淺談開關電源數字控制技術的進展

摘 要：隨著半導體技術和數字信號處理器的快速發展，數字控制技術為開關電源提供了新的設計途徑。傳統的模擬控制技術無法擺脫電路中存在的非線性、誤差等問題。數字控制的開關電源具有開發周期短、易于監控等優點。本文介紹了數字電源的概念，分析和探討了開關電源系統中數字控制的工作原理。基于目前典型的數字電源產品技術，提出了數字電源的發展趨勢。

關鍵詞：數字控制 數字電源 數字信號處理器

開關電源技術推動著電力電子技術的發展，逐漸成為電力電子技術的重要組成部分。近年來，隨著半導體技術的發展，電子設備正朝著小型化、高速化、智能化方向發展。而傳統的模擬控制開關電源已不能滿足所有應用需求，整機系統急需能夠實現監控等智能功能的開關電源。集成電路設計技術和半導體工藝的進步，使數字處理控制器DPS的工作頻率越來越高，功耗越來越低。在傳統的模擬電源中，已可以采用數字控制來實現，并且采用一些全新的控制方式，來解決模擬控制無法使用先進算法的問題。

一、數字控制電源概念

數字控制電源的控制核心是數字處理控制器。該控制器通過一定的軟件算法來控制PWM電路，PWM產生的驅動信號經過驅動器放大后，驅動功率開關管，進而控制整個功率回路。數字控制電源能夠監控電源內部的工作狀態，并實現與外部系統的通信，將電源的內部狀態提供給整機系統。數字控制電源系統包括數字電路、接口電路以及部分模擬電路。其中，模擬電路主要指系統中的功率部分，包括磁性元器件、開關整流器件、電阻電容等;數字電路主要包括數字處理芯片;接口電路主要包括模數轉換器和用于通訊的接口電路。

二、數字控制電源工作原理

典型數字控制電源的工作原理為：輸入電壓建立后，輔助電源開始為DSP供電，DSP初始化完成后便開始監控整機狀態，并控制整個功率變換器。主功率變換器是BucK變換器和全橋隔離結構，次級輸出采用同步整流技術。

（一）原邊DSP控制原理。原邊DSP主要用于控制BucK變換器和全橋結構的功率級，通過采樣BucK變換器的輸出電壓和電感電流，再通過內部的運算，實現BucK原邊驅動、全橋驅動以及次級同步整流驅動。原邊DSP控制電路通過采樣輸入輸出的電壓、電流和溫度，實現電源模塊的過壓、過流和過溫保護，同時，監控變壓器的勵磁電流，確保變壓器不會出現飽和。此外，原邊DSP接受外部的控制信號，以控制整機的開關狀態。原邊DSP控制電路通過光耦隔離的SCI總線與副邊通信，報告相應狀態，其通信數據包括電壓、電流、狀態字等。

（二）次級DSP控制原理。次級DSP主要用于對整機的輸出參數進行控制，通過對輸出電壓、電流、溫度等的監控，實現輸出過壓、過流保護以及輸出并聯均流控制。次級DSP控制電路通過RS485和外部通信，報告整機的各項參數，其通信數據包括電壓、電流、溫度、狀態字。次級DSP控制電路通過光耦隔離的SCI總線與原邊通信，獲取輸入端的電壓、電流、狀態字。

三、數字電源的控制技術

數字電源的控制技術與模擬電源有一定的相似之處。與模擬電源的控制一樣，數字電源中常用的控制技術主要為電壓型控制、峰值電流型控制和平均電流控制。

（一）電壓型控制。數字電源的電壓型控制工作原理是：DC/DC變換器的輸出電壓反饋信號與輸出電壓參考信號進行比較，得到輸出電壓誤差信號，經PI控制算法或PID控制算法，得到相應的PWM驅動信號，經驅動電路后，驅動功率電路開關管，實現穩定的輸出電壓。

（二）峰值電流控制。數字電源的峰值電流控制是將電感電流或功率開關管電流作為電流內環的反饋信號，并與電壓外環的輸出信號進行比較，通過相應控制算法動態調節占空比信號，經驅動電路驅動功率電路開關管，使得功率開關管電流跟隨誤差放大器的輸出信號。

（三）平均電流控制。數字平均電流控制技術除具有峰值電流模式的優點外，還有其獨特的特點：能夠精確地檢測輸出電流，即使在電感電流斷續模式下，也能跟隨輸出電流;不存在峰值電流控制中的次諧波振蕩問題，不需斜坡補償，占空比可大于50%;噪聲免疫力強，適合用于干擾較大的系統。數字平均電流控制的不足是：控制方式的設計與實現難度較大，系統動態響應速度不如峰值電流控制。

四、數字電源發展趨勢

針對目前電源工程師對數字控制技術不熟悉的問題，國外很多數字處理器廠家推出了便利措施。如英特賽爾公司，推出了新一代圖形用戶界面（GUI），不用編寫軟件代碼就能設計數字電源，其簡易的操作界面使得設計者能夠更加快捷方便地設計。德州儀器公司推出了UCD數字控制器，有數字電源控制界面，不需要對軟件有深入的理解，僅僅需要輸入設計參數，軟件系統就會根據用戶需求，自動生成高可靠的軟件程序。隨著更多的DSP廠家推出易于操作的方式，數字電源將會得到模擬電源設計師的認可。在控制技術方面，若直接對模擬控制進行數字化，模塊電源將會存在功率頻率低、體積大的問題。因此，需要對數字控制算法進行創新。目前，國外大功率數字模塊電源廠商主要有愛立信和Synqor公司。愛立信公司推出了面向通信市場的中小功率全數字電源，通過在數字控制器中置入復合控制方式，解決了數字電源工作頻率低的問題。Synqor公司在推出基于單片機控制的數模混合控制電源后，又推出了基于DSP控制的全數字電源。全數字控制電源技術將工業標準半磚尺寸的模塊電源的功率提升到500W，效率達95%。Synqor公司2012年推出的基于DSP控制的全數字控制電源，目前已大規模應用于通信市場。在控制技術方面，Synqor公司進行了創新，采用專利的控制技術，解決了全數字控制對數字控制器DSP工作頻率的依賴問題。電路工作頻率為250kHZ，控制芯片為自主設計的DSP控制器。電路采用2級級聯結構遲滯控制方式，解決了全橋電路的磁通不平衡和數字電源負載大動態響應的問題。

結 語

本文比較了數字控制電源與模擬控制電源的優缺點，提出了典型的數字電源結構，并對數字電源的各種控制方式進行了分析。在受溫度影響、非線性控制、系統監控與通信等方面，數字電源相對于模擬電源，具有明顯的優勢，但在中小功率電源中，數字電源控制還存在成本偏高的不足。本文提出了適合于通信系統的數字電源結構，對各個功能模塊進行了描述和功能分析，分析了傳統數字控制技術的優缺點，提出了影響數字電源推廣的瓶頸。基于美國Synqor公司的全數字控制電源技術，提出了數字電源的發展趨勢。

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作者簡介：程躍飛（出生年份—1982），學校： 哈爾濱工業大學，單位： 太原太航科技有限公司，研究方向： 硬件開發 ，現有職稱： 工程師。