產生的電源
，其中所有與控製相關的功能均由數字技術執行。然而，該定義並沒有區分由不可編程數字控製器 IC 實現控製功能的電源和依賴 MPU

、MCU、DSC、FPGA 或其組合的電源。由於許多 SMPS 應用和新技術（例如 SiC 和 GaN）都需要後者，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，選擇麵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 保護機製到減少因組件老化而引起的可靠性問題，其優點眾多
，並且可以顯著提高性能並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，改變設計範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(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)和(he)固(gu)件(jian)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)。其(qi)他(ta)涉(she)及(ji)采(cai)用(yong)正(zheng)確(que)的(de)工(gong)具(ju)和(he)流(liu)程(cheng)來(lai)執(zhi)行(xing)正(zheng)確(que)的(de)設(she)計(ji)。事(shi)實(shi)上(shang)，為(wei)了(le)在(zai)不(bu)產(chan)生(sheng)重(zhong)大(da)風(feng)險(xian)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)朝(chao)這(zhe)個(ge)方(fang)向(xiang)發(fa)展(zhan)
，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)多(duo)種(zhong)因(yin)素(su)。

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