LED照明開始導(dǎo)入數(shù)字電源技術(shù) 縮小體積及延長壽命

　　數(shù)字軟件技術(shù)開始在此前曾是模擬技術(shù)一統(tǒng)天下的開關(guān)電源上廣泛普及。LED照明、車載電源及產(chǎn)業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域也紛紛開始導(dǎo)入數(shù)字控制型電源。通過添加通信功能或者將控制方式改變?yōu)閯討B(tài)控制等方法，在提高電源效率、縮小產(chǎn)品尺寸以及縮短開發(fā)時間等方面發(fā)揮了效果。長期以來一直是DSP課題的高成本問題，也隨著價格與通用微控制器一樣的低價產(chǎn)品問世而逐漸得到解決。

　　電源的數(shù)字控制有助于實現(xiàn)AC-DC電源和DC-DC轉(zhuǎn)換器等的小型化及高效率化，大約5年前開始受到關(guān)注。這種“數(shù)字電源”的應(yīng)用范圍在最近一年來悄然擴大。

　　以前，數(shù)字電源只是導(dǎo)入于無停電電源裝置（UPS）、通信產(chǎn)品、服務(wù)器以及太陽能電池用功率調(diào)節(jié)器等基礎(chǔ)設(shè)施的部分產(chǎn)品中。但最近，LED照明器具、汽車、產(chǎn)業(yè)設(shè)備乃至部分消費類產(chǎn)品也開始采用數(shù)字電源（圖1）。

　　低價位DSP的亮相成為契機

　　數(shù)字電源的應(yīng)用范圍能夠擴大的最主要原因是，單價只有100多日元～數(shù)百日元的電源控制IC出現(xiàn)了用于數(shù)字電源的產(chǎn)品。數(shù)字電源控制IC的成本下降到了可與不足100日元的模擬電源控制IC相匹敵的程度。美國微芯科技（Microchip Technology）、美國德州儀器（TI）以及新日本無線等半導(dǎo)體廠商從2008年前后相繼推出了數(shù)字電源專用的低價位控制IC。近來，大部分數(shù)字電源產(chǎn)品采用的都是這些企業(yè)的IC。

圖1：數(shù)字控制電源的應(yīng)用領(lǐng)域

　　在輸出功率為100W以上、開關(guān)頻率為1MHz以下的領(lǐng)域，采用DSP微控制器的數(shù)字控制電源開始普及。

　　以前，構(gòu)成數(shù)字電源需要采用單價高達1000～數(shù)千日元的高性能DSP作為控制IC使用。這些IC的工作頻率為100MHz以上，耗電量僅DSP就將近1W，用于通常的開關(guān)電源的控制則指標(biāo)過剩。這是采用DSP的數(shù)字電源只在UPS等超過1kW的大型裝置上才使用的主要原因。

　　不過，應(yīng)部分先進電源廠商的要求，微芯科技和TI推出了配備數(shù)字電源所需功能，與通用微控制器價格一樣便宜的DSP，也即“DSP微控制器”(1)。通過將1000日元以上的DSP成本大幅降到數(shù)百日元以下，基本解決了數(shù)字電源的最大瓶頸——控制IC成本高的問題。

(1)DSP微控制器＝在普通的通用微控制器中融合DSP要素形成的產(chǎn)品。特點是通過硬件執(zhí)行哈佛架構(gòu)（Harvard Architecture）及循環(huán)控制功能等的。大約從10年前開始，日本國內(nèi)外的半導(dǎo)體廠商就開始投放DSP微控制器。

圖2：導(dǎo)入數(shù)字電源的好處

　　在電源的性能、開發(fā)以及運用等領(lǐng)域有很多好處，例如，縮小產(chǎn)品尺寸、削減部件數(shù)量以及通過導(dǎo)入高度控制提高效率等。

　　電源實現(xiàn)“智能化”

　導(dǎo)入數(shù)字控制后，與目前的普通模擬控制電源相比，尺寸可縮小30％左右、部件數(shù)量削減20％左右、效率提高2～5％（圖2），開關(guān)電源的基本性能得以提高。由于數(shù)字電源用控制IC的價格已經(jīng)能夠讓人接受，所以今后應(yīng)用范圍有可能擴大到AC-DC電源、絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器以及非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器等廣泛領(lǐng)域的開關(guān)電源中?！懊磕甓颊f數(shù)字電源‘今年會普及’，2010年才真正采用的產(chǎn)品多起來了”（日本TI營業(yè)技術(shù)本部、市場及應(yīng)用技術(shù)統(tǒng)括部設(shè)計服務(wù)經(jīng)理財津俊行）。

　　據(jù)美國功率電子產(chǎn)品相關(guān)調(diào)查公司Darnell Group預(yù)測，2014年數(shù)字電源IC供貨量將擴大至目前2.5倍的123億個，按供貨金額換算將保持年均近30％的增長率。另外，可優(yōu)化家庭內(nèi)部能源利用效率的智能住宅（Smart House）等受到關(guān)注，也將加速數(shù)字電源的普及。通過在此前一直是模擬技術(shù)一統(tǒng)天下的電源上安裝軟件和通信功能，可以根據(jù)用途的不同實現(xiàn)“智能化”的數(shù)字電源所具有的巨大可能性。

　　以1MHz以下、100W以上的電源為對象

　　雖然數(shù)字控制已經(jīng)容易導(dǎo)入，但并不是說可以應(yīng)用于任意電源，在電力和開關(guān)頻率方面還是有限制的。

　　數(shù)字電源的DSP微控制器自身就會消耗200mW左右的電力。因此，不太適合輸出功率較小的電源。因為無法不顧及因DSP微控制器的電力而導(dǎo)致的效率降低。綜合電源技術(shù)人員的意見來看，目前，輸出功率為50～100W以上的電源為最佳對象。

　　除此之外，成本限制也非常嚴格，在很難發(fā)現(xiàn)數(shù)字電源多功能性（如配備通信功能等）價值的數(shù)字家電用電源方面，“數(shù)字電源的導(dǎo)入尚需時日”（從事液晶電視等消費類產(chǎn)品用電源業(yè)務(wù)的三墾電氣）。

　　從開關(guān)頻率方面來看，頻率大約在1MHz以下的電源為最佳應(yīng)用對象（圖1）。在數(shù)字電源中，經(jīng)由DSP微控制器上的A-D轉(zhuǎn)換器監(jiān)測輸出電壓和輸出電流，利用軟件控制電壓和電流的穩(wěn)定性。理由是，與利用運算放大器（誤差放大器）連續(xù)檢測輸出電壓和目標(biāo)電壓之差的模擬控制不同，數(shù)字控制會發(fā)生1μs左右的A-D轉(zhuǎn)換時間、以及利用軟件計算操作量的演算時間等數(shù)字控制特有的延遲。

圖3：通過采用軟件控制保護電路等，實現(xiàn)了小型化

　　TDK Lambda將過電流保護電路等模擬電路改用基于DSP微控制器的軟件進行控制。在輸出功率為300W的AC-DC電源中，與采用模擬控制相比，實現(xiàn)了約30％的小型化。照片由TDK Lambda提供。

　　小功率非絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器方面要求徹底實現(xiàn)小型化，例如電池驅(qū)動的便攜產(chǎn)品用DC-DC轉(zhuǎn)換器等，因此，開關(guān)頻率為2M～8MHz。目前，該領(lǐng)域的電源很難采用基于DSP微控制器的數(shù)字控制。

　　不過，在數(shù)字電源中，利用基于專用邏輯電路的硬件而非基于DSP的軟件來執(zhí)行PI控制等控制演算時，可以支持超過1MHz的開關(guān)頻率（圖1）。原因是，該方式在將輸出電壓等進行A-D轉(zhuǎn)換之前均與DSP方式相同，由于利用硬件的數(shù)字演算器實施PI控制，因此這部分的演算時間與DSP方式相比能夠縮短。

　　利用專用邏輯電路的數(shù)字控制，在使PI控制的參數(shù)變更變得更加容易，以及支持多相構(gòu)成等用途方面比模擬控制更有用(2)。但其控制方式受限，不像DSP方式那樣靈活。在日本經(jīng)營專用邏輯電路方式數(shù)字控制IC的代理店表示“幾乎沒有交易量”。如今，數(shù)字電源發(fā)生了變化，可以說今后用途有望擴大的是DSP方式。

(2)該方式在POL轉(zhuǎn)換器、尤其是在面向個人電腦微處理器的VRM（voltageregulator module）等上已經(jīng)實現(xiàn)了實用化。美國Intersil公司（該公司收購的Zilker Labs公司的產(chǎn)品）、美國芯科實驗室（Silicon Laboratories）、德國英飛凌（該公司收購的Primarion公司的產(chǎn)品）、美國模擬器件以及美國CHiL Semiconductor等在從事該業(yè)務(wù)。

　　數(shù)字控制一決高低之處

　　在開關(guān)電源中導(dǎo)入基于DSP微控制器的數(shù)字控制的好處非常多（圖2）。比較顯著的特點是可提高效率等電源的基本性能，除此之外，回顧最近的事例，先行實現(xiàn)數(shù)字電源實用化的電源廠商除了在電源的基本性能方面以外，在開發(fā)方面、制造方面以及運用方面等均切實感受到了數(shù)字電源的諸多好處。

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