智能化数字电源的应用与发展研究

总参谋部通信训练基地教研部实验室 孔维成 李 悦 袁 赛 杨海明

智能化数字电源的应用与发展研究

总参谋部通信训练基地教研部实验室 孔维成 李 悦 袁 赛 杨海明

数字电源以其高性能和高可靠性的特点在工农业生产、国防、航空航天及医疗设备等领域得到广泛应用。文章介绍了数字电源具有电源管理功能完善、能面向用户设计等显著优点。对当今数字电源的技术发展情况进行了分析，阐述了数字电源技术在未来各领域将得到广泛应用。

数字电源；智能化；设计；应用；发展

1.引言

进入21世纪以来，开关电源正朝着智能化、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。数字电源提供了智能化的适应性与灵活性，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。

2.数字电源的技术特性

数字电源是以数字信号处理器DSP（Digital Signal Processing）或微控制器MCU（Micro Control Unit）为核心，将数字电源驱动器、PWM（Pulse Width Modulation）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（Design Pro-ject Manager）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（Digitally Controlled Potentiometers）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。

3.数字电源电路的应用

数字电源存在的需求市场是模拟电源难以实现的一些区域，比方说，采用SVPWM算法的大功率高压变频器。数字器件控制的电源内部参数可以在线调整，这就意味着电源的动态特性是可变的，能顺应负载在相当大的范围内变化，同时还能保证一定的性能。数字电源的通讯优势使电源设备具有多样化的远程控制方式，这会给设备的运行、监测带来很多好处。数字电源开始慢慢渗透并占领传统模拟电源的应用领域，而且发展越来越快。

3.1 数字电源电路的应用情况分析

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Clear Sodick用在了LED照明上；TDK-Lambda UK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ACDC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。

3.2 数字电源应用领域的扩展

以前，数字电源只是导入于无停电电源装置（UPS）、通信产品、服务器、太阳能电池以及功率调节器等基础设施的部分产品中。但最近，LED照明器具、汽车、产业设备乃至部分消费类产品也开始采用数字电源。那么，是什么原因使数字电源的应用领域得到迅速扩展呢？

3.2.1 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（Microchip Technology）、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。

3.2.2 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。

4.结束语

“整合数字电源”（Fusion Di-gital Power）技术，实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。实现了电源系统单片集成化（Power system on chip），将大量的分立式元器件整合到一个芯片或一组芯片中。其次，充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使数字电源的设计达到高技术指标，这是传统开关电源所望尘莫及的。随着IC厂商不断推出新型号、性能更好的数字电源IC产品以及用户对数字电源认识的深入，数字电源的应用将会进一步普及。

[1]徐小涛,主编.数字电源技术及其应用[M].北京:人民邮电出版社,2011,03.

[2]Abraham Pressman.开关电源设计[M].电子工业出版社,2005,09.

[3]杨晋,蔡丽娟.数字技术在开关电源中的应用与发展[J].开关电源技术,2008(02).

[4]鲁莉容,李晓帆,蒋平.DC-DC变换器突加负载时动态性能研究[J].通信电源技术,2002(9).

孔维成（1965—），男，河北沧州人，大学本科，总参谋部通信训练基地教研部实验室高级讲师。

李悦（1977—），女，江苏徐州人，大学本科，总参谋部通信训练基地教研部实验室讲师。

袁赛（1979—），女，河北辛集人，总参谋部通信训练基地教研部实验室讲师。

杨海明（1978—），男，山东菏泽人，硕士，总参谋部通信训练基地教研部实验室讲师。