数字电源技术及应用详解
近年来，数字控制技术在电源中得到迅速的发展，各种在模拟电路中难以实现的现代控制方法开始应用于电源的控制中。随着数字信号处理器DSP的发展，使数字式的开关电源能达到较高的开关频率。相对模拟系统而言，数字系统在开关电源中具有设计周期短、灵活多变、易实现模块化管理、能够消除由离散元件引起的不稳定和电磁干扰等优点。因此，数字电源在高精度电源中的应用越来越广泛，成为现代电源技术发展的一个重要方向。
一、数字电源的定义和特点 （一）数字电源的定义 目前，数字电源有多种定义。 定义一：通过数字接口控制的开关电源（它强调的是数字电源的“通信”功能）。 定义二：具有数字控制功能的开关电源（它强调的是数字电源的“数控”功能）。 定义三：具有数字监测功能的开关电源（它强调的是数字电源对温度等参数的“监测”功能）。 上述三种定义的共同特点是“模拟开关电源的改造升级”，所强调的是“电源控制”，其控制对象主要是开关电源的外特性。 定义四：以数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）为核心，将数字电源驱动器、PWM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。它是通过设定开关电源的内部参数来改变其外在特性，并在“电源控制”的基础上增加了“电源管理”。所谓电源管理是指将电源有效地分配给系统的不同组件，最大限度地降低损耗。数字电源的管理（如电源排序）必须全部采用数字技术。 与传统的模拟电源相比，数字电源的主要区别是控制与通信部分。在简单易用、参数变更要求不多的应用场合，模拟电源产品更具优势，因为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现，而在可控因素较多、实时反应速度更快、需要多个模拟系统电源管理的、复杂的高性能系统应用中，数字电源则具有优势。 此外，在复杂的多系统业务中，相对模拟电源，数字电源是通过软件编程来实现多方面的应用，其具备的可扩展性与重复使用性使用户可以方便更改工作参数，优化电源系统。通过实时过电流保护与管理，它还可以减少外围器件的数量。 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，而且实时反应速度更快、电源稳压性能更好。
（二）数字电源的特点 1.控制智能化 它是以数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）为核心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。传统的由微控制器控制的开关电源，一般只是控制电源的启动和关断，并非真正意义的数字电源。 2.数模组件组合优化 采用“整合数字电源”（Fusion Digital 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。例如，功率级所用的模拟组件MOSFET驱动器，可以很方便地与数字电源控制器相连并实现各种保护及偏置电源管理，而PWM控制器也属于数控模拟芯片。 3.集成度高 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。 4.控制精度高 能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使所设计的数字电源达到高技术指标。例如，其脉宽调制（PWM）分辨力可达150ps（10~12s）的水平，这是传统开关电源所望尘莫及的。数字电源还能实现多相位控制、非线性控制、负载均流以及故障预测等功能，为研制绿色节能型开关电源提供了便利条件。 5.模块化程度高 数字电源模块化程度高，各模块之间可以方便地实现有机融合，便于构成分布式数字电源系统，提高电源系统的可靠性。
二、数字电源的基本原理 数字电源的关键是电源管理、控制信号的数字化处理，其基本要求是：在保障稳定性的前提下，具有快速性、平稳性和准确性。下面以负载点变换器（POL）为例说明数字电源控制功能的实现原理和方法。 负载点变换器（POL）通常用于将直流输入电压（一般为5V~12V）调节成适用于负载要求的直流输出电压（0.7V~3.3V）。例如，在典型的基于降压（Buck）开关变换器的电路中，Buck变换器包含一个脉冲宽度调制（PWM）主控制芯片，一对主功率开关和一个由储能电感和电容构成的低通滤波器。在脉冲宽度调制控制芯片中，一个电阻分压器对电源的输出电压进行采样，误差放大器将该输出电压与直流参考电压进行比较从而产生电压误差信号，误差信号是一个强度与所需的输出电压校正成正比的模拟信号。通过具有某种控制规律的误差补偿器（Compensator）进行放大后，其输出进入脉宽调制器（PWM），经过与载波（通常为锯齿波或三角波）比较之后产生脉冲波，从而控制功率开关（通常为MOSFET）的导通与关断。由于MOSFET具有较大的输入门电容，因此驱动器电路有必要有效率地导通和关断它们。另有固定电阻电容网络一般会作为补偿回路，以确保动态响应和稳定性之间的正常平衡。 电源的两个其它主要部分是输入和输出滤波器网络。这些部分由感应器、电容和电阻构成，可以提供数种功能。输入滤波器有助于保护电源不受电源电压瞬态的影响，在动态负载变化过程中提供一些能量存储，并附带滤波器网络以使电源满足其输入引起的发射规范。输出滤波器稳定输出电压以确保电源满足其纹波和噪声规范，此外还存储能量以帮助维护负载电路的动态电流要求。重要的是，对于模拟或数字控制结构而言，输入和输出滤波器以及电源器件将基本上保持相同。 在典型的数字电源控制系统结构中，输出电压感应排列类似于模拟系统。但是，模数转换器（ADC）代替了模拟系统的误差放大器，从而将感应到的模拟电压值转换成二进制数。除了输出电压之外，了解电源的输出电流和温度等其它模拟参数也非常有用。虽然独立的ADC可以感应每个参数，但是采用单个ADC并在它前面加设一个多路复用路往往是更加常用的方法。多路复用器（MUX）则将在要测量的模拟输入之间切换，并依次将每个输入发送至ADC. 由于MUX和ADC的采样速率是固定的，因此ADC对每个参数都输出一系列数字，每个数字由己知的时间段分隔。这些值供给为系统提供处理能力的微控制器。卡上程序内存存储着微控制器的控制算法，这些算法负责执行一系列有关ADC的输出值的计算。这些计算的结果包括误差信号、想要的驱动器级脉宽、各种驱动器输出的最佳延迟值以及回路补偿等参数。有了这些参数，数字脉宽调制器（DPWM）就可以通过驱动后控制外接的功率MOSFET，而电源管理部分也可以通过一定的接口及协议与外界通信了。模拟系统的外部回路补偿元件此时变得不再是必需的。输出电压、输出电流和温度限制等参数的参考值在生产期间被保存在非易失性内存中，或者可以通过PMBus输入。在系统启动时，数据会由EEPROM下载到数据内存中，主芯片据此控制模块的工作状态。同时，可以通过一定的外部操作来重新读入EEPROM中的默认设置。
三、数字电源的组成结构 图1为数字控制的电源系统的典型结构框图。系统包括模拟部分、数字部分以及模拟数字的接口电路。模拟部分主要是各种拓扑的变换电路及负载电路组成；数字部分为微处理器芯片及其外设；接口电路包括从模拟部分到数字部分的采样网络及A/D转换器和从数字部分到模拟部分的PWM外围电路、相应的门极驱动电路及D/A转换器或I/O外围电路。 数字电源可以完成对PWM控制环路的数字控制和数字电源管理与通信任务。系统可以使用一种或两种形式的数字电源。数字电源的关键数字器件有数字电源驱动器、数字电源PWM控制器和数字信号处理器等。
（一）数字电源驱动器 目前，数字控制电源驱动器芯片中比较典型的应用有美国德州仪器公司（TI）公司的UCD7100/7201芯片。二者的区别是：UCD7100为单端输出，UCD7201为双端输出，额定输出电流均为±4A，可驱动MOSFET开关功率管，均可适配UCD9110/9501型数字控制器。主控制器可监控其输出电流，快速检测过流故障并迅速关断电源，检测周期仅为25ns. 现以UCD7100为例，该芯片主要包括3.3V电压调整器及基准电压源、触发器、施密特比较器、欠压关断电路、控制门、True Drive驱动器等部分组成。“True Drive”（真驱动）为TI公司的专有技术，它是由并联双极性晶体管和MOSFET管组成上拉/下拉电路构成的混合输出级。其优点是驱动能力强，在低电压时也能正常输出，并能在极低输出阻抗下控制外部功率MOSFET的过压、欠压保护，功率MOSFET不需要接起保护作用的肖特基钳位二极管。UCD7100能在几百FIS的时间内给MOSFET的栅极提供一个高峰值电流，快速开启驱动器。UCD7100的高阻抗数字输入端（IN）能接收3.3V逻辑电平、最高开关频率达2MHz的信号。利用施密特比较器能将内部电路与外部噪音隔离。若控制器的PWM输出停在高电平上并发生过电流故障，电流检测电路就关断驱动器的输出，系统可进入重试模式。通过DSP或MCU内部的看门狗电路，能重新启动片。UCD7100内部的3.3V/10mA电压调整器可作为数字控制器的电源。
（二）数字电源控制器 美国德州仪器公司（TI）公司的UCD8220/8620是受DSP或MCU数字控制的双端推挽式PWM控制器。二者区别是UCD8220可利用48V低压启动，UCD8620内部增加了110V高压启动电路。UCD8220的内部框图如图2所示。 该芯片主要包括3.3V电压调整器及基准电压源、脉宽调制器（PWM）、驱动逻辑、推挽式驱动器、欠压关断电路、限流电路、电流检测电路。UCD8220/8620可运行在峰值电流模式或电压模式，不仅能对极限电流进行编程，还输出一个能受主控制器监控的极限电流数字标志。UCD8220 /8620的时序T作波形如图3所示。
（三）数字信号处理器 目前，专为数字电源系统配套的数字信号处理器有美国德州仪器公司（TI）公司的UCD9501、TMS320F2808和TMS320F2806等。它们内部主要包含100MHz的32位CPU、时钟振荡器、3个32位定时器、看门狗电路、内部/外部中断控制器、SCI总线、SPI总线、CAN总线及I2C总线接口、12路PWM信号输出、系统控制器、16通道12位ADC、16K×16Flash、6K×16SARAM、1K×16ROM.它采用标准的3.3V输入/输出接口，与UCD8K系列完全兼容，利用Power PADTM HTSSOP和QFN软件包可进行编程。
四、数字电源发展面临的问题 数字电源已经表现出相当多的优点，但仍有一些缺点需要克服。例如，模拟控制对信号状态的反应是瞬时的，而数字电源需要一个采样、量化和处理的过程来对负载的变化做出反馈，因此它对负载变化的响应速度目前还比不上模拟电源。数字电源的占板面积要大于模拟电源，精度和效率也比模拟电源稍差。虽然数字控制方法的优点在负载点（POL）系统中非常明显，但模拟电源在分辨率、带宽、与功率组件的电压兼容性、功耗、开关频率和成本（在简单应用中）等方面仍然占有优势。不过，如果考虑到数字电源解决方案具有的优点，使用模拟电路搭建功能相似的电路，成本并不一定就比数字电源低。 数字电源中包含的技术无疑是复杂的，但它的使用并不一定就复杂。不过它要求设计人员具有一定的程序设计能力，而目前的电源设计人员普遍都是模拟设计为主，缺乏编程方面的训练。这对数字电源的推广也造成了一定的障碍。 数字电源中，A/D转换器的速度和精度成反比。为了保证交换式电源有较高的稳压精度，A/D转换器必需要有比较高精度的取样，但高精度的取样频率需要更长的A/D转换时间，作为反馈回路的一部分，A/D转换时间过长必然造成额外的相位延迟时间。除了和模拟控制存在的相位延迟，转换过程的延迟时间必然也会造成额外的等待循环，造成回路的实时反应能力变差。和模拟芯片用RC补偿进行PI调节的方法一样，在控制回路中用引入PI调节的方法以提高控制回路的实时反应能力，这种做法需要占用数字芯片较大的系统资源，因为数字控制和模拟控制不同，信号取样不是连续不断的，而是规则离散的，两次取样之间会有一段间隔时间，这段时间的值是无法取得的。为了要达到精确的控制，每次取样之间的时间间隔不能太长，即取样频率不能太低。作为数字芯片，每次AD转换结束后，得到的结果都会被送到系统的中央处理器，然后由处理器对取样的值进行运算和PI调节。在取样频率比较高的时候，这种做法相当耗费系统运算资源，因此对数字芯片的效能要求也比较高。专门用于电源控制的数字芯片并不算多，虽然在要求比较高的场合一般都会用DSP芯片，其运算和取样速度快，功能强大，但价格比较昂贵。而且通用DSP芯片不是专门的做为电源控制芯片使用，一般的电源应用对其芯片资源的利用率不高，在某些状况之下，采用DSP芯片做为电源数字控制的核心是一种浪费。 因此，成本显然是约束数字电源广泛应用的一个主要因素。由于数字实现方式的成本看似高于相似的模拟实现方式，而且人们对于数字电源产品的采用存在顾虑，所以，从用户的角度来说，也只有当数字电源的成本等于或低于模拟电源（因为成本是中国市场考虑的第一市场因素），同时又能提供模拟电源做不到的许多先进功能的时候，数字电源才会被考虑。 人们对数字电源还有一个担心就是它还不像模拟电源那样经过多年应用的考验，因而可靠性不高。但就像数字电路在概念上就优于模拟电路一样，可靠性是设计的问题，而不是数字化的问题。 综上所述，在简单易用、参数变更不多的应用场合，模拟电源产品更具优势，因为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现。而在可控因素较多、需要更快实时反应速度、需要管理多个电源、复杂的高性能系统应用中，数字电源则具有优势。
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