智能化數(shù)字電源的應(yīng)用與發(fā)展研究

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)電源逐漸向數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展，最新研制的智能化數(shù)字電源系統(tǒng)具備傳統(tǒng)電源系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)良特性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)完美的監(jiān)控功能。這項(xiàng)技術(shù)憑借其較高的性能和超強(qiáng)的適應(yīng)性在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，引起了人們高度關(guān)注。

【關(guān)鍵詞】智能化;數(shù)字電源;應(yīng)用與發(fā)展

智能化數(shù)字電源系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以實(shí)現(xiàn)較高的智能化，其設(shè)計(jì)非常靈活，能滿足各種復(fù)雜的電源要求，因此數(shù)字電源的應(yīng)用前景十分廣闊，對(duì)這一領(lǐng)域的應(yīng)用研究非常重要。本文介紹了數(shù)字電源的定義及特點(diǎn)，闡述了智能化數(shù)字電源的主要應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用概況，并提出了其目前存在的優(yōu)勢和不足。隨著數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的發(fā)展，數(shù)字化電源將是現(xiàn)代電源技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

一、數(shù)字電源的定義

目前對(duì)數(shù)字電源的定義尚未統(tǒng)一，最簡單明了的定義：數(shù)字電源是通過數(shù)字接口控制開關(guān)穩(wěn)壓器的電源，這種說法強(qiáng)調(diào)了數(shù)字電源所具備的通信功能。在該定義下，數(shù)字電源可以通過類似I2C數(shù)字總線來控制開關(guān)頻率、輸出電壓，一個(gè)或者多個(gè)數(shù)字信號(hào)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(shù)字電源是具有數(shù)字控制功能的開關(guān)電源，這種說法主要強(qiáng)調(diào)數(shù)字電源所具備的數(shù)控功能。在該定義下，數(shù)字電源可以通過提供更多的控制功能以達(dá)到控制開關(guān)電源狀態(tài)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(shè)定的周期定時(shí)向主機(jī)傳輸信息。第三種定義：數(shù)字電源是指以微控制器或者數(shù)字信號(hào)處理器為核心，將PWM控制器、數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器等作為控制對(duì)象，能實(shí)現(xiàn)管理、監(jiān)測和控制功能的電源產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)邏輯是通過設(shè)定開關(guān)電源內(nèi)部參數(shù)達(dá)到改變其外在特征的目的，這是目前比較被認(rèn)可的一種定義。

二、智能化數(shù)字電源的特點(diǎn)

（一）實(shí)現(xiàn)了控制的智能化

智能化數(shù)字電源是以微控制器或者數(shù)字信號(hào)處理器為核心，以PWM控制器及數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器作為控制對(duì)象，構(gòu)建成一套智能化的開關(guān)電源系統(tǒng)。值得注意的是，一些傳統(tǒng)開關(guān)電源也是由微控制器控制，但在功能上僅僅實(shí)現(xiàn)了控制電源的開和關(guān)，并非真正的數(shù)字電源。

（二）數(shù)模組件的組合更為優(yōu)化

智能化數(shù)字電源通過應(yīng)用整合數(shù)字電源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源中數(shù)字組件與模擬組件的優(yōu)化組合。比如功率級(jí)應(yīng)用模擬組件MOSFET驅(qū)動(dòng)器，可以很容易實(shí)現(xiàn)與數(shù)字電源控制器的連接、實(shí)現(xiàn)偏置電源的管理，且PWM控制器就屬于其中一種數(shù)控模擬芯片。

（三）具有較高的集成度

智能化數(shù)字電源將數(shù)量較多的分立式電子元器件加以整合，構(gòu)成一個(gè)芯片或者一個(gè)芯片組合，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)的高集成化。

（四）具備較高的控制精度

智能化數(shù)字電源能將微控制器及數(shù)字信號(hào)處理器的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，使數(shù)字電源的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到較高的技術(shù)指標(biāo)。比如智能化數(shù)字電源的脈寬調(diào)制分辨力可達(dá)到150ps，這是傳統(tǒng)開關(guān)電源所望塵莫及的水平。智能化數(shù)字電源亦能夠?qū)崿F(xiàn)非線性控制、多相位控制、故障預(yù)測及負(fù)載均流等功能，為環(huán)保節(jié)能型開關(guān)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(shù)字電源各模塊之間能夠很容易地實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合，各模塊之間通過高度集合，易于構(gòu)建分布式數(shù)字電源系統(tǒng)，大大提高數(shù)字電源系統(tǒng)的可靠性。

三、智能化數(shù)字電源的應(yīng)用

智能化數(shù)字電源的應(yīng)用填充了模擬電源應(yīng)用范圍所不能涉及到的領(lǐng)域，例如采用SVPWM算法的大頻率高壓變頻器。由數(shù)字元器件控制電源的內(nèi)部參數(shù)，可以進(jìn)行在線調(diào)整，這意味著電源具有可變的動(dòng)態(tài)特性，可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)隨著負(fù)載的變化而調(diào)整，其性能也能夠有所保證。智能化數(shù)字電源所具備的通訊優(yōu)勢，使得電源設(shè)備有多種靈活的遠(yuǎn)程控制方式，這對(duì)設(shè)備的運(yùn)行和監(jiān)測非常有利。因此，智能化數(shù)字電源開始向模擬電源的應(yīng)用領(lǐng)域滲透并擴(kuò)張。

（一）智能化數(shù)字電源應(yīng)用概況

數(shù)字電源開關(guān)通俗來講就是以數(shù)字的方式進(jìn)行對(duì)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(yīng)用，2010年這類智能化數(shù)字電源的研發(fā)應(yīng)用速度更為迅速，如TDK-lambda UK公司首次在標(biāo)準(zhǔn)電源中應(yīng)用了數(shù)字電源技術(shù)，2010年6月份這種新技術(shù)產(chǎn)品開始投入量產(chǎn)。新電源工業(yè)的代表產(chǎn)品是車載DC-DC轉(zhuǎn)換器，該公司大部分開關(guān)電源產(chǎn)品都引入了數(shù)字控制技術(shù)。村田制作所將DSP微管控制器的數(shù)字控制技術(shù)應(yīng)用于直管型的LED照明內(nèi)置電源中，這種電源被著名的Clear Scdick公司應(yīng)用于LED照明中。任何新技術(shù)的推廣都需要一定的周期，數(shù)字電源這一新技術(shù)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(yīng)用。

數(shù)字軟件技術(shù)最初只是應(yīng)用于模擬技術(shù)領(lǐng)域，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷完善，產(chǎn)業(yè)設(shè)備、車載電源、LED照明等領(lǐng)域都開始導(dǎo)入通過數(shù)字軟件技術(shù)控制的電源，并在這一技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷改良完善，如將控制方式變成動(dòng)態(tài)控制，添加了之前不能實(shí)現(xiàn)的通訊功能，這些措施大大提高了電源效率、縮短了開發(fā)周期、縮小了產(chǎn)品尺寸。另外通用微控制器等低價(jià)產(chǎn)品的出現(xiàn)，也緩解了一直制約DSP發(fā)展的成本問題。電源的數(shù)字控制技術(shù)，推動(dòng)了AC-DC電源及DC-DC轉(zhuǎn)換器向著高效化和小型化方向發(fā)展，數(shù)字電源技術(shù)也受到越來越多的關(guān)注，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛。

（二）數(shù)字電源的應(yīng)用領(lǐng)域

數(shù)字電源的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，從之前的通信產(chǎn)品、無停電電源裝置、功率調(diào)節(jié)器、太陽能電池、服務(wù)器等基礎(chǔ)設(shè)施的少部分產(chǎn)品，逐步擴(kuò)展到LED照明器具、產(chǎn)業(yè)設(shè)備、部分消費(fèi)性產(chǎn)品及汽車領(lǐng)域中，如此快速的發(fā)展，得益于如下幾個(gè)因素。

第一，低價(jià)位DSP的問世。數(shù)字電源應(yīng)用范圍擴(kuò)大最主要的原因是價(jià)格較低的電源控制IC開始應(yīng)用于數(shù)字電源的設(shè)計(jì)中，數(shù)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(dǎo)體廠商自2008年起陸續(xù)推出了適合數(shù)字電源的低價(jià)位控制IC，而近年來，大部分?jǐn)?shù)字電源產(chǎn)品均開始使用這種控制IC。在開關(guān)頻率1MHz以下、輸出功率100W以上的領(lǐng)域，采用DSP微控制器的智能化數(shù)字電源應(yīng)用開始普及。在此之前，數(shù)字電源需要使用價(jià)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(guān)電源控制會(huì)造成指標(biāo)過剩、資源浪費(fèi)，這導(dǎo)致采用DSP控制的數(shù)字電源只應(yīng)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(shù)字電源的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)展。

第二，數(shù)字電源主要用于輸出功率100W以上，開關(guān)頻率1MHz以下的領(lǐng)域，該領(lǐng)域涉及范圍十分廣泛。數(shù)字電源的DSP微控制器自身耗電量比較高，大約會(huì)耗費(fèi)200mW左右的電力，因此對(duì)輸出功率較小的電源并不適用。實(shí)踐證明，數(shù)字電源對(duì)于輸出功率為50W-100W以上的電源比較適用;從開關(guān)頻率上看，數(shù)字電源對(duì)于頻率在1MHz以下的電源比較適用。數(shù)字電源的輸出電流和輸出電壓的監(jiān)測通過DSP微控制器的A-D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)利用軟件控制電流和電壓的穩(wěn)定性。這樣做不同于模擬控制利用誤差放大器連續(xù)監(jiān)測輸出電壓與目標(biāo)電壓，數(shù)字控制會(huì)發(fā)生特有的工作延時(shí)，如會(huì)存在大約1μs的A-D轉(zhuǎn)換時(shí)間及利用軟件計(jì)算操作的演算時(shí)間。另外數(shù)字電源是利用專用邏輯的電路硬件來執(zhí)行PI控制，可以支持高于1MHz的開關(guān)頻率。

四、智能化數(shù)字電源發(fā)展面臨的問題

（一）智能化數(shù)字電源的優(yōu)勢

智能化數(shù)字電源克服了現(xiàn)代電源的復(fù)雜性，它實(shí)現(xiàn)了模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的融合，提供了超強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，同時(shí)具備直接檢測能力、處理并適應(yīng)系統(tǒng)條件的能力，幾乎能夠滿足所有電源的要求。通過遠(yuǎn)程診斷，數(shù)字電源可以確保系統(tǒng)持續(xù)可靠性、實(shí)現(xiàn)故障管理、自動(dòng)冗余、過電流（壓）保護(hù)等功能。智能化數(shù)字電源的集成度很高、功能很強(qiáng)，但是其系統(tǒng)的復(fù)雜性卻沒有增加，外圍器件使用較少，簡化了設(shè)計(jì)流程及制造工藝流程，縮小了砧板面積。另外數(shù)字電源的自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)診斷能力使得調(diào)試維護(hù)工作變得簡單輕松。

智能化數(shù)字電源的管理芯片可以很容易的在多相及同步信號(hào)下進(jìn)行多相并聯(lián)應(yīng)用，具有擴(kuò)展性與重復(fù)性優(yōu)勢，可減少EMI，輕松實(shí)現(xiàn)負(fù)載均流，簡化了濾波電路設(shè)計(jì)。數(shù)字控制具有的靈活性，可以將電源按照需求靈活地進(jìn)行串并聯(lián)，形成虛擬電源。數(shù)字電源的智能化優(yōu)勢，可以保證各種負(fù)載點(diǎn)系統(tǒng)和輸入電壓具備最優(yōu)功率轉(zhuǎn)換效率。

數(shù)字電源技術(shù)的優(yōu)勢還包括可以在線編程、具備更先進(jìn)的控制算法、具備較高的可靠性能以及優(yōu)秀的系統(tǒng)管理及互聯(lián)功能。與模擬電源不同，數(shù)字電源不存在誤差、老化、補(bǔ)償、漂移等問題，也很少受到溫度的干擾，其可靠性高、無需調(diào)諧，可以獲得穩(wěn)定的控制參數(shù)。數(shù)字電源特有的運(yùn)算特性，使其能夠更容易地實(shí)現(xiàn)多環(huán)路控制及非線性控制等高級(jí)控制算法，只要更新固件就能實(shí)現(xiàn)新的控制算法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且無需更換板卡上的元器件就能更改電源參數(shù)。數(shù)字控制可以實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的重復(fù)使用，通過設(shè)計(jì)固件可滿足系統(tǒng)的獨(dú)特需求，從而減少開發(fā)成本，降低元器件庫存風(fēng)險(xiǎn)，加快產(chǎn)品上市步伐。

（二）智能化數(shù)字電源的不足

智能化數(shù)字電源在具備上述優(yōu)勢的同時(shí)，尚有一些不足需要克服。如模擬控制是瞬時(shí)反應(yīng)信號(hào)狀態(tài)的，而數(shù)字電源需要進(jìn)行采樣、量化處理，以對(duì)負(fù)載變化做出相應(yīng)的反饋，因此數(shù)字電源對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)速度是落后于模擬電源的。盡管數(shù)字控制方法在負(fù)載點(diǎn)系統(tǒng)中有明顯的優(yōu)勢，但是模擬電源在帶寬、分辨率、功耗、開關(guān)頻率、與功率元件電壓的兼容性及成本方面都具有一定優(yōu)勢。當(dāng)然，如果將數(shù)字電源在解決方案上的優(yōu)點(diǎn)綜合考慮進(jìn)來，使用模擬電路構(gòu)建相似功能的電路，成本也不一定比數(shù)字電源低。

數(shù)字電源涵蓋的技術(shù)比較復(fù)雜，但其智能性要求其使用不能太復(fù)雜。這要求設(shè)計(jì)研發(fā)人員要具備相當(dāng)高的編程能力，而目前電源設(shè)計(jì)人員往往都是以模擬設(shè)計(jì)為主，普遍缺乏編程方面的能力和訓(xùn)練，這是影響數(shù)字電源推廣的一個(gè)障礙。另外，數(shù)字電源尚未經(jīng)過多年的應(yīng)用考驗(yàn)，人們對(duì)其可靠性還存有疑慮，但追根溯源，可靠性問題屬于設(shè)計(jì)上的問題，而非數(shù)字化的問題。

顯然，成本問題是約束數(shù)字電源推廣的主要因素。數(shù)字電源的實(shí)現(xiàn)成本高于模擬電源，加上人們對(duì)數(shù)字電源尚存在使用顧慮，因此，站在用戶角度看，只有當(dāng)數(shù)字電源成本小于等于模擬電源成本，同時(shí)又能夠提供模擬電源無法實(shí)現(xiàn)的功能的時(shí)候，數(shù)字電源才容易被接受。

（三）智能化數(shù)字電源的發(fā)展前景

在可控因素多、復(fù)雜性高以及需要同時(shí)管理多個(gè)電源的系統(tǒng)中，數(shù)字電源具有模擬電源無可比擬的優(yōu)勢。但是由于人們對(duì)數(shù)字技術(shù)認(rèn)識(shí)上的欠缺，加上數(shù)字技術(shù)的復(fù)雜性及成本偏高，導(dǎo)致數(shù)字電源不能快速地被人們所認(rèn)可。但是一旦人們認(rèn)識(shí)到智能化數(shù)字電源所具有的特殊優(yōu)勢，加上數(shù)字控制技術(shù)的不斷完善，數(shù)字電源技術(shù)一定會(huì)被廣泛采用。

五、總結(jié)

智能化數(shù)字電源技術(shù)，在開關(guān)電源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了數(shù)字組件與模擬組件的優(yōu)化組合，提高了電源系統(tǒng)的集成化程度，將數(shù)量種類繁多的元器件整合到一個(gè)或者一組芯片中，充分發(fā)揮了微控制器及數(shù)字信號(hào)處理器的優(yōu)勢，使數(shù)字電源技術(shù)能夠符合現(xiàn)代電源的高技術(shù)指標(biāo)，這都是傳統(tǒng)開關(guān)電源無法企及的。隨著IC制造廠商不斷推出高性能、新規(guī)格的數(shù)字電源產(chǎn)品，加上人們對(duì)數(shù)字電源技術(shù)認(rèn)識(shí)的深入，智能化數(shù)字電源必將得到廣泛普及與推廣。

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