智能化数字电源的应用与发展研究

【摘要】随着科学技术的不断发展，开关电源逐渐向数字化、智能化的方向发展，最新研制的智能化数字电源系统具备传统电源系统无可比拟的优良特性，同时可以实现完美的监控功能。这项技术凭借其较高的性能和超强的适应性在工业、农业、国防、医疗器械、航空航天等领域获得了越来越广泛的应用，引起了人们高度关注。

【关键词】智能化;数字电源;应用与发展

智能化数字电源系统具有很强的适应性，可以实现较高的智能化，其设计非常灵活，能满足各种复杂的电源要求，因此数字电源的应用前景十分广阔，对这一领域的应用研究非常重要。本文介绍了数字电源的定义及特点，阐述了智能化数字电源的主要应用领域及应用概况，并提出了其目前存在的优势和不足。随着数字信号处理器（DSP）的发展，数字化电源将是现代电源技术发展的一个重要方向。

一、数字电源的定义

目前对数字电源的定义尚未统一，最简单明了的定义：数字电源是通过数字接口控制开关稳压器的电源，这种说法强调了数字电源所具备的通信功能。在该定义下，数字电源可以通过类似I2C数字总线来控制开关频率、输出电压，一个或者多个数字信号组合可以控制多通道电源的顺序、断电通电顺序等。另一种定义：数字电源是具有数字控制功能的开关电源，这种说法主要强调数字电源所具备的数控功能。在该定义下，数字电源可以通过提供更多的控制功能以达到控制开关电源状态的目的，如温度、输入电压、输入电源、输出电压、输出电源等，可以按照设定的周期定时向主机传输信息。第三种定义：数字电源是指以微控制器或者数字信号处理器为核心，将PWM控制器、数字电源驱动器等作为控制对象，能实现管理、监测和控制功能的电源产品，其设计逻辑是通过设定开关电源内部参数达到改变其外在特征的目的，这是目前比较被认可的一种定义。

二、智能化数字电源的特点

（一）实现了控制的智能化

智能化数字电源是以微控制器或者数字信号处理器为核心，以PWM控制器及数字电源驱动器作为控制对象，构建成一套智能化的开关电源系统。值得注意的是，一些传统开关电源也是由微控制器控制，但在功能上仅仅实现了控制电源的开和关，并非真正的数字电源。

（二）数模组件的组合更为优化

智能化数字电源通过应用整合数字电源技术，实现开关电源中数字组件与模拟组件的优化组合。比如功率级应用模拟组件MOSFET驱动器，可以很容易实现与数字电源控制器的连接、实现偏置电源的管理，且PWM控制器就属于其中一种数控模拟芯片。

（三）具有较高的集成度

智能化数字电源将数量较多的分立式电子元器件加以整合，构成一个芯片或者一个芯片组合，实现了电源系统的高集成化。

（四）具备较高的控制精度

智能化数字电源能将微控制器及数字信号处理器的优势充分发挥出来，使数字电源的设计能够达到较高的技术指标。比如智能化数字电源的脉宽调制分辨力可达到150ps，这是传统开关电源所望尘莫及的水平。智能化数字电源亦能够实现非线性控制、多相位控制、故障预测及负载均流等功能，为环保节能型开关电源的研制起到了借鉴意义。

（五）具备较高的模块化程度

智能化数字电源各模块之间能够很容易地实现有机融合，各模块之间通过高度集合，易于构建分布式数字电源系统，大大提高数字电源系统的可靠性。

三、智能化数字电源的应用

智能化数字电源的应用填充了模拟电源应用范围所不能涉及到的领域，例如采用SVPWM算法的大频率高压变频器。由数字元器件控制电源的内部参数，可以进行在线调整，这意味着电源具有可变的动态特性，可在相当大的范围内随着负载的变化而调整，其性能也能够有所保证。智能化数字电源所具备的通讯优势，使得电源设备有多种灵活的远程控制方式，这对设备的运行和监测非常有利。因此，智能化数字电源开始向模拟电源的应用领域渗透并扩张。

（一）智能化数字电源应用概况

数字电源开关通俗来讲就是以数字的方式进行对电流及电压的控制，如不间断电源这种大容量电源，早在十多年前就被应用，2010年这类智能化数字电源的研发应用速度更为迅速，如TDK-lambda UK公司首次在标准电源中应用了数字电源技术，2010年6月份这种新技术产品开始投入量产。新电源工业的代表产品是车载DC-DC转换器，该公司大部分开关电源产品都引入了数字控制技术。村田制作所将DSP微管控制器的数字控制技术应用于直管型的LED照明内置电源中，这种电源被著名的Clear Scdick公司应用于LED照明中。任何新技术的推广都需要一定的周期，数字电源这一新技术首先被利润丰厚的高端市场采用，之后逐渐渗透到主流市场而被广泛应用。

数字软件技术最初只是应用于模拟技术领域，随着这项技术的不断完善，产业设备、车载电源、LED照明等领域都开始导入通过数字软件技术控制的电源，并在这一技术的基础上进行不断改良完善，如将控制方式变成动态控制，添加了之前不能实现的通讯功能，這些措施大大提高了电源效率、缩短了开发周期、缩小了产品尺寸。另外通用微控制器等低价产品的出现，也缓解了一直制约DSP发展的成本问题。电源的数字控制技术，推动了AC-DC电源及DC-DC转换器向着高效化和小型化方向发展，数字电源技术也受到越来越多的关注，其应用范围也越来越广泛。

（二）数字电源的应用领域

数字电源的应用领域不断扩展，从之前的通信产品、无停电电源装置、功率调节器、太阳能电池、服务器等基础设施的少部分产品，逐步扩展到LED照明器具、产业设备、部分消费性产品及汽车领域中，如此快速的发展，得益于如下几个因素。

第一，低价位DSP的问世。数字电源应用范围扩大最主要的原因是价格较低的电源控制IC开始应用于数字电源的设计中，数字电源控制IC成本和模拟电源控制IC成本不相上下，日本无线及美国微芯科技、美国德州仪器等半导体厂商自2008年起陆续推出了适合数字电源的低价位控制IC，而近年来，大部分数字电源产品均开始使用这种控制IC。在开关频率1MHz以下、输出功率100W以上的领域，采用DSP微控制器的智能化数字电源应用开始普及。在此之前，数字电源需要使用价格非常高的高性能DSP作为控制IC，这种IC耗电量高、其工作频率为100MHz以上，用于普通的开关电源控制会造成指标过剩、资源浪费，这导致采用DSP控制的数字电源只应用于UPS等高于1KW的大型装置上。通过美国微芯科技和德州仪器等公司的研制，低成本的DSP的问世，解决了这一难题，促使数字电源的应用范围迅速扩展。

第二，数字电源主要用于输出功率100W以上，开关频率1MHz以下的领域，该领域涉及范围十分广泛。数字电源的DSP微控制器自身耗电量比较高，大约会耗费200mW左右的电力，因此对输出功率较小的电源并不适用。实践证明，数字电源对于输出功率为50W-100W以上的电源比较适用;从开关频率上看，数字电源对于频率在1MHz以下的电源比较适用。数字电源的输出电流和输出电压的监测通过DSP微控制器的A-D转换器来实现，同时利用软件控制电流和电压的稳定性。这样做不同于模拟控制利用误差放大器连续监测输出电压与目标电压，数字控制会发生特有的工作延时，如会存在大约1μs的A-D转换时间及利用软件计算操作的演算时间。另外数字电源是利用专用逻辑的电路硬件来执行PI控制，可以支持高于1MHz的开关频率。

四、智能化数字电源发展面临的问题

（一）智能化数字电源的优势

智能化数字电源克服了现代电源的复杂性，它实现了模拟技术和数字技术的融合，提供了超强的灵活性和适应性，同时具备直接检测能力、处理并适应系统条件的能力，几乎能够满足所有电源的要求。通过远程诊断，数字电源可以确保系统持续可靠性、实现故障管理、自动冗余、过电流（压）保护等功能。智能化数字电源的集成度很高、功能很强，但是其系统的复杂性却没有增加，外围器件使用较少，简化了设计流程及制造工艺流程，缩小了砧板面积。另外数字电源的自动调节、自动诊断能力使得调试维护工作变得简单轻松。

智能化数字电源的管理芯片可以很容易的在多相及同步信号下进行多相并联应用，具有扩展性与重复性优势，可减少EMI，轻松实现负载均流，简化了滤波电路设计。数字控制具有的灵活性，可以将电源按照需求灵活地进行串并联，形成虚拟电源。数字电源的智能化优势，可以保证各种负载点系统和输入电压具备最优功率转换效率。

数字电源技术的优势还包括可以在线编程、具备更先进的控制算法、具备较高的可靠性能以及优秀的系统管理及互联功能。与模拟电源不同，数字电源不存在误差、老化、补偿、漂移等问题，也很少受到温度的干扰，其可靠性高、无需调谐，可以获得稳定的控制参数。数字电源特有的运算特性，使其能够更容易地实现多环路控制及非线性控制等高级控制算法，只要更新固件就能实现新的控制算法和拓扑结构，且无需更换板卡上的元器件就能更改电源参数。数字控制可以实现硬件平台的重复使用，通过设计固件可满足系统的独特需求，从而减少开发成本，降低元器件库存风险，加快产品上市步伐。

（二）智能化数字电源的不足

智能化数字电源在具备上述优势的同時，尚有一些不足需要克服。如模拟控制是瞬时反应信号状态的，而数字电源需要进行采样、量化处理，以对负载变化做出相应的反馈，因此数字电源对负载变化的响应速度是落后于模拟电源的。尽管数字控制方法在负载点系统中有明显的优势，但是模拟电源在带宽、分辨率、功耗、开关频率、与功率元件电压的兼容性及成本方面都具有一定优势。当然，如果将数字电源在解决方案上的优点综合考虑进来，使用模拟电路构建相似功能的电路，成本也不一定比数字电源低。

数字电源涵盖的技术比较复杂，但其智能性要求其使用不能太复杂。这要求设计研发人员要具备相当高的编程能力，而目前电源设计人员往往都是以模拟设计为主，普遍缺乏编程方面的能力和训练，这是影响数字电源推广的一个障碍。另外，数字电源尚未经过多年的应用考验，人们对其可靠性还存有疑虑，但追根溯源，可靠性问题属于设计上的问题，而非数字化的问题。

显然，成本问题是约束数字电源推广的主要因素。数字电源的实现成本高于模拟电源，加上人们对数字电源尚存在使用顾虑，因此，站在用户角度看，只有当数字电源成本小于等于模拟电源成本，同时又能够提供模拟电源无法实现的功能的时候，数字电源才容易被接受。

（三）智能化数字电源的发展前景

在可控因素多、复杂性高以及需要同时管理多个电源的系统中，数字电源具有模拟电源无可比拟的优势。但是由于人们对数字技术认识上的欠缺，加上数字技术的复杂性及成本偏高，导致数字电源不能快速地被人们所认可。但是一旦人们认识到智能化数字电源所具有的特殊优势，加上数字控制技术的不断完善，数字电源技术一定会被广泛采用。

五、总结

智能化数字电源技术，在开关电源领域实现了数字组件与模拟组件的优化组合，提高了电源系统的集成化程度，将数量种类繁多的元器件整合到一个或者一组芯片中，充分发挥了微控制器及数字信号处理器的优势，使数字电源技术能够符合现代电源的高技术指标，这都是传统开关电源无法企及的。随着IC制造厂商不断推出高性能、新规格的数字电源产品，加上人们对数字电源技术认识的深入，智能化数字电源必将得到广泛普及与推广。

参考文献

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[2]徐小涛.数字电源技术及其应用[M].人民邮电出版社，2011.

[3]万超，谢德浩，龙鹏，薛家祥.基于DSP的多功能数字化电源研究[J].科学技术与工程，2013（5）：1276-1280.

作者简介：黄诗江（1962—），男，副教授，现供职于电子工程学院，研究方向：电路通信与系统。