LED照明開(kāi)始導入數字電源技術(shù) 縮小體積及延長(cháng)壽命

　　數字軟件技術(shù)開(kāi)始在此前曾是模擬技術(shù)一統天下的開(kāi)關(guān)電源上廣泛普及。LED照明、車(chē)載電源及產(chǎn)業(yè)設備等領(lǐng)域也紛紛開(kāi)始導入數字控制型電源。通過(guò)添加通信功能或者將控制方式改變?yōu)閯?dòng)態(tài)控制等方法，在提高電源效率、縮小產(chǎn)品尺寸以及縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間等方面發(fā)揮了效果。長(cháng)期以來(lái)一直是DSP課題的高成本問(wèn)題，也隨著(zhù)價(jià)格與通用微控制器一樣的低價(jià)產(chǎn)品問(wèn)世而逐漸得到解決。

　　電源的數字控制有助于實(shí)現AC-DC電源和DC-DC轉換器等的小型化及高效率化，大約5年前開(kāi)始受到關(guān)注。這種“數字電源”的應用范圍在最近一年來(lái)悄然擴大。

　　以前，數字電源只是導入于無(wú)停電電源裝置（UPS）、通信產(chǎn)品、服務(wù)器以及太陽(yáng)能電池用功率調節器等基礎設施的部分產(chǎn)品中。但最近，LED照明器具、汽車(chē)、產(chǎn)業(yè)設備乃至部分消費類(lèi)產(chǎn)品也開(kāi)始采用數字電源（圖1）。

　　低價(jià)位DSP的亮相成為契機

　　數字電源的應用范圍能夠擴大的最主要原因是，單價(jià)只有100多日元～數百日元的電源控制IC出現了用于數字電源的產(chǎn)品。數字電源控制IC的成本下降到了可與不足100日元的模擬電源控制IC相匹敵的程度。美國微芯科技（Microchip Technology）、美國德州儀器（TI）以及新日本無(wú)線(xiàn)等半導體廠(chǎng)商從2008年前后相繼推出了數字電源專(zhuān)用的低價(jià)位控制IC。近來(lái)，大部分數字電源產(chǎn)品采用的都是這些企業(yè)的IC。

圖1：數字控制電源的應用領(lǐng)域

　　在輸出功率為100W以上、開(kāi)關(guān)頻率為1MHz以下的領(lǐng)域，采用DSP微控制器的數字控制電源開(kāi)始普及。

　　以前，構成數字電源需要采用單價(jià)高達1000～數千日元的高性能DSP作為控制IC使用。這些IC的工作頻率為100MHz以上，耗電量?jì)HDSP就將近1W，用于通常的開(kāi)關(guān)電源的控制則指標過(guò)剩。這是采用DSP的數字電源只在UPS等超過(guò)1kW的大型裝置上才使用的主要原因。

　　不過(guò)，應部分先進(jìn)電源廠(chǎng)商的要求，微芯科技和TI推出了配備數字電源所需功能，與通用微控制器價(jià)格一樣便宜的DSP，也即“DSP微控制器”(1)。通過(guò)將1000日元以上的DSP成本大幅降到數百日元以下，基本解決了數字電源的最大瓶頸——控制IC成本高的問(wèn)題。

(1)DSP微控制器＝在普通的通用微控制器中融合DSP要素形成的產(chǎn)品。特點(diǎn)是通過(guò)硬件執行哈佛架構（Harvard Architecture）及循環(huán)控制功能等的。大約從10年前開(kāi)始，日本國內外的半導體廠(chǎng)商就開(kāi)始投放DSP微控制器。

圖2：導入數字電源的好處

　　在電源的性能、開(kāi)發(fā)以及運用等領(lǐng)域有很多好處，例如，縮小產(chǎn)品尺寸、削減部件數量以及通過(guò)導入高度控制提高效率等。

　　電源實(shí)現“智能化”

　導入數字控制后，與目前的普通模擬控制電源相比，尺寸可縮小30％左右、部件數量削減20％左右、效率提高2～5％（圖2），開(kāi)關(guān)電源的基本性能得以提高。由于數字電源用控制IC的價(jià)格已經(jīng)能夠讓人接受，所以今后應用范圍有可能擴大到AC-DC電源、絕緣型DC-DC轉換器以及非絕緣型DC-DC轉換器等廣泛領(lǐng)域的開(kāi)關(guān)電源中?！懊磕甓颊f(shuō)數字電源‘今年會(huì )普及’，2010年才真正采用的產(chǎn)品多起來(lái)了”（日本TI營(yíng)業(yè)技術(shù)本部、市場(chǎng)及應用技術(shù)統括部設計服務(wù)經(jīng)理財津俊行）。

　　據美國功率電子產(chǎn)品相關(guān)調查公司Darnell Group預測，2014年數字電源IC供貨量將擴大至目前2.5倍的123億個(gè)，按供貨金額換算將保持年均近30％的增長(cháng)率。另外，可優(yōu)化家庭內部能源利用效率的智能住宅（Smart House）等受到關(guān)注，也將加速數字電源的普及。通過(guò)在此前一直是模擬技術(shù)一統天下的電源上安裝軟件和通信功能，可以根據用途的不同實(shí)現“智能化”的數字電源所具有的巨大可能性。

　　以1MHz以下、100W以上的電源為對象

　　雖然數字控制已經(jīng)容易導入，但并不是說(shuō)可以應用于任意電源，在電力和開(kāi)關(guān)頻率方面還是有限制的。

　　數字電源的DSP微控制器自身就會(huì )消耗200mW左右的電力。因此，不太適合輸出功率較小的電源。因為無(wú)法不顧及因DSP微控制器的電力而導致的效率降低。綜合電源技術(shù)人員的意見(jiàn)來(lái)看，目前，輸出功率為50～100W以上的電源為最佳對象。

　　除此之外，成本限制也非常嚴格，在很難發(fā)現數字電源多功能性（如配備通信功能等）價(jià)值的數字家電用電源方面，“數字電源的導入尚需時(shí)日”（從事液晶電視等消費類(lèi)產(chǎn)品用電源業(yè)務(wù)的三墾電氣）。

　　從開(kāi)關(guān)頻率方面來(lái)看，頻率大約在1MHz以下的電源為最佳應用對象（圖1）。在數字電源中，經(jīng)由DSP微控制器上的A-D轉換器監測輸出電壓和輸出電流，利用軟件控制電壓和電流的穩定性。理由是，與利用運算放大器（誤差放大器）連續檢測輸出電壓和目標電壓之差的模擬控制不同，數字控制會(huì )發(fā)生1μs左右的A-D轉換時(shí)間、以及利用軟件計算操作量的演算時(shí)間等數字控制特有的延遲。

圖3：通過(guò)采用軟件控制保護電路等，實(shí)現了小型化

　　TDK Lambda將過(guò)電流保護電路等模擬電路改用基于DSP微控制器的軟件進(jìn)行控制。在輸出功率為300W的AC-DC電源中，與采用模擬控制相比，實(shí)現了約30％的小型化。照片由TDK Lambda提供。

　　小功率非絕緣型DC-DC轉換器方面要求徹底實(shí)現小型化，例如電池驅動(dòng)的便攜產(chǎn)品用DC-DC轉換器等，因此，開(kāi)關(guān)頻率為2M～8MHz。目前，該領(lǐng)域的電源很難采用基于DSP微控制器的數字控制。

　　不過(guò)，在數字電源中，利用基于專(zhuān)用邏輯電路的硬件而非基于DSP的軟件來(lái)執行PI控制等控制演算時(shí)，可以支持超過(guò)1MHz的開(kāi)關(guān)頻率（圖1）。原因是，該方式在將輸出電壓等進(jìn)行A-D轉換之前均與DSP方式相同，由于利用硬件的數字演算器實(shí)施PI控制，因此這部分的演算時(shí)間與DSP方式相比能夠縮短。

　　利用專(zhuān)用邏輯電路的數字控制，在使PI控制的參數變更變得更加容易，以及支持多相構成等用途方面比模擬控制更有用(2)。但其控制方式受限，不像DSP方式那樣靈活。在日本經(jīng)營(yíng)專(zhuān)用邏輯電路方式數字控制IC的代理店表示“幾乎沒(méi)有交易量”。如今，數字電源發(fā)生了變化，可以說(shuō)今后用途有望擴大的是DSP方式。

(2)該方式在POL轉換器、尤其是在面向個(gè)人電腦微處理器的VRM（voltageregulator module）等上已經(jīng)實(shí)現了實(shí)用化。美國Intersil公司（該公司收購的Zilker Labs公司的產(chǎn)品）、美國芯科實(shí)驗室（Silicon Laboratories）、德國英飛凌（該公司收購的Primarion公司的產(chǎn)品）、美國模擬器件以及美國CHiL Semiconductor等在從事該業(yè)務(wù)。

　　數字控制一決高低之處

　　在開(kāi)關(guān)電源中導入基于DSP微控制器的數字控制的好處非常多（圖2）。比較顯著(zhù)的特點(diǎn)是可提高效率等電源的基本性能，除此之外，回顧最近的事例，先行實(shí)現數字電源實(shí)用化的電源廠(chǎng)商除了在電源的基本性能方面以外，在開(kāi)發(fā)方面、制造方面以及運用方面等均切實(shí)感受到了數字電源的諸多好處。

　　例