總參謀部通信訓(xùn)練基地教研部實(shí)驗(yàn)室 孔維成 李 悅 袁 賽 楊海明

智能化數(shù)字電源的應(yīng)用與發(fā)展研究

總參謀部通信訓(xùn)練基地教研部實(shí)驗(yàn)室 孔維成 李 悅 袁 賽 楊海明

數(shù)字電源以其高性能和高可靠性的特點(diǎn)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、航空航天及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。文章介紹了數(shù)字電源具有電源管理功能完善、能面向用戶設(shè)計(jì)等顯著優(yōu)點(diǎn)。對(duì)當(dāng)今數(shù)字電源的技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行了分析，闡述了數(shù)字電源技術(shù)在未來(lái)各領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。

數(shù)字電源；智能化；設(shè)計(jì)；應(yīng)用；發(fā)展

1.引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，開關(guān)電源正朝著智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。新問世的數(shù)字電源以其優(yōu)良特性和完備的監(jiān)控功能，引起人們的廣泛關(guān)注。數(shù)字電源提供了智能化的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)控、遠(yuǎn)程故障診斷、故障處理等電源管理功能，能滿足復(fù)雜的電源要求。數(shù)字電源的這些特點(diǎn)使其在現(xiàn)在的諸多領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用，并將繼續(xù)擴(kuò)展它的應(yīng)用范圍。因此對(duì)數(shù)字電源應(yīng)用的研究十分重要。

2.數(shù)字電源的技術(shù)特性

數(shù)字電源是以數(shù)字信號(hào)處理器DSP（Digital Signal Processing）或微控制器MCU（Micro Control Unit）為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器、PWM（Pulse Width Modulation）控制器等作為控制對(duì)象，能實(shí)現(xiàn)控制、管理和監(jiān)測(cè)功能的電源產(chǎn)品，能提供管理和監(jiān)控功能，并延伸到對(duì)整個(gè)回路的控制。數(shù)字電源有用DSP控制的，還有用MCU控制的。相對(duì)來(lái)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、實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快、電源穩(wěn)壓性能更好。

數(shù)字電源管理DPM（Design Pro-ject Manager）是指用數(shù)字信息來(lái)管理電源系統(tǒng)及其電源的整體運(yùn)作。有了DPM，就可以利用數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)與電源的通信，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)加電、測(cè)序、負(fù)載分配和平衡、故障分析、熱交換、維護(hù)保養(yǎng)及其它任務(wù)。數(shù)字電源控制器DCP（Digitally Controlled Potentiometers）是指，用數(shù)字技術(shù)來(lái)控制電源單元內(nèi)部的功率開關(guān)功能。從理論上來(lái)說(shuō)，這意味著盡可能早地執(zhí)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，使電源中所有的反饋和控制功能在數(shù)字域進(jìn)行處理。

3.數(shù)字電源電路的應(yīng)用

數(shù)字電源存在的需求市場(chǎng)是模擬電源難以實(shí)現(xiàn)的一些區(qū)域，比方說(shuō)，采用SVPWM算法的大功率高壓變頻器。數(shù)字器件控制的電源內(nèi)部參數(shù)可以在線調(diào)整，這就意味著電源的動(dòng)態(tài)特性是可變的，能順應(yīng)負(fù)載在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，同時(shí)還能保證一定的性能。數(shù)字電源的通訊優(yōu)勢(shì)使電源設(shè)備具有多樣化的遠(yuǎn)程控制方式，這會(huì)給設(shè)備的運(yùn)行、監(jiān)測(cè)帶來(lái)很多好處。數(shù)字電源開始慢慢滲透并占領(lǐng)傳統(tǒng)模擬電源的應(yīng)用領(lǐng)域，而且發(fā)展越來(lái)越快。

3.1 數(shù)字電源電路的應(yīng)用情況分析

以數(shù)字方式進(jìn)行電壓及電流控制的開關(guān)電源，稱為“數(shù)字控制電源”。不間斷電源等大容量電源是10多年前就已普遍使用的技術(shù)，而2010年有關(guān)這種數(shù)字電源的開發(fā)活動(dòng)頗顯活躍。比如：村田制作所在直管型LED照明內(nèi)置電源中采用了基于DSP微控制器的數(shù)字控制，該電源被照明廠商Clear Sodick用在了LED照明上；TDK-Lambda UK也開發(fā)出了該公司首例在標(biāo)準(zhǔn)電源中采用數(shù)字控制的產(chǎn)品，并于2010年6月開始了全面量產(chǎn)；新電源工業(yè)也在以車載用DC/DC轉(zhuǎn)換器為代表的該公司大部分開關(guān)電源中導(dǎo)入了基于軟件方式的數(shù)字控制。與任何新技術(shù)的推廣周期一樣，數(shù)字電源的影響最先會(huì)出現(xiàn)在利潤(rùn)豐厚的高端市場(chǎng)，然后逐漸進(jìn)入主流市場(chǎng)。

數(shù)字軟件技術(shù)開始在曾是模擬技術(shù)的領(lǐng)域上廣泛普及。LED照明、車載電源及產(chǎn)業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域紛紛開始導(dǎo)入數(shù)字控制型電源。通過(guò)添加通信功能或者將控制方式改變?yōu)閯?dòng)態(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(shí)間等方面發(fā)揮了效果。另外，長(zhǎng)期以來(lái)制約DSP發(fā)展的高成本問題，也隨著價(jià)格與通用微控制器一樣的低價(jià)產(chǎn)品的問世而逐漸得到解決。

電源的數(shù)字控制有助于實(shí)現(xiàn)ACDC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(lái)悄然擴(kuò)大。

3.2 數(shù)字電源應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展

以前，數(shù)字電源只是導(dǎo)入于無(wú)停電電源裝置（UPS）、通信產(chǎn)品、服務(wù)器、太陽(yáng)能電池以及功率調(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(fèi)類產(chǎn)品也開始采用數(shù)字電源。那么，是什么原因使數(shù)字電源的應(yīng)用領(lǐng)域得到迅速擴(kuò)展呢？

3.2.1 低價(jià)位DSP的亮相成為契機(jī)

數(shù)字電源的應(yīng)用范圍能夠擴(kuò)大的最主要原因是，單價(jià)只有8元左右至幾十元人民幣的電源控制IC的出現(xiàn)，并用于數(shù)字電源的產(chǎn)品中。數(shù)字電源控制IC的成本下降到了可與不足幾十元人民幣的模擬電源控制IC相匹敵的程度。美國(guó)微芯科技（Microchip Technology）、美國(guó)德州儀器（TI）以及新日本無(wú)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(jià)位控制IC。近來(lái)，大部分?jǐn)?shù)字電源產(chǎn)品采用的都是這些企業(yè)的IC。

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(jià)高達(dá)幾百至數(shù)百元人民幣的高性能DSP作為控制IC使用。這些IC的工作頻率為100MHz以上，耗電量?jī)HDSP就將近1W，用于通常的開關(guān)電源的控制則指標(biāo)過(guò)剩，這是采用DSP的數(shù)字電源只在UPS等超過(guò)1kW的大型裝置上才使用的主要原因。不過(guò)，應(yīng)部分先進(jìn)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(jià)格一樣便宜的DSP，即“DSP微控制器”。將幾百元人民幣的DSP成本大幅降到幾十元以下，基本解決了數(shù)字電源的最大瓶頸——控制IC成本高的問題。

3.2.2 以1MHz以下、100W以上的電源為對(duì)象

數(shù)字電源的DSP微控制器自身就會(huì)消耗200mW左右的電力。因此，不太適合輸出功率較小的電源。因?yàn)楸仨氼櫦耙駾SP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(lái)看，目前，輸出功率為50～100W以上的電源為最佳對(duì)象。

從開關(guān)頻率方面來(lái)看，頻率大約在1MHz以下的電源為最佳應(yīng)用對(duì)象。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(cè)輸出電壓和輸出電流，并利用軟件控制電壓和電流的穩(wěn)定性。理由是，與利用運(yùn)算放大器（誤差放大器）連續(xù)檢測(cè)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(huì)發(fā)生1μs左右的A-D轉(zhuǎn)換時(shí)間、以及利用軟件計(jì)算操作量的演算時(shí)間等數(shù)字控制特有的延遲。

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(lái)執(zhí)行PI控制等控制演算時(shí)，可以支持超過(guò)1MHz的開關(guān)頻率。原因是，該方式在將輸出電壓等進(jìn)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(shí)施PI控制，因此這部分的演算時(shí)間與DSP方式相比能夠縮短。

4.結(jié)束語(yǔ)

“整合數(shù)字電源”（Fusion Di-gital Power）技術(shù)，實(shí)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。實(shí)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(gè)芯片或一組芯片中。其次，充分發(fā)揮數(shù)字信號(hào)處理器及微控制器的優(yōu)勢(shì)，使數(shù)字電源的設(shè)計(jì)達(dá)到高技術(shù)指標(biāo)，這是傳統(tǒng)開關(guān)電源所望塵莫及的。隨著IC廠商不斷推出新型號(hào)、性能更好的數(shù)字電源IC產(chǎn)品以及用戶對(duì)數(shù)字電源認(rèn)識(shí)的深入，數(shù)字電源的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步普及。

[1]徐小濤,主編.數(shù)字電源技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2011,03.

[2]Abraham Pressman.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社,2005,09.

[3]楊晉,蔡麗娟.數(shù)字技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用與發(fā)展[J].開關(guān)電源技術(shù),2008(02).

[4]魯莉容,李曉帆,蔣平.DC-DC變換器突加負(fù)載時(shí)動(dòng)態(tài)性能研究[J].通信電源技術(shù),2002(9).

孔維成（1965—），男，河北滄州人，大學(xué)本科，總參謀部通信訓(xùn)練基地教研部實(shí)驗(yàn)室高級(jí)講師。

李悅（1977—），女，江蘇徐州人，大學(xué)本科，總參謀部通信訓(xùn)練基地教研部實(shí)驗(yàn)室講師。

袁賽（1979—），女，河北辛集人，總參謀部通信訓(xùn)練基地教研部實(shí)驗(yàn)室講師。

楊海明（1978—），男，山東菏澤人，碩士，總參謀部通信訓(xùn)練基地教研部實(shí)驗(yàn)室講師。