數(shù)字電源技術(shù)及應(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(shí)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(jì)周期短、靈活多變、易實(shí)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(diǎn)。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(gè)重要方向。

一、數(shù)字電源的定義和特點(diǎn)

(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(diǎn)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(dòng)器、PWM控制器等作為控制對象，能實(shí)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?yàn)槠鋺?yīng)用的針對性可以通過硬件固化來實(shí)現(xiàn)，而在可控因素較多、實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快、需要多個(gè)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(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(diǎn)

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(dòng)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(dòng)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(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。例如，功率級所用的模擬組件MOSFET驅(qū)動(dòng)器，可以很方便地與數(shù)字電源控制器相連并實(shí)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(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。

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(jì)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(shí)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(shí)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。[!--empirenews.page--]

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(diǎn)變換器(POL)為例說明數(shù)字電源控制功能的實(shí)現(xiàn)原理和方法。

負(fù)載點(diǎn)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(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)主控制芯片，一對主功率開關(guān)和一個(gè)由儲(chǔ)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(gè)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(gè)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(dòng)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(huì)作為補(bǔ)償回路，以確保動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性之間的正常平衡。

電源的兩個(gè)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(dòng)態(tài)負(fù)載變化過程中提供一些能量存儲(chǔ)，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(chǔ)能量以幫助維護(hù)負(fù)載電路的動(dòng)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(dú)立的ADC可以感應(yīng)每個(gè)參數(shù)，但是采用單個(gè)ADC并在它前面加設(shè)一個(gè)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(gè)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(gè)參數(shù)都輸出一系列數(shù)字，每個(gè)數(shù)字由己知的時(shí)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(chǔ)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(jì)算。這些計(jì)算的結(jié)果包括誤差信號、想要的驅(qū)動(dòng)器級脈寬、各種驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)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(shí)，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。

三、數(shù)字電源的組成結(jié)構(gòu)

圖1為數(shù)字控制的電源系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)包括模擬部分、數(shù)字部分以及模擬數(shù)字的接口電路。模擬部分主要是各種拓?fù)涞淖儞Q電路及負(fù)載電路組成;數(shù)字部分為微處理器芯片及其外設(shè);接口電路包括從模擬部分到數(shù)字部分的采樣網(wǎng)絡(luò)及A/D轉(zhuǎn)換器和從數(shù)字部分到模擬部分的PWM外圍電路、相應(yīng)的門極驅(qū)動(dòng)電路及D/A轉(zhuǎn)換器或I/O外圍電路。

數(shù)字電源可以完成對PWM控制環(huán)路的數(shù)字控制和數(shù)字電源管理與通信任務(wù)。系統(tǒng)可以使用一種或兩種形式的數(shù)字電源。數(shù)字電源的關(guān)鍵數(shù)字器件有數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字電源PWM控制器和數(shù)字信號處理器等。

(一)數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器

目前，數(shù)字控制電源驅(qū)動(dòng)器芯片中比較典型的應(yīng)用有美國德州儀器公司(TI)公司的UCD7100/7201芯片。二者的區(qū)別是：UCD7100為單端輸出，UCD7201為雙端輸出，額定輸出電流均為±4A，可驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)功率管，均可適配UCD9110/9501型數(shù)字控制器。主控制器可監(jiān)控其輸出電流，快速檢測過流故障并迅速關(guān)斷電源，檢測周期僅為25ns.

現(xiàn)以UCD7100為例，該芯片主要包括3.3V電壓調(diào)整器及基準(zhǔn)電壓源、觸發(fā)器、施密特比較器、欠壓關(guān)斷電路、控制門、True Drive驅(qū)動(dòng)器等部分組成。“True Drive”(真驅(qū)動(dòng))為TI公司的專有技術(shù)，它是由并聯(lián)雙極性晶體管和MOSFET管組成上拉/下拉電路構(gòu)成的混合輸出級。其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，在低電壓時(shí)也能正常輸出，并能在極低輸出阻抗下控制外部功率MOSFET的過壓、欠壓保護(hù)，功率MOSFET不需要接起保護(hù)作用的肖特基鉗位二極管。 UCD7100能在幾百FIS的時(shí)間內(nèi)給MOSFET的柵極提供一個(gè)高峰值電流，快速開啟驅(qū)動(dòng)器。UCD7100的高阻抗數(shù)字輸入端(IN)能接收 3.3V邏輯電平、最高開關(guān)頻率達(dá)2MHz的信號。利用施密特比較器能將內(nèi)部電路與外部噪音隔離。若控制器的PWM輸出停在高電平上并發(fā)生過電流故障，電流檢測電路就關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器的輸出，系統(tǒng)可進(jìn)入重試模式。通過DSP或MCU內(nèi)部的看門狗電路，能重新啟動(dòng)片。UCD7100內(nèi)部的3.3V/10mA電壓調(diào)整器可作為數(shù)字控制器的電源。

(二)數(shù)字電源控制器

美國德州儀器公司(TI)公司的UCD8220/8620是受DSP或MCU數(shù)字控制的雙端推挽式PWM控制器。二者區(qū)別是UCD8220可利用48V低壓啟動(dòng)，UCD8620內(nèi)部增加了110V高壓啟動(dòng)電路。UCD8220的內(nèi)部框圖如圖2所示。

該芯片主要包括3.3V電壓調(diào)整器及基準(zhǔn)電壓源、脈寬調(diào)制器(PWM)、驅(qū)動(dòng)邏輯、推挽式驅(qū)動(dòng)器、欠壓關(guān)斷電路、限流電路、電流檢測電路。 UCD8220/8620可運(yùn)行在峰值電流模式或電壓模式，不僅能對極限電流進(jìn)行編程，還輸出一個(gè)能受主控制器監(jiān)控的極限電流數(shù)字標(biāo)志。UCD8220 /8620的時(shí)序T作波形如圖3所示。

(三)數(shù)字信號處理器

目前，專為數(shù)字電源系統(tǒng)配套的數(shù)字信號處理器有美國德州儀器公司(TI)公司的UCD9501、TMS320F2808和TMS320F2806等。它們內(nèi)部主要包含100MHz的32位CPU、時(shí)鐘振蕩器、3個(gè)32位定時(shí)器、看門狗電路、內(nèi)部/外部中斷控制器、SCI總線、SPI總線、CAN總線及 I2C總線接口、12路PWM信號輸出、系統(tǒng)控制器、16通道12位ADC、16K×16Flash、6K×16SARAM、1K×16ROM.它采用標(biāo)準(zhǔn)的3.3V輸入/輸出接口，與UCD8K系列完全兼容，利用Power PADTM HTSSOP和QFN軟件包可進(jìn)行編程。

四、數(shù)字電源發(fā)展面臨的問題

數(shù)字電源已經(jīng)表現(xiàn)出相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，但仍有一些缺點(diǎn)需要克服。例如，模擬控制對信號狀態(tài)的反應(yīng)是瞬時(shí)的，而數(shù)字電源需要一個(gè)采樣、量化和處理的過程來對負(fù)載的變化做出反饋，因此它對負(fù)載變化的響應(yīng)速度目前還比不上模擬電源。數(shù)字電源的占板面積要大于模擬電源，精度和效率也比模擬電源稍差。雖然數(shù)字控制方法的優(yōu)點(diǎn)在負(fù)載點(diǎn)(POL)系統(tǒng)中非常明顯，但模擬電源在分辨率、帶寬、與功率組件的電壓兼容性、功耗、開關(guān)頻率和成本(在簡單應(yīng)用中)等方面仍然占有優(yōu)勢。不過，如果考慮到數(shù)字電源解決方案具有的優(yōu)點(diǎn)，使用模擬電路搭建功能相似的電路，成本并不一定就比數(shù)字電源低。[!--empirenews.page--]

數(shù)字電源中包含的技術(shù)無疑是復(fù)雜的，但它的使用并不一定就復(fù)雜。不過它要求設(shè)計(jì)人員具有一定的程序設(shè)計(jì)能力，而目前的電源設(shè)計(jì)人員普遍都是模擬設(shè)計(jì)為主，缺乏編程方面的訓(xùn)練。這對數(shù)字電源的推廣也造成了一定的障礙。

數(shù)字電源中，A/D轉(zhuǎn)換器的速度和精度成反比。為了保證交換式電源有較高的穩(wěn)壓精度，A/D轉(zhuǎn)換器必需要有比較高精度的取樣，但高精度的取樣頻率需要更長的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間，作為反饋回路的一部分，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間過長必然造成額外的相位延遲時(shí)間。除了和模擬控制存在的相位延遲，轉(zhuǎn)換過程的延遲時(shí)間必然也會(huì)造成額外的等待循環(huán)，造成回路的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力變差。和模擬芯片用RC補(bǔ)償進(jìn)行PI調(diào)節(jié)的方法一樣，在控制回路中用引入PI調(diào)節(jié)的方法以提高控制回路的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力，這種做法需要占用數(shù)字芯片較大的系統(tǒng)資源，因?yàn)閿?shù)字控制和模擬控制不同，信號取樣不是連續(xù)不斷的，而是規(guī)則離散的，兩次取樣之間會(huì)有一段間隔時(shí)間，這段時(shí)間的值是無法取得的。為了要達(dá)到精確的控制，每次取樣之間的時(shí)間間隔不能太長，即取樣頻率不能太低。作為數(shù)字芯片，每次AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，得到的結(jié)果都會(huì)被送到系統(tǒng)的中央處理器，然后由處理器對取樣的值進(jìn)行運(yùn)算和PI調(diào)節(jié)。在取樣頻率比較高的時(shí)候，這種做法相當(dāng)耗費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)算資源，因此對數(shù)字芯片的效能要求也比較高。專門用于電源控制的數(shù)字芯片并不算多，雖然在要求比較高的場合一般都會(huì)用DSP芯片，其運(yùn)算和取樣速度快，功能強(qiáng)大，但價(jià)格比較昂貴。而且通用DSP芯片不是專門的做為電源控制芯片使用，一般的電源應(yīng)用對其芯片資源的利用率不高，在某些狀況之下，采用DSP芯片做為電源數(shù)字控制的核心是一種浪費(fèi)。

因此，成本顯然是約束數(shù)字電源廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要因素。由于數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式的成本看似高于相似的模擬實(shí)現(xiàn)方式，而且人們對于數(shù)字電源產(chǎn)品的采用存在顧慮，所以，從用戶的角度來說，也只有當(dāng)數(shù)字電源的成本等于或低于模擬電源(因?yàn)槌杀臼侵袊袌隹紤]的第一市場因素)，同時(shí)又能提供模擬電源做不到的許多先進(jìn)功能的時(shí)候，數(shù)字電源才會(huì)被考慮。

人們對數(shù)字電源還有一個(gè)擔(dān)心就是它還不像模擬電源那樣經(jīng)過多年應(yīng)用的考驗(yàn)，因而可靠性不高。但就像數(shù)字電路在概念上就優(yōu)于模擬電路一樣，可靠性是設(shè)計(jì)的問題，而不是數(shù)字化的問題。

綜上所述，在簡單易用、參數(shù)變更不多的應(yīng)用場合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對性可以通過硬件固化來實(shí)現(xiàn)。而在可控因素較多、需要更快實(shí)時(shí)反應(yīng)速度、需要管理多個(gè)電源、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。