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

　　新電元工業(yè)在該領(lǐng)域率先采取了行動(dòng)，例如從2004年開(kāi)始量產(chǎn)數字電源、目前該公司的大部分電源產(chǎn)品均導入了數字電源等，該公司高度評價(jià)了數字電源的潛力，“數字控制非常深奧。本公司已經(jīng)掌握了該技術(shù)，迄今為止切實(shí)感受到了很多好處，但我感覺(jué)，還有許多我們尚未注意到的數字控制的使用方法未被發(fā)掘出來(lái)”（新電元工業(yè)電裝業(yè)務(wù)本部電裝業(yè)務(wù)部第3設計部轉換器設計組主任技師多田信裕）。

　　首先縮小尺寸提高效率

　　由于數字控制具有這么多優(yōu)點(diǎn)，因此不同企業(yè)導入數字控制的目的大相徑庭。有的企業(yè)的做法是有限地導入部分產(chǎn)品中，也有的企業(yè)為了最大限度地享受數字化的好處，本著(zhù)多種目的將其導入了很多產(chǎn)品之中。

　　作為導入數字控制的好處，最顯而易見(jiàn)而且在很多事例中通用的就是小型化及部件數量的削減。將原來(lái)安裝在模擬電路上的過(guò)電流保護電路、防浪涌電流電路以及順序啟動(dòng)電路等功能替換為DSP微控制器上的軟件，可以削減安裝面積。

　　例如，大型標準電源廠(chǎng)商TDK Lambda在2010年6月開(kāi)始正式量產(chǎn)的300W輸出功率前置電源“EFE 300”中就是上述第二種做法的代表。通過(guò)使用軟件控制替換過(guò)電流保護電路等，與相同輸出功率的模擬電源相比，尺寸縮小了約30％，重量減輕了約50％（圖3）(3)。通過(guò)在輕負荷時(shí)切換控制方式，與采用模擬控制時(shí)相比，效率也提高了約5％。該產(chǎn)品主要用于產(chǎn)業(yè)設備、醫療設備以及測量儀器等。TDK Lambda以前就在定制產(chǎn)品方面引用過(guò)數字控制，但在標準電源方面此次還是首次實(shí)現數字控制的實(shí)用化。

(3)控制IC為美國愛(ài)特梅爾(Atmel) 的“AT90PWM2B”。主要是馬達控制用微控制器，而非數字電源專(zhuān)用。PWM分辨率約為16ns。

　　作為延長(cháng)壽命的方法

　　數字電源可以輕松導入在模擬電路控制中由于電路過(guò)于復雜而難以實(shí)現的高度控制。因此，想要在電源的主電路中采用特殊部件或者進(jìn)行獨自的控制方式時(shí)，不用等待專(zhuān)用的IC面世，只需改進(jìn)DSP微控制器上的軟件即可支持。

　　利用該優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)具有代表性的例子就是，從事LED照明業(yè)務(wù)的風(fēng)險公司Clear Sodick開(kāi)發(fā)的直管型LED照明器具及LED燈泡的電源電路。該電源電路沒(méi)有使用通常使用的鋁電解電容器，為了使用容量更小的積層陶瓷電容器（MLCC），采用了數字電源 注(4)。由Clear Sodick與原武藏工業(yè)大學(xué)（現為東京城市大學(xué)）的前教授、現任從事DSP技術(shù)咨詢(xún)業(yè)務(wù)的DSP應用技術(shù)研究所董事長(cháng)的曾禰元隆共同開(kāi)發(fā)。已從2010年5月開(kāi)始正式面向辦公室及工廠(chǎng)等業(yè)務(wù)用途銷(xiāo)售。電源電路由村田制作所制造。

注4）Clear Sodick的原公司名稱(chēng)為Clear。該公司計劃以1萬(wàn)日元以下的價(jià)格銷(xiāo)售40W的直管型LED照明（包括施工費）。LED燈泡也將作為商用產(chǎn)品銷(xiāo)售，而非消費類(lèi)產(chǎn)品。

圖4：LED照明器具也采用數字電源

　　Clear Sodick通過(guò)改進(jìn)數字控制，在LED照明器具的電源電路中采用積層陶瓷電容器替代電解電容器，延長(cháng)了產(chǎn)品壽命（a，b）。LED元件由美國科銳生產(chǎn)，共采用了204個(gè)（a）。LED燈泡相當于60W的白熾燈，采用E26燈口。耗電量為5.6W（b）。

　　Clear Sodick在電源電路中采用MLCC的目的是為了延長(cháng)電源的壽命。LED照明器具存在的課題是，盡管LED元件自身的壽命為4萬(wàn)小時(shí)以上，但在電源電路中用于平滑用途的鋁電解電容器的壽命非常短。如果采用MLCC替換鋁電解電容器的話(huà)，MLCC的壽命會(huì )比LED元件還要長(cháng)很多，因此照明器具整體可輕松確保4萬(wàn)小時(shí)的壽命。尤其是在商用照明方面，希望避免因發(fā)生故障而頻繁進(jìn)行更換，因此“希望保證4萬(wàn)小時(shí)的壽命能成為差異化的關(guān)鍵”（Clear Sodick專(zhuān)務(wù)董事、制造開(kāi)發(fā)負責人河江浩司）。

　　盡管MLCC壽命長(cháng)，但與鋁電解電容器相比，卻存在著(zhù)成本高、容量小等缺點(diǎn)。另外，等效串聯(lián)電阻（ESR）只有鋁電解電容器的1/10以下，因此控制環(huán)路的相位裕度等穩定條件也與采用鋁電解電容器時(shí)不同。雖然Clear Sodick沒(méi)有公開(kāi)詳情，但表示“通過(guò)改進(jìn)控制，可以順利使用容量較小的MLCC”。

圖5：投影儀的鎮流器電源采用數字控制

　　村田制作所在投影儀的鎮流器電源中采用DSP微控制器控制流向燈的浪涌電流，延長(cháng)了燈具的壽命（a，b）。照片由村田制作所提供。

　　Clear Sodick在數字電源的控制IC方面區分使用微芯科技和新日本無(wú)線(xiàn)的兩種DSP微控制器。在燈泡型照明器具方面比較重視成本，因此采用微芯科技的產(chǎn)品。該公司沒(méi)有公開(kāi)開(kāi)關(guān)頻率和電源電路的主電路方式及控制方式等。而在直管型LED照明器具方面，其他公司的產(chǎn)品大多外置電源電路，但該公司卻成功地將電源電路內置在了管內。

　　在為了延長(cháng)產(chǎn)品壽命而采用數字控制的事例中，除了上面提到的Clear Sodick以外，還有村田制作所開(kāi)發(fā)的投影儀鎮流器電源，目前已從2008年7月開(kāi)始面向投影儀廠(chǎng)商量產(chǎn)。在投影儀中，開(kāi)始驅動(dòng)燈時(shí)會(huì )出現較大的浪涌電流。這里存在的課題是，如果浪涌電流存在的時(shí)間較長(cháng)，燈的壽命就會(huì )變短。另外，浪涌電流的特性因燈的種類(lèi)而異，因此需要相應的控制。村田制作所為了按照每個(gè)燈提供最佳控制，采用了基于DSP微控制器的數字控制（圖5）。

　　為支持車(chē)載用途實(shí)現數字化

　在模擬電源控制IC中，一般根據面前向型、逆向型、相位轉換型、降壓型等主電路方式（電路拓撲）以及電流模式控制和電壓模式控制等控制方式，精細劃分控制IC的種類(lèi)。而數字電源的特點(diǎn)是，只要更換FET的柵極驅動(dòng)，基本上無(wú)論何種主電路方式均能支持。

　　新電元工業(yè)充分利用了數字電源的這種靈活性。該公司于2000年前后率先著(zhù)手開(kāi)發(fā)了采用數字電源的產(chǎn)品，2004年將數字控制電源作為車(chē)載DC-DC轉換器實(shí)現了實(shí)用化。本田面向美國推出的“雅閣混合動(dòng)力車(chē)”、“思域混合動(dòng)力車(chē)”以及燃料電池車(chē)等均采用了該電源，用于向12V系列的電裝產(chǎn)品供應電力。

　　目前，除了上述產(chǎn)品外，用于無(wú)空轉車(chē)型及電動(dòng)助力方向盤(pán)（EPS）的DC-DC轉換器等面向車(chē)載用途的大部分電源均采用的是數字控制，或者正在開(kāi)發(fā)之中?！霸谲?chē)載用途以外的普通電源方面，通過(guò)從車(chē)載部門(mén)借鑒技術(shù)，數字控制也已經(jīng)應用于LLC共振型電源、LED照明用電源以及功率因數校正電路（PFC）等。本公司積累了豐富的經(jīng)驗，甚至可以說(shuō)在本公司‘數字電源已經(jīng)成為普通技術(shù)’”（新電元工業(yè)的多田）。

　　新電元工業(yè)開(kāi)發(fā)數字電源時(shí)最重視的是，即使是在組合特殊拓撲的電源電路時(shí)，也無(wú)需每次都開(kāi)發(fā)專(zhuān)用控制IC?！叭绻悄M控制的話(huà)，即使考慮采用新電源電路方式，但如果沒(méi)有相應的控制IC，也無(wú)法實(shí)現商品化。如果新開(kāi)發(fā)模擬電源控制IC需要投入數億日元的資金，莫不如一舉過(guò)渡到無(wú)論任何方式均可用同一IC支持的數字控制電源。我們于2000年做出了這個(gè)決定”（新電元工業(yè)的多田）。

　　在車(chē)載領(lǐng)域，SiC等性能高于當前MOSFET的開(kāi)關(guān)元件備受期待，這些新開(kāi)關(guān)元件在實(shí)現實(shí)用化時(shí)，如果采用數字控制的話(huà)便可迅速應對。

　　另外，車(chē)載用途的IC在可靠性和溫度范圍等方面，要求具有與普通用途IC不同的品質(zhì)。2000年時(shí)，模擬電源控制IC還沒(méi)有支持新電元工業(yè)要求的品質(zhì)及標準的種類(lèi)，這也是