智能化數字電源的應用與發展研究

【摘要】隨著科學技術的不斷發展，開關電源逐漸向數字化、智能化的方向發展，最新研制的智能化數字電源系統具備傳統電源系統無可比擬的優良特性，同時可以實現完美的監控功能。這項技術憑借其較高的性能和超強的適應性在工業、農業、國防、醫療器械、航空航天等領域獲得了越來越廣泛的應用，引起了人們高度關注。

【關鍵詞】智能化;數字電源;應用與發展

智能化數字電源系統具有很強的適應性，可以實現較高的智能化，其設計非常靈活，能滿足各種復雜的電源要求，因此數字電源的應用前景十分廣闊，對這一領域的應用研究非常重要。本文介紹了數字電源的定義及特點，闡述了智能化數字電源的主要應用領域及應用概況，并提出了其目前存在的優勢和不足。隨著數字信號處理器（DSP）的發展，數字化電源將是現代電源技術發展的一個重要方向。

一、數字電源的定義

目前對數字電源的定義尚未統一，最簡單明了的定義：數字電源是通過數字接口控制開關穩壓器的電源，這種說法強調了數字電源所具備的通信功能。在該定義下，數字電源可以通過類似I2C數字總線來控制開關頻率、輸出電壓，一個或者多個數字信號組合可以控制多通道電源的順序、斷電通電順序等。另一種定義：數字電源是具有數字控制功能的開關電源，這種說法主要強調數字電源所具備的數控功能。在該定義下，數字電源可以通過提供更多的控制功能以達到控制開關電源狀態的目的，如溫度、輸入電壓、輸入電源、輸出電壓、輸出電源等，可以按照設定的周期定時向主機傳輸信息。第三種定義：數字電源是指以微控制器或者數字信號處理器為核心，將PWM控制器、數字電源驅動器等作為控制對象，能實現管理、監測和控制功能的電源產品，其設計邏輯是通過設定開關電源內部參數達到改變其外在特征的目的，這是目前比較被認可的一種定義。

二、智能化數字電源的特點

（一）實現了控制的智能化

智能化數字電源是以微控制器或者數字信號處理器為核心，以PWM控制器及數字電源驅動器作為控制對象，構建成一套智能化的開關電源系統。值得注意的是，一些傳統開關電源也是由微控制器控制，但在功能上僅僅實現了控制電源的開和關，并非真正的數字電源。

（二）數模組件的組合更為優化

智能化數字電源通過應用整合數字電源技術，實現開關電源中數字組件與模擬組件的優化組合。比如功率級應用模擬組件MOSFET驅動器，可以很容易實現與數字電源控制器的連接、實現偏置電源的管理，且PWM控制器就屬于其中一種數控模擬芯片。

（三）具有較高的集成度

智能化數字電源將數量較多的分立式電子元器件加以整合，構成一個芯片或者一個芯片組合，實現了電源系統的高集成化。

（四）具備較高的控制精度

智能化數字電源能將微控制器及數字信號處理器的優勢充分發揮出來，使數字電源的設計能夠達到較高的技術指標。比如智能化數字電源的脈寬調制分辨力可達到150ps，這是傳統開關電源所望塵莫及的水平。智能化數字電源亦能夠實現非線性控制、多相位控制、故障預測及負載均流等功能，為環保節能型開關電源的研制起到了借鑒意義。

（五）具備較高的模塊化程度

智能化數字電源各模塊之間能夠很容易地實現有機融合，各模塊之間通過高度集合，易于構建分布式數字電源系統，大大提高數字電源系統的可靠性。

三、智能化數字電源的應用

智能化數字電源的應用填充了模擬電源應用范圍所不能涉及到的領域，例如采用SVPWM算法的大頻率高壓變頻器。由數字元器件控制電源的內部參數，可以進行在線調整，這意味著電源具有可變的動態特性，可在相當大的范圍內隨著負載的變化而調整，其性能也能夠有所保證。智能化數字電源所具備的通訊優勢，使得電源設備有多種靈活的遠程控制方式，這對設備的運行和監測非常有利。因此，智能化數字電源開始向模擬電源的應用領域滲透并擴張。

（一）智能化數字電源應用概況

數字電源開關通俗來講就是以數字的方式進行對電流及電壓的控制，如不間斷電源這種大容量電源，早在十多年前就被應用，2010年這類智能化數字電源的研發應用速度更為迅速，如TDK-lambda UK公司首次在標準電源中應用了數字電源技術，2010年6月份這種新技術產品開始投入量產。新電源工業的代表產品是車載DC-DC轉換器，該公司大部分開關電源產品都引入了數字控制技術。村田制作所將DSP微管控制器的數字控制技術應用于直管型的LED照明內置電源中，這種電源被著名的Clear Scdick公司應用于LED照明中。任何新技術的推廣都需要一定的周期，數字電源這一新技術首先被利潤豐厚的高端市場采用，之后逐漸滲透到主流市場而被廣泛應用。

數字軟件技術最初只是應用于模擬技術領域，隨著這項技術的不斷完善，產業設備、車載電源、LED照明等領域都開始導入通過數字軟件技術控制的電源，并在這一技術的基礎上進行不斷改良完善，如將控制方式變成動態控制，添加了之前不能實現的通訊功能，這些措施大大提高了電源效率、縮短了開發周期、縮小了產品尺寸。另外通用微控制器等低價產品的出現，也緩解了一直制約DSP發展的成本問題。電源的數字控制技術，推動了AC-DC電源及DC-DC轉換器向著高效化和小型化方向發展，數字電源技術也受到越來越多的關注，其應用范圍也越來越廣泛。

（二）數字電源的應用領域

數字電源的應用領域不斷擴展，從之前的通信產品、無停電電源裝置、功率調節器、太陽能電池、服務器等基礎設施的少部分產品，逐步擴展到LED照明器具、產業設備、部分消費性產品及汽車領域中，如此快速的發展，得益于如下幾個因素。

第一，低價位DSP的問世。數字電源應用范圍擴大最主要的原因是價格較低的電源控制IC開始應用于數字電源的設計中，數字電源控制IC成本和模擬電源控制IC成本不相上下，日本無線及美國微芯科技、美國德州儀器等半導體廠商自2008年起陸續推出了適合數字電源的低價位控制IC，而近年來，大部分數字電源產品均開始使用這種控制IC。在開關頻率1MHz以下、輸出功率100W以上的領域，采用DSP微控制器的智能化數字電源應用開始普及。在此之前，數字電源需要使用價格非常高的高性能DSP作為控制IC，這種IC耗電量高、其工作頻率為100MHz以上，用于普通的開關電源控制會造成指標過剩、資源浪費，這導致采用DSP控制的數字電源只應用于UPS等高于1KW的大型裝置上。通過美國微芯科技和德州儀器等公司的研制，低成本的DSP的問世，解決了這一難題，促使數字電源的應用范圍迅速擴展。

第二，數字電源主要用于輸出功率100W以上，開關頻率1MHz以下的領域，該領域涉及范圍十分廣泛。數字電源的DSP微控制器自身耗電量比較高，大約會耗費200mW左右的電力，因此對輸出功率較小的電源并不適用。實踐證明，數字電源對于輸出功率為50W-100W以上的電源比較適用;從開關頻率上看，數字電源對于頻率在1MHz以下的電源比較適用。數字電源的輸出電流和輸出電壓的監測通過DSP微控制器的A-D轉換器來實現，同時利用軟件控制電流和電壓的穩定性。這樣做不同于模擬控制利用誤差放大器連續監測輸出電壓與目標電壓，數字控制會發生特有的工作延時，如會存在大約1μs的A-D轉換時間及利用軟件計算操作的演算時間。另外數字電源是利用專用邏輯的電路硬件來執行PI控制，可以支持高于1MHz的開關頻率。

四、智能化數字電源發展面臨的問題

（一）智能化數字電源的優勢

智能化數字電源克服了現代電源的復雜性，它實現了模擬技術和數字技術的融合，提供了超強的靈活性和適應性，同時具備直接檢測能力、處理并適應系統條件的能力，幾乎能夠滿足所有電源的要求。通過遠程診斷，數字電源可以確保系統持續可靠性、實現故障管理、自動冗余、過電流（壓）保護等功能。智能化數字電源的集成度很高、功能很強，但是其系統的復雜性卻沒有增加，外圍器件使用較少，簡化了設計流程及制造工藝流程，縮小了砧板面積。另外數字電源的自動調節、自動診斷能力使得調試維護工作變得簡單輕松。

智能化數字電源的管理芯片可以很容易的在多相及同步信號下進行多相并聯應用，具有擴展性與重復性優勢，可減少EMI，輕松實現負載均流，簡化了濾波電路設計。數字控制具有的靈活性，可以將電源按照需求靈活地進行串并聯，形成虛擬電源。數字電源的智能化優勢，可以保證各種負載點系統和輸入電壓具備最優功率轉換效率。

數字電源技術的優勢還包括可以在線編程、具備更先進的控制算法、具備較高的可靠性能以及優秀的系統管理及互聯功能。與模擬電源不同，數字電源不存在誤差、老化、補償、漂移等問題，也很少受到溫度的干擾，其可靠性高、無需調諧，可以獲得穩定的控制參數。數字電源特有的運算特性，使其能夠更容易地實現多環路控制及非線性控制等高級控制算法，只要更新固件就能實現新的控制算法和拓撲結構，且無需更換板卡上的元器件就能更改電源參數。數字控制可以實現硬件平臺的重復使用，通過設計固件可滿足系統的獨特需求，從而減少開發成本，降低元器件庫存風險，加快產品上市步伐。

（二）智能化數字電源的不足

智能化數字電源在具備上述優勢的同時，尚有一些不足需要克服。如模擬控制是瞬時反應信號狀態的，而數字電源需要進行采樣、量化處理，以對負載變化做出相應的反饋，因此數字電源對負載變化的響應速度是落后于模擬電源的。盡管數字控制方法在負載點系統中有明顯的優勢，但是模擬電源在帶寬、分辨率、功耗、開關頻率、與功率元件電壓的兼容性及成本方面都具有一定優勢。當然，如果將數字電源在解決方案上的優點綜合考慮進來，使用模擬電路構建相似功能的電路，成本也不一定比數字電源低。

數字電源涵蓋的技術比較復雜，但其智能性要求其使用不能太復雜。這要求設計研發人員要具備相當高的編程能力，而目前電源設計人員往往都是以模擬設計為主，普遍缺乏編程方面的能力和訓練，這是影響數字電源推廣的一個障礙。另外，數字電源尚未經過多年的應用考驗，人們對其可靠性還存有疑慮，但追根溯源，可靠性問題屬于設計上的問題，而非數字化的問題。

顯然，成本問題是約束數字電源推廣的主要因素。數字電源的實現成本高于模擬電源，加上人們對數字電源尚存在使用顧慮，因此，站在用戶角度看，只有當數字電源成本小于等于模擬電源成本，同時又能夠提供模擬電源無法實現的功能的時候，數字電源才容易被接受。

（三）智能化數字電源的發展前景

在可控因素多、復雜性高以及需要同時管理多個電源的系統中，數字電源具有模擬電源無可比擬的優勢。但是由于人們對數字技術認識上的欠缺，加上數字技術的復雜性及成本偏高，導致數字電源不能快速地被人們所認可。但是一旦人們認識到智能化數字電源所具有的特殊優勢，加上數字控制技術的不斷完善，數字電源技術一定會被廣泛采用。

五、總結

智能化數字電源技術，在開關電源領域實現了數字組件與模擬組件的優化組合，提高了電源系統的集成化程度，將數量種類繁多的元器件整合到一個或者一組芯片中，充分發揮了微控制器及數字信號處理器的優勢，使數字電源技術能夠符合現代電源的高技術指標，這都是傳統開關電源無法企及的。隨著IC制造廠商不斷推出高性能、新規格的數字電源產品，加上人們對數字電源技術認識的深入，智能化數字電源必將得到廣泛普及與推廣。

參考文獻

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作者簡介：黃詩江（1962—），男，副教授，現供職于電子工程學院，研究方向：電路通信與系統。