數(shù)字電源技術及應用

近年來，數(shù)字控制技術在電源中得到迅速的發(fā)展，各種在模擬電路中難以實現(xiàn)的現(xiàn)代控制方法開始應用于電源的控制中。隨著數(shù)字信號處理器DSP的發(fā)展，使數(shù)字式的開關電源能達到較高的開關頻率。相對模擬系統(tǒng)而言，數(shù)字系統(tǒng)在開關電源中具有設計周期短、靈活多變、易實現(xiàn)模塊化管理、能夠消除由離散元件引起的不穩(wěn)定和電磁干擾等優(yōu)點。因此，數(shù)字電源在高精度電源中的應用越來越廣泛，成為現(xiàn)代電源技術發(fā)展的一個重要方向。

一、數(shù)字電源的定義和特點

(一)數(shù)字電源的定義

目前，數(shù)字電源有多種定義。

定義一：通過數(shù)字接口控制的開關電源(它強調的是數(shù)字電源的“通信”功能)。

定義二：具有數(shù)字控制功能的開關電源(它強調的是數(shù)字電源的“數(shù)控”功能)。

定義三：具有數(shù)字監(jiān)測功能的開關電源(它強調的是數(shù)字電源對溫度等參數(shù)的“監(jiān)測”功能)。

上述三種定義的共同特點是“模擬開關電源的改造升級”，所強調的是“電源控制”，其控制對象主要是開關電源的外特性。

定義四：以數(shù)字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心，將數(shù)字電源驅動器、PWM控制器等作為控制對象，能實現(xiàn)控制、管理和監(jiān)測功能的電源產(chǎn)品。它是通過設定開關電源的內部參數(shù)來改變其外在特性，并在“電源控制”的基礎上增加了“電源管理”。所謂電源管理是指將電源有效地分配給系統(tǒng)的不同組件，最大限度地降低損耗。數(shù)字電源的管理(如電源排序)必須全部采用數(shù)字技術。

與傳統(tǒng)的模擬電源相比，數(shù)字電源的主要區(qū)別是控制與通信部分。在簡單易用、參數(shù)變更要求不多的應用場合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應用的針對性可以通過硬件固化來實現(xiàn)，而在可控因素較多、實時反應速度更快、需要多個模擬系統(tǒng)電源管理的、復雜的高性能系統(tǒng)應用中，數(shù)字電源則具有優(yōu)勢。

此外，在復雜的多系統(tǒng)業(yè)務中，相對模擬電源，數(shù)字電源是通過軟件編程來實現(xiàn)多方面的應用，其具備的可擴展性與重復使用性使用戶可以方便更改工作參數(shù)，優(yōu)化電源系統(tǒng)。通過實時過電流保護與管理，它還可以減少外圍器件的數(shù)量。

數(shù)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(shù)字濾波方式，較MCU控制的電源更能滿足復雜的電源需求，而且實時反應速度更快、電源穩(wěn)壓性能更好。

(二)數(shù)字電源的特點

1.控制智能化

它是以數(shù)字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)為核心，將數(shù)字電源驅動器及PWM控制器作為控制對象而構成的智能化開關電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的由微控制器控制的開關電源，一般只是控制電源的啟動和關斷，并非真正意義的數(shù)字電源。

2.數(shù)模組件組合優(yōu)化

采用“整合數(shù)字電源”(Fusion Digital Power)技術，實現(xiàn)了開關電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。例如，功率級所用的模擬組件MOSFET驅動器，可以很方便地與數(shù)字電源控制器相連并實現(xiàn)各種保護及偏置電源管理，而PWM控制器也屬于數(shù)控模擬芯片。

3.集成度高

實現(xiàn)了電源系統(tǒng)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。

4.控制精度高

能充分發(fā)揮數(shù)字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢，使所設計的數(shù)字電源達到高技術指標。例如，其脈寬調制(PWM)分辨力可達150ps(10~12s)的水平，這是傳統(tǒng)開關電源所望塵莫及的。數(shù)字電源還能實現(xiàn)多相位控制、非線性控制、負載均流以及故障預測等功能，為研制綠色節(jié)能型開關電源提供了便利條件。

5.模塊化程度高

數(shù)字電源模塊化程度高，各模塊之間可以方便地實現(xiàn)有機融合，便于構成分布式數(shù)字電源系統(tǒng)，提高電源系統(tǒng)的可靠性。