数字电源技术及应用

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