手機為了節省輕載狀態下的耗電，必須進行電源控制模式的轉換，此時數位技術較為適宜，但是數位式功率轉換技術的成本必須與類比技術相近或更低，才能獲得市場青睞，因此唯有採用最低成本的架構才能獲得成功。本文討論一種專用數位控制電路，有助於獲得兼具成本效益的解決方案，同時保留數位實現方案的優點和彈性。
手機為了節省輕載狀態下的耗電，必須進行電源控制模式的轉換，此時數位技術較為適宜，但是數位式功率轉換技術的成本必須與類比技術相近或更低，才能獲得市場青睞，因此唯有採用最低成本的架構才能獲得成功。本文討論一種專用數位控制電路，有助於獲得兼具成本效益的解決方案，同時保留數位實現方案的優點和彈性。
數位化電源分為兩個主要方向，第一是數位化功率管理，主要處理介面和通訊方面的問題，第二是數位功率轉換，集中於閉環迴路(主要是調變器和誤差放大器)的數位化。本文將討論數位功率轉換的實例，闡述如何透過專用邏輯來實現最低成本且擁有數位控制優勢和彈性的解決方案。
數位控制方式適用於手機
如果須調節的系統是完全線性的，即它的工作模式是連續不變，或是平滑變化的，那麼一般應採用類比方式。桌上型電腦的CPU電源就是一例，它的輸出從空載到滿載都必須由相同的演算法來連續控制。反之，若系統是不平滑的，則意味著工作模式存在不連續性和突變，此時數位方式可能是更好的選擇。
例如，在筆記型電腦或手機的電源應用中，為了節省輕載狀態下的損耗，必須進行電源控制模式的轉換，這時數位技術也許更為適宜。電源工作模式轉換的典型例子是從脈衝寬度調變(PWM)轉向脈衝頻率調變(PFM)。因為在PFM模式中，頻率會隨負載情況進行調整，在較輕負載下電源以較低頻率工作，從而降低開關損耗。
在類比系統中，模式變化必須在負載改變時實現從一個控制環(例如PWM)到另一個控制環(例如PFM)的快速轉換。這類不連續演算法總是在一定程度上導致輸出電壓暫時失控。相反地，數位控制在處理不連續性運作方面具有與生俱來的優點，能夠在單一的控制演算法中解決模式變化問題。
此外，數位控制具有即時改變環路補償參數的能力，因此電路能適應更大的負載變化；它還能夠校準系統的外部誤差，尤其是外部低成本元件的誤差，這種優勢可能提高良率、降低測試費用和材料清單(BOM)成本。
數位技術須降低成本
有人或許會質疑，為什麼數位功率技術有這麼多優勢並已備受注意，市場占有率卻很小。因為市場清楚表明，數位技術將優於類比技術，但前提是成本必須相近或更低。因此，只有採用最低成本的靈活架構，能不斷解決客戶問題，並且與對應的類比產品相比，不會提高成本的數位功率產品，才能獲得成功。
接下來討論採用數位控制間歇脈衝模式調變(Digital Burst Mode Modulation)方案的升壓轉換器架構。首先回顧關於升壓轉換器的一些基本原理，然後研究這種數位實現方法的特性。從本文實例可知，妥善的設計能夠實現提供數位控制的優點，但不會造成晶片過多，而導致成本增加。
不連續電流工作模式消除突變電流
首先探討升壓轉換器傳動元件(Power Train)，圖1所示為不連續電流工作模式下的升壓轉換器及其主要波形。當電晶體T1導通時，開關節點VSW為Low，電感上載入滿幅電壓VIN。因此，在導通持續時間內，電感電流IL按下式升高：IL=(VIN/L)×TON。當T1關斷時，電感電流經由肖特基二極體D1向輸出節點VOUT放電，使 VOUT高於VIN。在電感電流達到零後，開關節點將保持在VIN電位不變，直到下一個週期開始。透過在每一週期使電感電流歸零，不連續電流工作模式消除了突變電流造成系統不穩定的可能性。
數位調變器可按需求調節導通時間
圖2為包含數位調變器的完整控制電路，這是對傳統工作模式的改進。在傳統的脈衝模式中，恆定頻率的脈衝序列和占空比通過汲極發送出去，電感對輸出電容充電，再饋入負載。當輸出電壓值超過參考電壓時，脈衝序列停止發送，一旦輸出低於參考電壓，新週期便會立即重新開始。
數位控制方案優於傳統脈衝模式之處，在於具有按輸出需求而調節導通持續時間(TON)的能力；例如負載越大，導通脈衝持續時間越長，反之亦然。系統產生恆定頻率的脈衝串(系統時脈SYSC=500kHz)，其導通時間可在更高頻率下被調變和解調(高頻時脈HFC=8MHz)。
例如，隨負載加大輸出電壓下降，比較器把加減計數器(Up-down Counter)切換到加模式，於是占空比增大(調節速率為每2微秒增加0.125微秒)，使輸出電壓升高，當比較器COMP檢測到輸出電壓高於參考電壓時，它就停止汲極脈衝，並把加減計數器切換到減模式。
在此一過程的重複中，恆定頻率的脈衝以合適的占空比被發送到功率開關(及線圈)。在脈衝與脈衝之間，線圈有時間完全放電，確保系統穩定性。
圖3表示電流負載減小時對應的線圈電流和VSW電壓節點波形，這種情況下，控制環路由於輸出電壓過高而停止發送脈衝(未在圖中顯示)。這是從重載轉向輕載的一個典型轉換，同樣由執行了從PWM模式向PFM模式平滑轉換的控制環路來完成，而若由類比實現來完成的話，通常會更加困難。
數位控制環路在快捷半導體LED驅動器升壓轉換器FAN5608中實現，其應用原理見圖4。該元件從2.7～5伏特的輸入電壓(如鋰離子電池)產生經過調節的輸出，用以驅動兩個獨立的LED串，每串可達6個LED，最大輸出電壓高達18伏特。在這種應用中，由一個有4個LED燈的LED串為顯示器背光照明供電，另一個LED串為鍵盤背光照明供電。控制環路檢測內部的兩個電流源輸出節點CH1和CH2的電壓，用以實現閉環。因此，VOUT與兩個LED串中的二極體數目成正比。
圖5是FAN5608控制環路的工作波形圖，顯示隨負載增加而增加的導通時間(TON)。系統原處於輕載工作模式下，VSW保持在VOUT值。隨負載增加，PWM脈衝在每一週期導通時間TON都顯示有增加，加速重載下輸出電壓從降低到恢復的時間。
圖6是FAN5608晶片的照片，該晶片大約有三分之一為N-MOS功率開關所占據，即圖片左邊的高密集結構，其餘部分則是電壓和電流控制邏輯、保護等電路。這種硬連線電路有利於使用高效率的矽晶片完成功能，可將晶片封裝在緊湊型MLP-12封裝中。
市場上現在有許多數位轉換解決方案，都是基於通用微控制器或數位訊號處理器(DSP)架構，往往需要複雜的0.25微米以下製程，且包含EEPROM等功能，因此雖然晶片功能非常強大，但也極為昂貴，透過專用數位控制電路，則能夠獲得兼具成本效益的解決方案，同時保留數位實現方案的大部分優點和彈性。