數(shù)字電源技術(shù)及其應(yīng)用

近年來，數(shù)字控制技術(shù)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(yīng)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(guān)電源能達(dá)到較高的開關(guān)頻率。相對模擬系統(tǒng)而言，數(shù)字系統(tǒng)在開關(guān)電源中具有設(shè)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(yīng)用越來越廣泛，成為現(xiàn)代電源技術(shù)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(guān)電源(它強(qiáng)調(diào)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(guān)電源(它強(qiáng)調(diào)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(guān)電源(它強(qiáng)調(diào)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(guān)電源的改造升級”，所強(qiáng)調(diào)的是“電源控制”，其控制對象主要是開關(guān)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(qū)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(shè)定開關(guān)電源的內(nèi)部參數(shù)來改變其外在特性，并在“電源控制”的基礎(chǔ)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(shù)。

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(yīng)用場合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應(yīng)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(yīng)速度更快、需要多個模擬系統(tǒng)電源管理的、復(fù)雜的高性能系統(tǒng)應(yīng)用中，數(shù)字電源則具有優(yōu)勢。

此外，在復(fù)雜的多系統(tǒng)業(yè)務(wù)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(yīng)用，其具備的可擴(kuò)展性與重復(fù)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(hù)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(fù)雜的電源需求，而且實時反應(yīng)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(qū)動器及PWM控制器作為控制對象而構(gòu)成的智能化開關(guān)電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的由微控制器控制的開關(guān)電源，一般只是控制電源的啟動和關(guān)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(shù)，實現(xiàn)了開關(guān)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(qū)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(hù)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(shè)計的數(shù)字電源達(dá)到高技術(shù)指標(biāo)。例如，其脈寬調(diào)制(PWM)分辨力可達(dá)150ps(10~12s)的水平，這是傳統(tǒng)開關(guān)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(fù)載均流以及故障預(yù)測等功能，為研制綠色節(jié)能型開關(guān)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(jī)融合，便于構(gòu)成分布式數(shù)字電源系統(tǒng)，提高電源系統(tǒng)的可靠性。

二、數(shù)字電源的基本原理

數(shù)字電源的關(guān)鍵是電源管理、控制信號的數(shù)字化處理，其基本要求是：在保障穩(wěn)定性的前提下，具有快速性、平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性。下面以負(fù)載點變換器(POL)為例說明數(shù)字電源控制功能的實現(xiàn)原理和方法。

負(fù)載點變換器(POL)通常用于將直流輸入電壓(一般為5V~12V)調(diào)節(jié)成適用于負(fù)載要求的直流輸出電壓(0.7V~3.3V)。例如，在典型的基于降壓(Buck)開關(guān)變換器的電路中，Buck變換器包含一個脈沖寬度調(diào)制(PWM)主控制芯片，一對主功率開關(guān)和一個由儲能電感和電容構(gòu)成的低通濾波器。在脈沖寬度調(diào)制控制芯片中，一個電阻分壓器對電源的輸出電壓進(jìn)行采樣，誤差放大器將該輸出電壓與直流參考電壓進(jìn)行比較從而產(chǎn)生電壓誤差信號，誤差信號是一個強(qiáng)度與所需的輸出電壓校正成正比的模擬信號。通過具有某種控制規(guī)律的誤差補(bǔ)償器(Compensator)進(jìn)行放大后，其輸出進(jìn)入脈寬調(diào)制器(PWM)，經(jīng)過與載波(通常為鋸齒波或三角波)比較之后產(chǎn)生脈沖波，從而控制功率開關(guān)(通常為MOSFET)的導(dǎo)通與關(guān)斷。由于MOSFET具有較大的輸入門電容，因此驅(qū)動器電路有必要有效率地導(dǎo)通和關(guān)斷它們。另有固定電阻電容網(wǎng)絡(luò)一般會作為補(bǔ)償回路，以確保動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性之間的正常平衡。

電源的兩個其它主要部分是輸入和輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)。這些部分由感應(yīng)器、電容和電阻構(gòu)成，可以提供數(shù)種功能。輸入濾波器有助于保護(hù)電源不受電源電壓瞬態(tài)的影響，在動態(tài)負(fù)載變化過程中提供一些能量存儲，并附帶濾波器網(wǎng)絡(luò)以使電源滿足其輸入引起的發(fā)射規(guī)范。輸出濾波器穩(wěn)定輸出電壓以確保電源滿足其紋波和噪聲規(guī)范，此外還存儲能量以幫助維護(hù)負(fù)載電路的動態(tài)電流要求。重要的是，對于模擬或數(shù)字控制結(jié)構(gòu)而言，輸入和輸出濾波器以及電源器件將基本上保持相同。

在典型的數(shù)字電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，輸出電壓感應(yīng)排列類似于模擬系統(tǒng)。但是，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)代替了模擬系統(tǒng)的誤差放大器，從而將感應(yīng)到的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。除了輸出電壓之外，了解電源的輸出電流和溫度等其它模擬參數(shù)也非常有用。雖然獨立的ADC可以感應(yīng)每個參數(shù)，但是采用單個ADC并在它前面加設(shè)一個多路復(fù)用路往往是更加常用的方法。多路復(fù)用器(MUX)則將在要測量的模擬輸入之間切換，并依次將每個輸入發(fā)送至ADC.

由于MUX和ADC的采樣速率是固定的，因此ADC對每個參數(shù)都輸出一系列數(shù)字，每個數(shù)字由己知的時間段分隔。這些值供給為系統(tǒng)提供處理能力的微控制器?？ㄉ铣绦騼?nèi)存存儲著微控制器的控制算法，這些算法負(fù)責(zé)執(zhí)行一系列有關(guān)ADC的輸出值的計算。這些計算的結(jié)果包括誤差信號、想要的驅(qū)動器級脈寬、各種驅(qū)動器輸出的最佳延遲值以及回路補(bǔ)償?shù)葏?shù)。有了這些參數(shù)，數(shù)字脈寬調(diào)制器(DPWM)就可以通過驅(qū)動后控制外接的功率MOSFET，而電源管理部分也可以通過一定的接口及協(xié)議與外界通信了。模擬系統(tǒng)的外部回路補(bǔ)償元件此時變得不再是必需的。輸出電壓、輸出電流和溫度限制等參數(shù)的參考值在生產(chǎn)期間被保存在非易失性內(nèi)存中，或者可以通過PMBus輸入。在系統(tǒng)啟動時，數(shù)據(jù)會由EEPROM下載到數(shù)據(jù)內(nèi)存中，主芯片據(jù)此控制模塊的工作狀態(tài)。同時，可以通過一定的外部操作來重新讀入EEPROM中的默認(rèn)設(shè)置。