是说，类比电源做得好好的，干嘛要换成数位的？就好比音响迷听真空管机，听得好好的，干嘛要换成晶片机，这其中一定有什么误会。

但这里没有误会，很显然，是它没有「做得好好的」。因为人们希望装置可以越来越轻、越来越薄、功能越来越强大、可以控制的东西越来越多，所以我们开始需要运用数位电源的设计。

但有个观念必须先知道，就是这世上没有完全「纯数位」的电源系统架构，在一个装置系统内，一定都是类比与数位彼此搭配使用，取决于在电路应用上的搭配和整体系统的功能规划。但到了目前这个时代，数位电源方案的运用比例就开始越来越高，同时运用的范围也越来越广，渐渐成为了主流。

另一个重点，就是数位与类比各有优势，没有哪一个完全压倒哪一个，还是取决于装置应用的需求。比方，如果不计较成本、空间和电耗（但哪种事？），那类比为重的系统在精确度与控制功能上，可能完全不落下风；反过来，数位电源纵然看来可以上山下海，但其面对非线性的真实世界（频率取样），依然有很多的限制在。

所以，你不能忘记你是活在类比的世界，但更不能忽略数位的技术，同时还要热情的拥抱它。

数位电源基础运作模式

数位的世界是以2进位方式呈现，不过也常使用与2进位相容，且人们容易了解的16进位。 2进位只使用数字0、1来表示数字，有时相对于0/1，会改使用L/H来标记。

以基础运作模式而言，类比讯号透过取样（Sampling）→量化（Quantization）→程式化（Coding）的一连串步骤，转换成数位讯号。其中又分为「快闪型」、「管线式」、「连续渐近式」以及「ΔΣ型」四种。

在基本运作模式中，又以快闪型转换速度最快，其取样频率可达1GHz以上，并且能够一口气将类比讯号转换成数位讯号，因此不需取样保持（Sample-and-Hold；S&H）；快闪型A/D转换器运作模式是先利用比较器（comparator），同时比较分压成2N-1个的参考电压和类比讯号，再经由编码器，将比较结果转换成数位讯号。

而ΔΣ型A/D转换器解析度可达24位元，为四种基本运作模式之中最高；不过相对而言，在转换速度上取样频率仅200kHz，且反应较慢，因此不适合用在输入端接上多工器，需切换类比讯号的装置上。

数位电源设计的关键元件

要着手数位电源设计，除了先知道基本观念外，也要知道关键的元件与规范，如此才能更得心应手，以下就是几个重要的元件和规范：

类比-数位转换器：ADC

类比-数位转换器，Analog-to-Digital Converter，是一个无论如何你都会用到的元件。因为电源设计本质上就是类比电路设计，因此只要是电子装置就一定需要有可以把类比形式的连续讯号，转换为数位形式的设备。

目前，ADC的功能有独立提供的形式，也就是由单一颗元件来处理，但在强调多工整合的装置上，通常都会透过整合型晶片（例如，DSP、MCU）来解决，尤其在数位当道的时代。

不过单一元件的ADC通常性能卓越，对于有需要较高解析度与精确度的应用来说，例如：自动化设备、测试设备、电池动力设备，它是非要不可的元件。图1为ADI的AD4020，它是一款低杂讯，低功耗，高性能，具备20位元、1.8MSPS精密的SAR ADC。

至于，该如何选择最适合的ADC，除了需要考虑到精密度及位元外，由于每种架构在各种资料撷取系统中都有其优缺点，因此还需考虑不同的ADC架构，并根据系统所需的准确度或精密度来选择需要的位元数。

因此，在设计系统时，一定要选择较原先需求更多的位元数，转换器可达到的准确度一定会少于可用的总位元数，以应用需要10-bit准确度而言，就需挑选12-bit转换器。一般来说，如果输入讯号大小明显低于ADC的满刻度输入范围，就需要使用放大器。但是，选用较高解析度的ADC，就不需使用放大器。

图1 : ADI的AD4020是一款低杂讯，低功耗，高性能的SAR ADC。

直流-直流升降压转换器：DC/DC

在实际的电路设计中，鲜少会有一个电压用到底的情况，因此势必需要有对直流电压做转换的设备，这就是直流-直流转换器，DC-to-DC converter的功能。尤其是目前电子设备的功能复杂，里头搭载的元件也很多元，因此DC/DC的重要性又更显重要。

而在实际应用上，有些元件的电压很大，有些元件的电压很小，因此如何在这之间进行流畅的转换是需要一定的功力，当然，这更牵涉到DC/DC元件本身的应对范围和性能，如何达到最大的转换性能，一直是设计师的挑战。

就物理基础来看，DC/DC转换器是属于至少有二个半导体元件（一个二极体和一个电晶体），和至少一个储能元件（电感器）的开关电源。而为了降低电压涟波，经常会在输入端和输出端，多加一个电容器进行滤波。

图2为罗姆半导体（ROHM）的内建MOSFET的降压型DC/DC转换器「BD70522GUL」。它采用了罗姆独创的Nano Energy技术，是专门针对物联网设备所研发的超低功耗电源IC，拥有业界最广输出电流范围内（10μA～500mA），也能实现90%以上的功率转换效率。

图2 : 罗姆半导体内建MOSFET的降压型DC/DC转换器「BD70522GUL」，采用Nano Energy技术。

微控制器与数位讯号处理器：MCU、DSP

具体来说，所谓的数位电源，其实是指在类比的电源设计基础上，利用数位讯号处理器（DSP）、微控制器（MCU），甚至可程式逻辑闸（FPGA）来进行可程式化的电源管理。

因此，单纯的数位控制电源，电源本身即为一个由DSP、MCU或FPGA等做自主控制的数位系统，从ADC、DC-DC及DAC等转换输出后，再进行像电压脉冲调变（Pulse Width Modulation；PWM）、功因参数修正（Power Factor Correction；PFC）或其它更复杂的电压、电源输出的调整方式。

而在当前IC设计与半导体制造技术的带动下，单一个MCU已可以整合非常多的功能，同时也可提供非常优异的性能。因此，通常一个还不错的MCU就已经具备了非常高解析的ADC和DAC，而且也支援部分DSP的指令集，让装置的电路设计可以紧凑简洁。

图3为意法半导体的32位元微控制器「STM32H750xB」，该款微控制器除了搭载Arm Cortex-M7 400MHz的处理核心外，也内建128 KB Flash和1MB RAM，而且提供三个ADC和两个DAC，以及两个超低功耗比较器。

图3 : 意法半导体的32位元微控制器「STM32H750xB」，提供三个ADC和两个DAC，以及两个超低功耗比较器。

同样的道理，现在的DSP元件也已整合许多的功能，来让系统开发者可以有更灵活的设计弹性，而其中ADC几乎已成标配。

图4为Microchip的dsPIC33CH双核心数位讯号控制器。这元件将两个dsPIC DSC核心整合到单一晶片内。控制器内含包括四个12位元、3.5-Msps ADC，以及最多12个250ps解析度的高速PWM通道。此外还具有整合式电源开启重置和降压重置，提供三种低功耗管理模式，提高能源效率。

图4 : Microchip的dsPIC33CH双核心数位讯号控制器，内含包括四个12位元、3.5-Msps ADC。

电源管理汇流排：PMBus

对电子系统设计而言，通讯介面和I/O对应是非常重要的一环，电源系统设计当然也是，因此，才有了电源管理汇流排（Power Management Bus；PMBus）的问世。

由于数位电源的持续发展，产业界意识到需要一个标准的通讯语言。于是当年Artesyn Technology号招了多家电源供应器商和半导体制造商，更同制定了一套标准的电源管理通讯协定，并在2005年3月公布了名为「PMBus」的规范。

PMBus小组采用SMBus规格做为他们的资料传输方法，这项共通规格使Smart Battery Systems和PMBus成为共生关系，两个组织也决定共同组成系统管理界面论坛（System Management Interface Forum；SMIF）。 PMBus则成为SMIF的一部份。

PMBus是一种开放标准的数位电源管理协定，它透过定义传输和物理界面，以及命令语言等，来解决与电源转换器和其他设备的通讯问题。此协定规范了两个部份：第一部分为一般性要求、传输和电气界面；第二部份则是命令语言。目前最新的版本是PMBus 1.3。

图5 : PMBus 1.3的Logo

精确度有多重要？

数位电源的好处多多，其中一个优势就是能够准确的控制讯号，而这过程涉及许多的环节，要做到非常高效率，是需要下点功夫的，而且最关键的，通常是最起始的类比讯号的输入端。

首先，要将连续的类比讯号转化为离散的数位讯号的过程，称之为取样，而其质量将取决于解析度、测量的敏感度、准确度、精确度（或简称精度），以及杂讯大小等因素。

精确度（Precision）可以定义为仪器的稳定性，以及对同样的输入讯号一再产生同样测量结果的能力；而准确度（Accuracy）则是仪器正确指出受测讯号的值的能力，这个性质与解析度无关，但是它绝对无法高于仪器的解析度。

精确度和准确度都是工程量测中的重要概念，但两者有所不同。简言之，准确度是指测得之值与实际值的接近程度，而精确度则意指个别量测之间的相似度。

而套到电源设计上，以ADC为例，当ADC查觉到类比电压时，其工作便是在指定时间内将类比电压转换成二进位码。这表示，ADC会在一瞬间对类比电压进行取样，然后决定如何在ADC的输出端以二进位值表示。此元件每秒所取样的样本数会记录在文件中。

然而，当ADC的取样率不够高时，便会难以精确重现输入讯号而导致混叠，在此情况下，讯号之间会开始变得无法判别，或彼此混叠。为了避免这种情况，必须确保取样率比需要传输的最高频率高出至少两倍，这个比例称为奈奎斯特速率。

使用较高的取样率能让元件更加准确，但并非控制准确度的唯一方法。由于这类元件是将类比讯号转换成二进位码，离散步阶的数量有限，可用来表示某个时间点的电压，可用来表示这个数字的位元数，称之为解析度。因此，在选择A/D转换器产品时，可先视所应用之环境，选择适合之解析度、取样频率及介面等。

在DC/DC转换器上，则要留心「脉宽调变（Pulse-Width Modulation，PWM）」，PWM的主要目标，在于以数位方式进行类比讯号准位的编码，只要为对应至类比讯号准位的特定工作周期建立方形波，即可为这些讯号完成数位编码。

而要做好讯号数位编码，就需要透过高解析度计数器来完成。若能将电压或电流提供给上下波动的脉波波形负载，就能成功建立数位PWM讯号。建立完这些脉波后，DC电源供应器就会呈开启或关闭状态，并以此呈现数位讯号。

结语：视应用选出你的最佳方案

总体而言，在目前以轻薄为主流，又强调智慧多工的装置设计带动下，以数位电源为核心的系统与元件将会持续的发展下去，而其发展的趋势将会朝向更高的功能整合度前进，也就是单一晶片的概念。会由一颗高性能IC，可能是MCU、DSP或FGPA就解决了多数的需要，若要更多的变化与应用，则可扩增在DC/DC元件的采用，或者再放入另一颗辅助的MCU或者其他IC。然而，最终决定整体系统架构的轻重与方向，成本应该会是重要的参考指标。

而就开发者的角度来看，当各项类比和数位电源转换与控制元件的技术日渐成熟后，其可采用的方案就将会更加的多元与灵活，因此电源系统设计的方向除了追求「精准」和「准确」外，也可依据产品实际的应用场景的需求，来顾及使用介面、设计简化、成本与功耗等，让装置有更多的可能性。