近年來(lái)，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(kāi)始應(yīng)用于電源的控制中。隨著數(shù)字信號(hào)處理器DSP的發(fā)展，使數(shù)字式的開(kāi)關(guān)電源能達(dá)到較高的開(kāi)關(guān)頻率。相對(duì)模擬系統(tǒng)而言，數(shù)字系統(tǒng)在開(kāi)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(lái)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(guò)數(shù)字接口控制的開(kāi)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(kāi)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(cè)功能的開(kāi)關(guān)電源(它強(qiáng)調(diào)的是數(shù)字電源對(duì)溫度等參數(shù)的“監(jiān)測(cè)”功能)。

上述三種定義的共同特點(diǎn)是“模擬開(kāi)關(guān)電源的改造升級(jí)”，所強(qiáng)調(diào)的是“電源控制”，其控制對(duì)象主要是開(kāi)關(guān)電源的外特性。

定義四：以數(shù)字信號(hào)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(duì)象，能實(shí)現(xiàn)控制、管理和監(jiān)測(cè)功能的電源產(chǎn)品。它是通過(guò)設(shè)定開(kāi)關(guān)電源的內(nèi)部參數(shù)來(lái)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(jiǎn)單易用、參數(shù)變更要求不多的應(yīng)用場(chǎng)合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對(duì)性可以通過(guò)硬件固化來(lái)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(shì)。

此外，在復(fù)雜的多系統(tǒng)業(yè)務(wù)中，相對(duì)模擬電源，數(shù)字電源是通過(guò)軟件編程來(lái)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(hù)可以方便更改工作參數(shù)，優(yōu)化電源系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)時(shí)過(guò)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(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(mǎn)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(hào)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(duì)象而構(gòu)成的智能化開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的由微控制器控制的開(kāi)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(kāi)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(jí)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(hào)處理器及微控制器的優(yōu)勢(shì)，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(kāi)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(xiàn)性控制、負(fù)載均流以及故障預(yù)測(cè)等功能，為研制綠色節(jié)能型開(kāi)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。

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(hào)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(shuō)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(kāi)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(duì)主功率開(kāi)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(duì)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(hào)，誤差信號(hào)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(hào)。通過(guò)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(guò)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(kāi)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(mén)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。

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