浅析数字电源的开发应用

石启宏

（广州广日电气设备有限公司）

摘要：数字电源系统具有很强的适应性，可以实现较高的转换效率，其设计非常灵活，能满足各种复杂的电源要求，因此数字电源的应用前景十分广阔，对这一领域的应用研究非常重要。本文介绍了数字电源的定义及特点，阐述了数字电源的主要应用领域及应用概况，并提出了其目前存在的优势和不足。随着数字信号处理器（DSP）的发展，数字化电源将是现代电源技术发展的一个重要方向。

关键词：数字电源；设计；应用

引言

进入21世纪以来，开关电源正朝着、数字化的方向发展。新问世的数字电源以其优良特性和完备的监控功能，引起人们的广泛关注。数字电源提供了的适应性与灵活性，具备直接监控、远程故障诊断、故障处理等电源管理功能，能满足复杂的电源要求。数字电源的这些特点使其在现在的诸多领域得到很好的应用，并将继续扩展它的应用范围。因此对数字电源应用的研究十分重要。

一、数字电源的定义

目前对数字电源的定义尚未统一，最简单明了的定义：数字电源是通过数字接口控制开关稳压器的电源，这种说法强调了数字电源所具备的通信功能。在该定义下，数字电源可以通过类似I2C数字总线来控制开关频率、输出电压，一个或者多个数字信号组合可以控制多通道电源的顺序、断电通电顺序等。另一种定义：数字电源是具有数字控制功能的开关电源，这种说法主要强调数字电源所具备的数控功能。在该定义下，数字电源可以通过提供更多的控制功能以达到控制开关电源状态的目的，如温度、输入电压、输入电流、输出电压、输出电流等，可以按照设定的周期定时向主机传输信息。第三种定义：数字电源是指以微控制器或者数字信号处理器为核心，将PWM控制器、数字电源驱动器等作为控制对象，能实现管理、监测和控制功能的电源产品，其设计逻辑是通过设定开关电源内部参数达到改变其外在特征的目的，这是目前比较被认可的一种定义。

二、数字电源的技术特性

数字电源是以数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessing）或微控制器MCU（MicroControlUnit）为核心，将数字电源驱动器、PWM（PulseWidthModulation）控制器等作为控制对象，能实现控制、管理和监测功能的电源产品，能提供管理和监控功能，并延伸到对整个回路的控制。数字电源有用DSP控制的，还有用MCU控制的。相对来讲，DSP控制的电源采用数字滤波方式，较MCU控制的电源更能满足复杂的电源需求、实时反应速度更快、电源稳压性能更好。

数字电源管理DPM（DesignPro-jectManager）是指用数字信息来管理电源系统及其电源的整体运作。有了DPM，就可以利用数字信号实现与电源的通信，可实现对电源系统加电、测序、负载分配和平衡、故障分析、热交换、维护保养及其它任务。数字电源控制器DCP（DigitallyControlledPotentiometers）是指，用数字技术来控制电源单元内部的功率开关功能。从理论上来说，这意味着尽可能早地执行模-数转换，使电源中所有的反馈和控制功能在数字域进行处理。

三、数字电源电路的应用分析

1.应用概况

以数字方式进行电压及电流控制的开关电源，称为“数字控制电源”。不间断电源等大容量电源是10多年前就已普遍使用的技术，而2010年有关这种数字电源的开发活动颇显活跃。比如：村田制作所在直管型LED照明内置电源中采用了基于DSP微控制器的数字控制，该电源被照明厂商ClearSodick用在了LED照明上；TDK-LambdaUK也开发出了该公司首例在标准电源中采用数字控制的产品，并于2010年6月开始了全面量产；新电源工业也在以车载用DC/DC转换器为代表的该公司大部分开关电源中导入了基于软件方式的数字控制。与任何新技术的推广周期一样，数字电源的影响最先会出现在利润丰厚的高端市场，然后逐渐进入主流市场。

数字软件技术开始在曾是模拟技术的领域上广泛普及。LED照明、车载电源及产业设备等领域纷纷开始导入数字控制型电源。通过添加通信功能或者将控制方式改变为动态控制等方法，在提高电源效率、缩小产品尺寸以及缩短开发时间等方面发挥了效果。另外，长期以来制约DSP发展的高成本问题，也随着价格与通用微控制器一样的低价产品的问世而逐渐得到解决。

电源的数字控制有助于实现AC-DC电源和DC-DC转换器等的小型化及高效率化，大约5年前开始受到关注。这种“数字电源”的应用范围在最近一年来悄然扩大。

2.应用领域

（1）低价位DSP的亮相成为契机

数字电源的应用范围能够扩大的最主要原因是，单价只有8元左右至几十元人民币的电源控制IC的出现，并用于数字电源的产品中。数字电源控制IC的成本下降到了可与不足几十元人民币的模拟电源控制IC相匹敌的程度。美国微芯科技（MicrochipTechnology）、美国德州仪器（TI）以及新日本无线等半导体厂商从2008年前后相继推出了数字电源专用的低价位控制IC。近来，大部分数字电源产品采用的都是这些企业的IC。

在输出功率为100W以上、开关频率为1MHz以下的领域，采用DSP微控制器的数字控制电源开始普及。以前，构成数字电源需要采用单价高达几百至数百元人民币的高性能DSP作为控制IC使用。这些IC的工作频率为100MHz以上，耗电量仅DSP就将近1W，用于通常的开关电源的控制则指标过剩，这是采用DSP的数字电源只在UPS等超过1kW的大型装置上才使用的主要原因。不过，应部分先进电源厂商的要求，微芯科技和TI推出了配备数字电源所需功能，与通用微控制器价格一样便宜的DSP，即“DSP微控制器”。将几百元人民币的DSP成本大幅降到几十元以下，基本解决了数字电源的最大瓶颈——控制IC成本高的问题。

（2）以1MHz以下、100W以上的电源为对象

数字电源的DSP微控制器自身就会消耗200mW左右的电力。因此，不太适合输出功率较小的电源。因为必须顾及因DSP微控制器的电力而导致的效率降低，综合电源技术人员的意见来看，目前，输出功率为50～100W以上的电源为最佳对象。

从开关频率方面来看，频率大约在1MHz以下的电源为最佳应用对象。在数字电源中，经由DSP微控制器上的A-D转换器监测输出电压和输出电流，并利用软件控制电压和电流的稳定性。理由是，与利用运算放大器（误差放大器）连续检测输出电压和目标电压之差的模拟控制不同，数字控制会发生1μs左右的A-D转换时间、以及利用软件计算操作量的演算时间等数字控制特有的延迟。

在数字电源中，利用基于专用逻辑电路的硬件而非基于DSP的软件来执行PI控制等控制演算时，可以支持超过1MHz的开关频率。原因是，该方式在将输出电压等进行A-D转换之前均与DSP方式相同，由于利用硬件的数字演算器实施PI控制，因此这部分的演算时间与DSP方式相比能够缩短。

结束语

数字电源技术，在开关电源领域实现了数字组件与模拟组件的优化组合，提高了电源系统的集成化程度，将数量种类繁多的元器件整合到一个或者一组芯片中，充分发挥了微控制器及数字信号处理器的优势，使数字电源技术能够符合现代电源的高技术指标，这都是传统开关电源无法企及的。随着IC制造厂商不断推出高性能、新规格的数字电源产品，加上人们对数字电源技术认识的深入，数字电源必将得到广泛普及与推广。

参考文献：

[1]刘秀芬，王焕云，孟昭勇.基于DSP的逆变电源数字控制技术[J].电源技术，2016.

[2]徐小涛.数字电源技术及其应用[M].人民邮电出版社，2015.

[3]万超，谢德浩，龙鹏，薛家祥.基于DSP的多功能数字化电源研究[J].科学技术与工程，2016.