智能化數字電源的應用與發展研究

總參謀部通信訓練基地教研部實驗室 孔維成 李 悅 袁 賽 楊海明

智能化數字電源的應用與發展研究

總參謀部通信訓練基地教研部實驗室 孔維成 李 悅 袁 賽 楊海明

數字電源以其高性能和高可靠性的特點在工農業生產、國防、航空航天及醫療設備等領域得到廣泛應用。文章介紹了數字電源具有電源管理功能完善、能面向用戶設計等顯著優點。對當今數字電源的技術發展情況進行了分析，闡述了數字電源技術在未來各領域將得到廣泛應用。

數字電源；智能化；設計；應用；發展

1.引言

進入21世紀以來，開關電源正朝著智能化、數字化的方向發展。新問世的數字電源以其優良特性和完備的監控功能，引起人們的廣泛關注。數字電源提供了智能化的適應性與靈活性，具備直接監控、遠程故障診斷、故障處理等電源管理功能，能滿足復雜的電源要求。數字電源的這些特點使其在現在的諸多領域得到很好的應用，并將繼續擴展它的應用范圍。因此對數字電源應用的研究十分重要。

2.數字電源的技術特性

數字電源是以數字信號處理器DSP（Digital Signal Processing）或微控制器MCU（Micro Control Unit）為核心，將數字電源驅動器、PWM（Pulse Width Modulation）控制器等作為控制對象，能實現控制、管理和監測功能的電源產品，能提供管理和監控功能，并延伸到對整個回路的控制。數字電源有用DSP控制的，還有用MCU控制的。相對來講，DSP控制的電源采用數字濾波方式，較MCU控制的電源更能滿足復雜的電源需求、實時反應速度更快、電源穩壓性能更好。

數字電源管理DPM（Design Pro-ject Manager）是指用數字信息來管理電源系統及其電源的整體運作。有了DPM，就可以利用數字信號實現與電源的通信，可實現對電源系統加電、測序、負載分配和平衡、故障分析、熱交換、維護保養及其它任務。數字電源控制器DCP（Digitally Controlled Potentiometers）是指，用數字技術來控制電源單元內部的功率開關功能。從理論上來說，這意味著盡可能早地執行模-數轉換，使電源中所有的反饋和控制功能在數字域進行處理。

3.數字電源電路的應用

數字電源存在的需求市場是模擬電源難以實現的一些區域，比方說，采用SVPWM算法的大功率高壓變頻器。數字器件控制的電源內部參數可以在線調整，這就意味著電源的動態特性是可變的，能順應負載在相當大的范圍內變化，同時還能保證一定的性能。數字電源的通訊優勢使電源設備具有多樣化的遠程控制方式，這會給設備的運行、監測帶來很多好處。數字電源開始慢慢滲透并占領傳統模擬電源的應用領域，而且發展越來越快。

3.1 數字電源電路的應用情況分析

以數字方式進行電壓及電流控制的開關電源，稱為“數字控制電源”。不間斷電源等大容量電源是10多年前就已普遍使用的技術，而2010年有關這種數字電源的開發活動頗顯活躍。比如：村田制作所在直管型LED照明內置電源中采用了基于DSP微控制器的數字控制，該電源被照明廠商Clear Sodick用在了LED照明上；TDK-Lambda UK也開發出了該公司首例在標準電源中采用數字控制的產品，并于2010年6月開始了全面量產；新電源工業也在以車載用DC/DC轉換器為代表的該公司大部分開關電源中導入了基于軟件方式的數字控制。與任何新技術的推廣周期一樣，數字電源的影響最先會出現在利潤豐厚的高端市場，然后逐漸進入主流市場。

數字軟件技術開始在曾是模擬技術的領域上廣泛普及。LED照明、車載電源及產業設備等領域紛紛開始導入數字控制型電源。通過添加通信功能或者將控制方式改變為動態控制等方法，在提高電源效率、縮小產品尺寸以及縮短開發時間等方面發揮了效果。另外，長期以來制約DSP發展的高成本問題，也隨著價格與通用微控制器一樣的低價產品的問世而逐漸得到解決。

電源的數字控制有助于實現ACDC電源和DC-DC轉換器等的小型化及高效率化，大約5年前開始受到關注。這種“數字電源”的應用范圍在最近一年來悄然擴大。

3.2 數字電源應用領域的擴展

以前，數字電源只是導入于無停電電源裝置（UPS）、通信產品、服務器、太陽能電池以及功率調節器等基礎設施的部分產品中。但最近，LED照明器具、汽車、產業設備乃至部分消費類產品也開始采用數字電源。那么，是什么原因使數字電源的應用領域得到迅速擴展呢？

3.2.1 低價位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，單價只有8元左右至幾十元人民幣的電源控制IC的出現，并用于數字電源的產品中。數字電源控制IC的成本下降到了可與不足幾十元人民幣的模擬電源控制IC相匹敵的程度。美國微芯科技（Microchip Technology）、美國德州儀器（TI）以及新日本無線等半導體廠商從2008年前后相繼推出了數字電源專用的低價位控制IC。近來，大部分數字電源產品采用的都是這些企業的IC。

在輸出功率為100W以上、開關頻率為1MHz以下的領域，采用DSP微控制器的數字控制電源開始普及。以前，構成數字電源需要采用單價高達幾百至數百元人民幣的高性能DSP作為控制IC使用。這些IC的工作頻率為100MHz以上，耗電量僅DSP就將近1W，用于通常的開關電源的控制則指標過剩，這是采用DSP的數字電源只在UPS等超過1kW的大型裝置上才使用的主要原因。不過，應部分先進電源廠商的要求，微芯科技和TI推出了配備數字電源所需功能，與通用微控制器價格一樣便宜的DSP，即“DSP微控制器”。將幾百元人民幣的DSP成本大幅降到幾十元以下，基本解決了數字電源的最大瓶頸——控制IC成本高的問題。

3.2.2 以1MHz以下、100W以上的電源為對象

數字電源的DSP微控制器自身就會消耗200mW左右的電力。因此，不太適合輸出功率較小的電源。因為必須顧及因DSP微控制器的電力而導致的效率降低，綜合電源技術人員的意見來看，目前，輸出功率為50～100W以上的電源為最佳對象。

從開關頻率方面來看，頻率大約在1MHz以下的電源為最佳應用對象。在數字電源中，經由DSP微控制器上的A-D轉換器監測輸出電壓和輸出電流，并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，數字控制會發生1μs左右的A-D轉換時間、以及利用軟件計算操作量的演算時間等數字控制特有的延遲。

在數字電源中，利用基于專用邏輯電路的硬件而非基于DSP的軟件來執行PI控制等控制演算時，可以支持超過1MHz的開關頻率。原因是，該方式在將輸出電壓等進行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施PI控制，因此這部分的演算時間與DSP方式相比能夠縮短。

4.結束語

“整合數字電源”（Fusion Di-gital Power）技術，實現了開關電源中模擬組件與數字組件的優化組合。實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芯片或一組芯片中。其次，充分發揮數字信號處理器及微控制器的優勢，使數字電源的設計達到高技術指標，這是傳統開關電源所望塵莫及的。隨著IC廠商不斷推出新型號、性能更好的數字電源IC產品以及用戶對數字電源認識的深入，數字電源的應用將會進一步普及。

[1]徐小濤,主編.數字電源技術及其應用[M].北京:人民郵電出版社,2011,03.

[2]Abraham Pressman.開關電源設計[M].電子工業出版社,2005,09.

[3]楊晉,蔡麗娟.數字技術在開關電源中的應用與發展[J].開關電源技術,2008(02).

[4]魯莉容,李曉帆,蔣平.DC-DC變換器突加負載時動態性能研究[J].通信電源技術,2002(9).

孔維成（1965—），男，河北滄州人，大學本科，總參謀部通信訓練基地教研部實驗室高級講師。

李悅（1977—），女，江蘇徐州人，大學本科，總參謀部通信訓練基地教研部實驗室講師。

袁賽（1979—），女，河北辛集人，總參謀部通信訓練基地教研部實驗室講師。

楊海明（1978—），男，山東菏澤人，碩士，總參謀部通信訓練基地教研部實驗室講師。