數字電源技術(shù)及應用優(yōu)勢

　　近年來(lái)，數字控制技術(shù)在電源中得到迅速的發(fā)展，各種在模擬電路中難以實(shí)現的現代控制方法開(kāi)始應用于電源的控制中。隨著(zhù)數字信號處理器DSP的發(fā)展，使數字式的開(kāi)關(guān)電源能達到較高的開(kāi)關(guān)頻率。相對模擬系統而言，數字系統在開(kāi)關(guān)電源中具有設計周期短、靈活多變、易實(shí)現模塊化管理、能夠消除由離散元件引起的不穩定和電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此，數字電源在高精度電源中的應用越來(lái)越廣泛，成為現代電源技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

　　一、數字電源的定義和特點(diǎn)

　?。ㄒ唬?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/數字電源">數字電源的定義

　　目前，數字電源有多種定義。

　　定義一：通過(guò)數字接口控制的開(kāi)關(guān)電源（它強調的是數字電源的“通信”功能）。

　　定義二：具有數字控制功能的開(kāi)關(guān)電源（它強調的是數字電源的“數控”功能）。

　　定義三：具有數字監測功能的開(kāi)關(guān)電源（它強調的是數字電源對溫度等參數的“監測”功能）。

　　上述三種定義的共同特點(diǎn)是“模擬開(kāi)關(guān)電源的改造升級”，所強調的是“電源控制”，其控制對象主要是開(kāi)關(guān)電源的外特性。

　　定義四：以數字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，將數字電源驅動(dòng)器、PWM控制器等作為控制對象，能實(shí)現控制、管理和監測功能的電源產(chǎn)品。它是通過(guò)設定開(kāi)關(guān)電源的內部參數來(lái)改變其外在特性，并在“電源控制”的基礎上增加了“電源管理”。所謂電源管理是指將電源有效地分配給系統的不同組件，最大限度地降低損耗。數字電源的管理（如電源排序）必須全部采用數字技術(shù)。

　　與傳統的模擬電源相比，數字電源的主要區別是控制與通信部分。在簡(jiǎn)單易用、參數變更要求不多的應用場(chǎng)合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應用的針對性可以通過(guò)硬件固化來(lái)實(shí)現，而在可控因素較多、實(shí)時(shí)反應速度更快、需要多個(gè)模擬系統電源管理的、復雜的高性能系統應用中，數字電源則具有優(yōu)勢。

　　此外，在復雜的多系統業(yè)務(wù)中，相對模擬電源，數字電源是通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現多方面的應用，其具備的可擴展性與重復使用性使用戶(hù)可以方便更改工作參數，優(yōu)化電源系統。通過(guò)實(shí)時(shí)過(guò)電流保護與管理，它還可以減少外圍器件的數量。

　　數字電源有用DSP控制的，還有用MCU控制的。相對來(lái)講，DSP控制的電源采用數字濾波方式，較MCU控制的電源更能滿(mǎn)足復雜的電源需求，而且實(shí)時(shí)反應速度更快、電源穩壓性能更好。

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　　1.控制智能化

　　它是以數字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，將數字電源驅動(dòng)器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開(kāi)關(guān)電源系統。傳統的由微控制器控制的開(kāi)關(guān)電源，一般只是控制電源的啟動(dòng)和關(guān)斷，并非真正意義的數字電源。

　　2.數模組件組合優(yōu)化

　　采用“整合數字電源”（Fusion Digital Power）技術(shù)，實(shí)現了開(kāi)關(guān)電源中模擬組件與數字組件的優(yōu)化組合。例如，功率級所用的模擬組件MOSFET驅動(dòng)器，可以很方便地與數字電源控制器相連并實(shí)現各種保護及偏置電源管理，而PWM控制器也屬于數控模擬芯片。

　　3.集成度高

　　實(shí)現了電源系統單片集成化（Power System on Chip），將大量的分立式元器件整合到一個(gè)芯片或一組芯片中。

　　4.控制精度高

　　能充分發(fā)揮數字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢，使所設計的數字電源達到高技術(shù)指標。例如，其脈寬調制（PWM）分辨力可達150ps（10~12s）的水平，這是傳統開(kāi)關(guān)電源所望塵莫及的。數字電源還能實(shí)現多相位控制、非線(xiàn)性控制、負載均流以及故障預測等功能，為研制綠色節能型開(kāi)關(guān)電源提供了便利條件。

　　5.模塊化程度高

　　數字電源模塊化程度高，各模塊之間可以方便地實(shí)現有機融合，便于構成分布式數字電源系統，提高電源系統的可靠性。

　　二、數字電源的基本原理

　　數字電源的關(guān)鍵是電源管理、控制信號的數字化處理，其基本要求是：在保障穩定性的前提下，具有快速性、平穩性和準確性。下面以負載點(diǎn)變換器（POL）為例說(shuō)明數字電源控制功能的實(shí)現原理和方法。

　　負載點(diǎn)變換器（POL）通常用于將直流輸入電壓（一般為5V~12V）調節成適用于負載要求的直流輸出電壓（0.7V~3.3V）。例如，在典型的基于降壓（Buck）開(kāi)關(guān)變換器的電路中，Buck變換器包含一個(gè)脈沖寬度調制（PWM）主控制芯片，一對主功率開(kāi)關(guān)和一個(gè)由儲能電感和電容構成的低通濾波器。在脈沖寬度調制控制芯片中，一個(gè)電阻分壓器對電源的輸出電壓進(jìn)行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與直流參考電壓進(jìn)行比較從而產(chǎn)生電壓誤差信號，誤差信號是一個(gè)強度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號。通過(guò)具有某種控制規律的誤差補償器（Compensator）進(jìn)行放大后，其輸出進(jìn)入脈寬調制器（PWM），經(jīng)過(guò)與載波（通常為鋸齒波或三角波）比較之后產(chǎn)生脈沖波，從而控制功率開(kāi)關(guān)（通常為MOSFET）的導通與關(guān)斷。由于MOSFET具有較大的輸入門(mén)電容，因此驅動(dòng)器電路有必要有效率地導通和關(guān)斷它們。另有固定電阻電容網(wǎng)絡(luò )一般會(huì )作為補償回路，以確保動(dòng)態(tài)響應和穩定性之間的正常平衡。

　　電源的兩個(gè)其它主要部分是輸入和輸出濾波器網(wǎng)絡(luò )。這些部分由感應器、電容和電阻構成，可以提供數種功能。輸入濾波器有助于保護電源不受電源電壓瞬態(tài)的影響，在動(dòng)態(tài)負載變化過(guò)程中提供一些能量存儲，并附帶濾波器網(wǎng)絡(luò )以使電源滿(mǎn)足其輸入引起的發(fā)射規范。輸出濾波器穩定輸出電壓以確保電源滿(mǎn)足其紋波和噪聲規范，此外還存儲能量以幫助維護負載電路的動(dòng)態(tài)電流要求。重要的是，對于模擬或數字控制結構而言，輸入和輸出濾波器以及電源器件將基本上保持相同。

　　在典型的數字電源控制系統結構中，輸出電壓感應排列類(lèi)似于模擬系統。但是，模數轉換器（ADC）代替了模擬系統的誤差放大器，從而將感應到的模擬電壓值轉換成二進(jìn)制數。除了輸出電壓之外，了解電源的輸出電流和溫度等其它模擬參數也非常有用。雖然獨立的ADC可以感應每個(gè)參數，但是采用單個(gè)ADC并在它前面加設一個(gè)多路復用路往往是更加常用的方法。多路復用器 （MUX）則將在要測量的模擬輸入之間切換，并依次將每個(gè)輸入發(fā)送至ADC.

　　由于MUX和ADC的采樣速率是固定的，因此ADC對每個(gè)參數都輸出一系列數字，每個(gè)數字由己知的時(shí)間段分隔。這些值供給為系統提供處理能力的微控制器?？ㄉ铣绦騼却娲鎯χ?zhù)微控制器的控制算法，這些算法負責執行一系列有關(guān)ADC的輸出值的計算。這些計算的結果包括誤差信號、想要的驅動(dòng)器級脈寬、各種驅動(dòng)器輸出的最佳延遲值以及回路補償等參數。有了這些參數，數字脈寬調制器（DPWM）就可以通過(guò)驅動(dòng)后控制外接的功率MOSFET，而電源管理部分也可以通過(guò)一定的接口及協(xié)議與外界通信了。模擬系統的外部回路補償元件此時(shí)變得不再是必需的。輸出電壓、輸出電流和溫度限制等參數的參考值在生產(chǎn)期間被保存在非易失性?xún)却嬷?，或者可以通過(guò)PMBus輸入。在系統啟動(dòng)時(shí)，數據會(huì )由EEPROM下載到數據內存中，主芯片據此控制模塊的工作狀態(tài)。同時(shí)，可以通過(guò)一定的外部操作來(lái)重新讀入EEPROM中的默認設置。

　　三、數字電源的組成結構

　　圖1為數字控制的電源系統的典型結構框圖。系統包括模擬部分、數字部分以及模擬數字的接口電路。模擬部分主要是各種拓撲的變換電路及負載電路組成；數字部分為微處理器芯片及其外設；接口電路包括從模擬部分到數字部分的采樣網(wǎng)絡(luò )及A/D轉換器和從數字部分到模擬部分的PWM外圍電路、相應的門(mén)極驅動(dòng)電路及D/A轉換器或I/O外圍電路。

　　數字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數字控制和數字電源管理與通信任務(wù)。系統可以使用一種或兩種形式的數字電源。數字電源的關(guān)鍵數字器件有數字電源驅動(dòng)器、數字電源PWM控制器和數字信號處理器等。

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　　目前，數字控制電源驅動(dòng)器芯片中比較典型的應用有美國德州儀器公司（TI）公司的UCD7100/7201芯片。二者的區別是：UCD7100為單端輸出，UCD7201為雙端輸出，額定輸出電流均為±4A，可驅動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)功率管，均可適配UCD9110/9501型數字控制器。主控制器可監控其輸出電流，快速檢測過(guò)流故障并迅速關(guān)斷電源，檢測周期僅為25ns.

　　現以UCD7100為例，該芯片主要包括3.3V電壓調整器及基準電壓源、觸發(fā)器、施密特比較器、欠壓關(guān)斷電路、控制門(mén)、True Drive驅動(dòng)器等部分組成?！癟rue Drive”（真驅動(dòng)）為T(mén)I公司的專(zhuān)有技術(shù)，它是由并聯(lián)雙極性晶體管和MOSFET管組成上拉/下拉電路構成的混合輸出級。其優(yōu)點(diǎn)是驅動(dòng)能力強，在低電壓時(shí)也能正常輸出，并能在極低輸出阻抗下控制外部功率MOSFET的過(guò)壓、欠壓保護，功率MOSFET不需要接起保護作用的肖特基鉗位二極管。UCD7100能在幾百FIS的時(shí)間內給MOSFET的柵極提供一個(gè)高峰值電流，快速開(kāi)啟驅動(dòng)器。UCD7100的高阻抗數字輸入端（IN）能接收3.3V邏輯電平、最高開(kāi)關(guān)頻率達2MHz的信號。利用施密特比較器能將內部電路與外部噪音隔離。若控制器的PWM輸出停在高電平上并發(fā)生過(guò)電流故障，電流檢測電路就關(guān)斷驅動(dòng)器的輸出，系統可進(jìn)入重試模式。通過(guò)DSP或MCU內部的看門(mén)狗電路，能重新啟動(dòng)片。UCD7100內部的3.3V/10mA電壓調整器可作為數字控制器的電源。

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　　美國德州儀器公司（TI）公司的UCD8220/8620是受DSP或MCU數字控制的雙端推挽式PWM控制器。二者區別是UCD8220可利用48V低壓?jiǎn)?dòng)，UCD8620內部增加了110V高壓?jiǎn)?dòng)電路。UCD8220的內部框圖如圖2所示。

　　該芯片主要包括3.3V電壓調整器及基準電壓源、脈寬調制器（PWM）、驅動(dòng)邏輯、推挽式驅動(dòng)器、欠壓關(guān)斷電路、限流電路、電流檢測電路。UCD8220/8620可運行在峰值電流模式或電壓模式，不僅能對極限電流進(jìn)行編程，還輸出一個(gè)能受主控制器監控的極限電流數字標志。UCD8220/8620的時(shí)序T作波形如圖3所示。

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　　目前，專(zhuān)為數字電源系統配套的數字信號處理器有美國德州儀器公司（TI）公司的UCD9501、TMS320F2808和TMS320F2806等。它們內部主要包含100MHz的32位CPU、時(shí)鐘振蕩器、3個(gè)32位定時(shí)器、看門(mén)狗電路、內部/外部中斷控制器、SCI總線(xiàn)、SPI總線(xiàn)、CAN總線(xiàn)及I2C總線(xiàn)接口、12路PWM信號輸出、系統控制器、16通道12位ADC、16K×16Flash、6K×16SARAM、1K×16ROM.它采用標準的3.3V輸入/輸出接口，與UCD8K系列完全兼容，利用Power PADTM HTSSOP和QFN軟件包可進(jìn)行編程。

　　四、數字電源發(fā)展面臨的問(wèn)題

　　數字電源已經(jīng)表現出相當多的優(yōu)點(diǎn)，但仍有一些缺點(diǎn)需要克服。例如，模擬控制對信號狀態(tài)的反應是瞬時(shí)的，而數字電源需要一個(gè)采樣、量化和處理的過(guò)程來(lái)對負載的變化做出反饋，因此它對負載變化的響應速度目前還比不上模擬電源。數字電源的占板面積要大于模擬電源，精度和效率也比模擬電源稍差。雖然數字控制方法的優(yōu)點(diǎn)在負載點(diǎn)（POL）系統中非常明顯，但模擬電源在分辨率、帶寬、與功率組件的電壓兼容性、功耗、開(kāi)關(guān)頻率和成本（在簡(jiǎn)單應用中）等方面仍然占有優(yōu)勢。不過(guò)，如果考慮到數字電源解決方案具有的優(yōu)點(diǎn)，使用模擬電路搭建功能相似的電路，成本并不一定就比數字電源低。

　　數字電源中包含的技術(shù)無(wú)疑是復雜的，但它的使用并不一定就復雜。不過(guò)它要求設計人員具有一定的程序設計能力，而目前的電源設計人員普遍都是模擬設計為主，缺乏編程方面的訓練。這對數字電源的推廣也造成了一定的障礙。

　　數字電源中，A/D轉換器的速度和精度成反比。為了保證交換式電源有較高的穩壓精度，A/D轉換器必需要有比較高精度的取樣，但高精度的取樣頻率需要更長(cháng)的A/D轉換時(shí)間，作為反饋回路的一部分，A/D轉換時(shí)間過(guò)長(cháng)必然造成額外的相位延遲時(shí)間。除了和模擬控制存在的相位延遲，轉換過(guò)程的延遲時(shí)間必然也會(huì )造成額外的等待循環(huán)，造成回路的實(shí)時(shí)反應能力變差。和模擬芯片用RC補償進(jìn)行PI調節的方法一樣，在控制回路中用引入PI調節的方法以提高控制回路的實(shí)時(shí)反應能力，這種做法需要占用數字芯片較大的系統資源，因為數字控制和模擬控制不同，信號取樣不是連續不斷的，而是規則離散的，兩次取樣之間會(huì )有一段間隔時(shí)間，這段時(shí)間的值是無(wú)法取得的。為了要達到精確的控制，每次取樣之間的時(shí)間間隔不能太長(cháng)，即取樣頻率不能太低。作為數字芯片，每次AD轉換結束后，得到的結果都會(huì )被送到系統的中央處理器，然后由處理器對取樣的值進(jìn)行運算和PI調節。在取樣頻率比較高的時(shí)候，這種做法相當耗費系統運算資源，因此對數字芯片的效能要求也比較高。專(zhuān)門(mén)用于電源控制的數字芯片并不算多，雖然在要求比較高的場(chǎng)合一般都會(huì )用DSP芯片，其運算和取樣速度快，功能強大，但價(jià)格比較昂貴。而且通用DSP芯片不是專(zhuān)門(mén)的做為電源控制芯片使用，一般的電源應用對其芯片資源的利用率不高，在某些狀況之下，采用DSP芯片做為電源數字控制的核心是一種浪費。

　　因此，成本顯然是約束數字電源廣泛應用的一個(gè)主要因素。由于數字實(shí)現方式的成本看似高于相似的模擬實(shí)現方式，而且人們對于數字電源產(chǎn)品的采用存在顧慮，所以，從用戶(hù)的角度來(lái)說(shuō)，也只有當數字電源的成本等于或低于模擬電源（因為成本是中國市場(chǎng)考慮的第一市場(chǎng)因素），同時(shí)又能提供模擬電源做不到的許多先進(jìn)功能的時(shí)候，數字電源才會(huì )被考慮。

　　人們對數字電源還有一個(gè)擔心就是它還不像模擬電源那樣經(jīng)過(guò)多年應用的考驗，因而可靠性不高。但就像數字電路在概念上就優(yōu)于模擬電路一樣，可靠性是設計的問(wèn)題，而不是數字化的問(wèn)題。

　　綜上所述，在簡(jiǎn)單易用、參數變更不多的應用場(chǎng)合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應用的針對性可以通過(guò)硬件固化來(lái)實(shí)現。而在可控因素較多、需要更快實(shí)時(shí)反應速度、需要管理多個(gè)電源、復雜的高性能系統應用中，數字電源則具有優(yōu)勢。