智能化數(shù)字電源的應用及其發(fā)展前景

樊兆寶，王京亮

（貴州梅嶺電源有限公司，貴州 遵義 563003）

0 引 言

隨著我國電子電路技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)電源逐漸朝著智能化方向發(fā)展。智能化數(shù)字電源具有優(yōu)異的監(jiān)控功能，能夠結(jié)合實際應用需求靈活調(diào)整，適應性和智能性較強，應用前景十分廣闊。

1 智能化數(shù)字電源的發(fā)展

隨著我國科學技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源逐漸朝著智能化方向推進，數(shù)字化技術(shù)與電源領(lǐng)域之間的融合創(chuàng)新出許多智能化、數(shù)字化產(chǎn)品。數(shù)字電源本身具備較好的監(jiān)控性能，能夠為使用者提供更多的智能服務，提高設備的可操作性。例如，當智能化數(shù)字電源中的遠程故障診斷系統(tǒng)探測到設備出現(xiàn)故障時，無需維修人員親自進場處理，通過遠程故障診斷技術(shù)便可以實時分析故障問題并對其進行處理。相較于傳統(tǒng)電源，智能化數(shù)字電源在管理方面具有諸多優(yōu)勢，既能夠滿足不同使用環(huán)境的需求，又能夠極大程度地提高電流保護效率，有效降低設備故障停機的概率[1]。

智能化數(shù)字電源主要包括微控制器和數(shù)字信息處理器，能夠結(jié)合電源實際運行狀況進行實時監(jiān)測，并對其進行實時分析和自動化控制。智能化數(shù)字電源通過微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）實現(xiàn)自動化控制，具有較高的靈敏度，能夠有效確保電源的穩(wěn)定性，并滿足不同復雜情況下的電源需求[2]。

從性能角度來看，智能化數(shù)字電源技術(shù)具有較高的集成度，能夠?qū)⒋罅糠蛛x的元器件組合到一起。通過模擬組件的方式能夠有效實現(xiàn)數(shù)字電源的實時管理，并且還能保護偏置電源。隨著時代的發(fā)展，智能化數(shù)字電源將會逐漸取代傳統(tǒng)模擬電源[3]。

2 智能化數(shù)字電源的特點

智能化數(shù)字電源是以微控制器為核心、以脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制器為對象的智能化開關(guān)電源系統(tǒng)。雖然傳統(tǒng)開關(guān)電源也是由微控制器進行控制，但是這種控制方式十分單一，只能實現(xiàn)控制電源的開與關(guān)。而智能化數(shù)字電源能夠滿足多種使用需求，實現(xiàn)智能化控制[4]。智能化數(shù)字電源既能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)電源的全部功能，也能夠發(fā)揮模擬組件的特點，例如應用金屬氧化層半導體場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)偏置電源的管理。

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)角度來看，智能化數(shù)字電源由分立式電子元器件整合而成，包含眾多芯片，充分體現(xiàn)出電源系統(tǒng)的高集成化特性[5]。智能化數(shù)字電源能夠充分發(fā)揮數(shù)字信號處理器的優(yōu)勢，滿足特定環(huán)境下的技術(shù)指標要求。此外，利用智能化數(shù)字電源還能夠?qū)崿F(xiàn)多相位控制、負載均流等功能，不僅能夠滿足使用需求，而且還能極大地提高工作效率[6]。通過各模塊的有機融合形成分布式數(shù)字電源系統(tǒng)，極大地提高了數(shù)字電源系統(tǒng)的可靠性[7]。

數(shù)字電源數(shù)字信息可由光盤或磁盤保存，能夠?qū)崿F(xiàn)較長時間的數(shù)據(jù)保存。此外，數(shù)字電源具有較強的靈活性，可以實時更改相應參數(shù)，而不用添加電路元器件。不同溫度環(huán)境中，模擬電源輸出電壓的值有所不同，而數(shù)字電源對于外界環(huán)境溫度敏感較低，不存在模擬電源電壓漂移問題。相較于模擬電源，數(shù)字電源還具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，技術(shù)人員通過程序編寫的方式可以精準控制開關(guān)管導通與關(guān)斷的時間，進而達到同步整流效果，減少開關(guān)管的開關(guān)消耗。

在物料成本方面，數(shù)字電源相對較高，模擬電源的物料成本較低；在溫度漂移方面，數(shù)字電源對于外界溫度敏感度較小，而模擬電源對于溫度敏感程度較大；在集成度方面，數(shù)字電源具有較高的集成度，而模擬電源的集成度較低。

通過模擬技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的融合，極大地提高了智能化數(shù)字電源的適應性，能夠結(jié)合實際使用狀況靈活處理各種系統(tǒng)。此外，通過遠程診斷系統(tǒng)可以確保系統(tǒng)的安全可靠運行。隨著工藝的不斷變更，自動調(diào)節(jié)技術(shù)、自動診斷技術(shù)使得各項調(diào)試維護工作變得越來越輕松。智能化數(shù)字電源管理芯片可以實現(xiàn)同步信號下的并聯(lián)應用，能夠減少電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI），實現(xiàn)負載均流。數(shù)字控制具有較強的靈活性，能夠結(jié)合實際需求形成虛擬電源，確保負載系統(tǒng)處于最佳的功率轉(zhuǎn)換狀態(tài)。相比于傳統(tǒng)模擬電源存在數(shù)據(jù)誤差或者設備老化的現(xiàn)象，數(shù)字化電源對于外界溫度環(huán)境的需求不高，較為穩(wěn)定。此外，數(shù)字電源還有其特有的運算特性，技術(shù)人員通過更新固件的方式就能夠調(diào)整拓撲結(jié)構(gòu)、改變電源參數(shù)。

3 智能化數(shù)字電源應用分析

不同于模擬電源，智能化數(shù)字電源可以與大頻率高壓變頻器結(jié)合，利用數(shù)字元器件進行在線調(diào)整，確保電源具有實時變換的動態(tài)特性[8]。從市場需求角度來看，當前我國智能化數(shù)字電源填補了模擬電源領(lǐng)域的空白，例如數(shù)字器件控制電源內(nèi)部參數(shù)能夠結(jié)合實際情況進行靈活調(diào)整等。通過應用智能化數(shù)字電源能夠使遠程控制方式更加多樣化，實現(xiàn)對電源和電流控制開關(guān)的智能控制[9]。

近年來，智能數(shù)字電源被各國學者不斷優(yōu)化，例如有學者利用數(shù)字信號處理（Digital Singnal Processor，DSP）控制器對電源進行控制，并將其應用到車載轉(zhuǎn)換器上進行實驗。數(shù)字電源最初在高端產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)展，隨后才在主流市場領(lǐng)域滲透。此外，設計人員還結(jié)合智能化數(shù)字電源的特性為其配備了通信功能，以此實現(xiàn)動態(tài)可靠控制[10]。隨著DSP低價產(chǎn)品進入市場，有效解決了智能化數(shù)字電源成本過高的問題。電源控制IC在數(shù)字電源產(chǎn)品中的應用使得該設備的造價與模擬電源持平，有效拓寬電源控制的應用渠道。技術(shù)的發(fā)展推動產(chǎn)品的更新迭代，有效解決因自身經(jīng)濟實力不足而難以達到預期需求的問題。數(shù)字電源DSP消耗的電能約為200 MW，倘若電源輸出功率較少，將難以適用。從開關(guān)頻率角度來看，智能化數(shù)字電源能夠?qū)﹄妷汉洼敵鲭娏鬟M行監(jiān)測，并且還能夠利用智能控件進行控制，以此消除數(shù)字控制延遲。

隨著我國半導體行業(yè)和集成電路行業(yè)的發(fā)展，數(shù)字控制器（Digital Motion Control，DMC）的尺寸越來越小，其工作效率不斷提升。通過軟件編程，技術(shù)人員可以實現(xiàn)各種數(shù)字電源的應用功能，其靈活性和可操作性為用戶提供了較大的操作空間，能夠根據(jù)實際需求調(diào)整電路參數(shù)。相較于傳統(tǒng)模擬開關(guān)電路，數(shù)字電源的核心控制部分大大簡化，并且具備可編程性等功能特性。

在數(shù)字電源實際應用過程中，其安全性、可靠性是技術(shù)人員需要重點考慮的問題，必須保障智能化數(shù)字電源應用安全可靠，從而充分發(fā)揮其真正作用。例如，在智能化數(shù)字開關(guān)電源設計過程中，技術(shù)人員可以利用變壓器滿足電氣隔離需求。由于變壓器分為工頻變壓器和高頻變壓器，因此技術(shù)人員還需要結(jié)合不同的變壓器類型進行靈活應用。

4 智能化數(shù)字電源發(fā)展面臨的問題與前景

雖然智能化數(shù)字電源具備眾多優(yōu)勢，但也存在一定的問題。模擬控制能對信號狀態(tài)進行瞬時響應，技術(shù)人員要想對其采樣處理，則需要根據(jù)負載變化做出相應反饋，而智能化數(shù)字電源對于負載變化的反饋速率要低于模擬電源。智能化數(shù)字電源本身較為復雜，技術(shù)人員自身需要具備強大的編程能力，能夠結(jié)合實際需求對其綜合分析。原有電源設計主要以模擬設計為主，大多數(shù)企業(yè)無法有效發(fā)揮智能化數(shù)字電源的作用，從而制約智能化數(shù)字電源的發(fā)展。此外，數(shù)字電源在我國市場流通的時間有限，人們難以從多個維度分析其可靠性。從用戶角度來看，數(shù)字電源雖然得到廣泛發(fā)展，但目前數(shù)字電源的成本要比模擬電源高。只有在數(shù)字電源成本低于模擬電源成本且能提供模擬電源所不具備的功能時，用戶群體才會將數(shù)字電源作為優(yōu)先選擇。

由于智能化電源的DSP電能消耗較多，因此它并不適用于輸出功率較小的電源。隨著時代的發(fā)展，電源設計需要結(jié)合當前我國市場需求，不斷優(yōu)化原有DSP微控制器，以此提高效率，確保能夠滿足元器件對電壓和電流穩(wěn)定性的要求，并且能夠?qū)ζ溥M行實時監(jiān)控。

5 結(jié) 論

綜上所述，隨著我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)模擬技術(shù)已經(jīng)不能滿足新的市場需求。智能化數(shù)字電源的興起使得我國電源系統(tǒng)朝著集成化、智能化方向發(fā)展，通過將微控制器與數(shù)字信號處理器進行融合充分發(fā)揮其有效作用，為通信電源領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展提供保障，未來需要進一步深入普及與應用。