數(shù)字電源

 

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。在簡單易用、參數(shù)變更要求不多的應(yīng)用場合，模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢，因為其應(yīng)用的針對性可以通過硬件固化來實現(xiàn)，而在可控因素較多、實時反應(yīng)速度更快、需要多個模擬系統(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。

 

目前在整個市場中數(shù)字電源技術(shù)所占的比例正在逐步增長，不過，隨著越來越多的系統(tǒng)開發(fā)商采用這種技術(shù)，數(shù)字技術(shù)似乎正在成為電源系統(tǒng)設(shè)計的新趨勢。

 

數(shù)字控制的特性

 

模擬開關(guān)式電源已經(jīng)使用了幾十年，其設(shè)計為人們所熟知，而且有許多優(yōu)秀的教科書、仿真工具包、應(yīng)用手冊和研討會。還有眾多廠商提供的大量低成本集成電路，其封裝了許多功能：從集成柵極驅(qū)動器及開關(guān)到電流感應(yīng)和保護(hù)。

 

數(shù)字控制擁有一些模擬世界不具有的特性，其使開關(guān)式電源設(shè)計擁有迄今還不可能實現(xiàn)的功能。想想一家電源廠商有許多不同功率級的情況吧，采用數(shù)字控制解決方案，可讓一個單處理器與單獨(dú)自定義軟件一起工作以滿足每個功率級的需求。大規(guī)模生產(chǎn)時，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)規(guī)模會十分巨大。

 

模擬技術(shù)+DSP/MCU成為主要趨勢，應(yīng)用方案向消費(fèi)領(lǐng)域滲透更高集成度、更快瞬時響應(yīng)以及更大靈活性是數(shù)字電源的主要優(yōu)勢。

 

通常情況下，模擬PWM架構(gòu)能夠提供較高分辨率，但無法實現(xiàn)數(shù)字控制架構(gòu)所具備的輸出電壓監(jiān)視、通信及其它復(fù)雜控制功能；而對于數(shù)字PWM，為了達(dá)到與模擬控制架構(gòu)同等的性能指標(biāo)必須具備高分辨率、高速和線性ADC，以及高分辨率、高速PWM電路，因而與模擬控制架構(gòu)相比，數(shù)字控制架構(gòu)的成本將大幅增加。

 

 

綜合考慮兩者優(yōu)勢，最佳方案是將模擬PWM與數(shù)字電路相結(jié)合，在不犧牲模擬控制所具備的精度和無限分辨率的情況下，提供數(shù)字控制所具有的全部性能。

 

數(shù)字電源VS模擬電源的優(yōu)勢對比

 

數(shù)字開關(guān)電源正是為了克服現(xiàn)代電源的復(fù)雜性而提出的，它實現(xiàn)了數(shù)字和模擬技術(shù)的融合，提供了很強(qiáng)的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)視、處理并適應(yīng)系 統(tǒng)條件的能力，能夠滿足幾乎任何電源要求。

 

數(shù)字電源還可通過遠(yuǎn)程診斷以確保持續(xù)的系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)故障管理、過電壓(流)保護(hù)、自動冗余等功能。由于數(shù)字電源的集成度很高，系統(tǒng)的復(fù)雜性并不隨功能的增加而增加過多，外圍器件很少(數(shù)字電源的快速響應(yīng)能力還可以降低對輸出濾波電容的要求)，減少了占板面積，簡化了設(shè)計制造流程。同時，數(shù)字電源的自動診斷、調(diào)節(jié)的能力使調(diào)試和維護(hù)工作變得輕松。

 

而數(shù)字電源相對于模擬電源的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

 

（1）便于高度集成化，由于數(shù)字電路采用二進(jìn)制，其代碼符號儀有0和1兩種，因此在數(shù)字1電路中只要有個不同的狀態(tài)分別表示0和1就可以，所以數(shù)字電路的基本單元十分簡單，而且對元件要求也不嚴(yán)格，允許電路參數(shù)有較大的離散性，有利于將眾多的基本單元集成在同一硅片上進(jìn)行批量生產(chǎn)。

 

（2）工作準(zhǔn)確可靠，抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字信號是1和0來表示信號的，而數(shù)字電路辨別信號的有無是很容易做到的，從而大大提高了電路的工作可靠性。同時數(shù)字信號不易受到噪聲干擾，因此它的抗干擾能力極強(qiáng)。

 

（3）數(shù)字信息便于長期保存。借助某種媒體(磁盤、光盤等)可將數(shù)字信息長期保存下來。

 

（4）數(shù)字集成電路產(chǎn)品多、通用性強(qiáng)且成本低。

 

（5）保密性好，數(shù)字信息容易進(jìn)行加密處理，不易被竊取。

 

（6）不盡能完成數(shù)值運(yùn)算，還可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算和判斷，這在控制系統(tǒng)中是不可缺少的。

 

數(shù)字電源管理芯片易于在多相以及同步信號下進(jìn)行多相式并聯(lián)應(yīng)用，可擴(kuò)展性與重復(fù)性優(yōu)秀，輕松實現(xiàn)負(fù)載均流，減少EMI并簡化濾波電路設(shè)計。數(shù)字控制的靈活性能把電源組合成串聯(lián)或并聯(lián)模型，形成虛擬電源。而且，數(shù)字電源的智能化可保證在各種輸入電壓和負(fù)載點(diǎn)上都具有最優(yōu)的功率轉(zhuǎn)換效率。

 

相對模擬控制技術(shù)，數(shù)字技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢還包括在線可編程能力、更先進(jìn)的控制算法、更好的效率優(yōu)化、更高的操作精確度和可靠性、優(yōu)秀的系統(tǒng)管理和互聯(lián)功能。

 

數(shù)字電源不存在模擬電源中常見的誤差、老化(包括模擬器件的精度)、溫度影響、漂移、補(bǔ)償?shù)葐栴}，無須調(diào)諧、可靠性好，可以獲得一致、穩(wěn)定的控制參數(shù)。數(shù)字電源的運(yùn)算特性使它更易于實現(xiàn)非線性控制(可改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力)和多環(huán)路控制等高級控制算法；更新固件即可實現(xiàn)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法，更改電源參數(shù)也無須變更板卡上的元器件。

 

數(shù)字控制還能讓硬件平臺重復(fù)使用，通過設(shè)計不同固件即可滿足各種最終系統(tǒng)的獨(dú)特要求，從而加快產(chǎn)品上市，減少開發(fā)成本、元器件庫存與風(fēng)險。

 

數(shù)字電源取代模擬電源的決定因素

 

數(shù)字控制能解決問題，是因為它具有比模擬控制更好的性能、更靈活且在復(fù)雜的設(shè)計中更易用。然而下面總結(jié)的六個方面是決定了模擬電源被數(shù)字電源取代的主要因素。

 

1、瞬態(tài)響應(yīng)

 

控制機(jī)制極大影響了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。例如，與電流模式相比，磁滯控制器的瞬態(tài)響應(yīng)會有很大不同。每種控制模式都既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。數(shù)字解決方案讓你能無縫地從一種模式轉(zhuǎn)換到另一種模式，以提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應(yīng)。雖然模擬解決方案可以提供很好的點(diǎn)方案，但極少出現(xiàn)足夠靜態(tài)的工作狀況，讓你能實現(xiàn)所設(shè)想的點(diǎn)方案。

 

2、調(diào)節(jié)精度

 

一般來說，調(diào)節(jié)精度是根據(jù)線電壓、負(fù)載和溫度來定義的，因為這些條件中的每一個都會影響調(diào)節(jié)精度。數(shù)字控制器可以監(jiān)視這些條件，并采取控制措施，在整個工作條件范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化。

 

3、穩(wěn)定性

 

數(shù)字控制能夠提供比模擬方案更好的補(bǔ)償(更好地調(diào)用極點(diǎn)和零點(diǎn))，因此在穩(wěn)定性上的控制要好很多。另外，補(bǔ)償能夠隨著條件的變化而變化，使系統(tǒng)能在很寬范圍的條件下實現(xiàn)最佳的穩(wěn)定性。模擬控制器的補(bǔ)償是固定的，而數(shù)字控制可提供可調(diào)的甚至是自適應(yīng)的補(bǔ)償。

 

4、故障響應(yīng)

 

數(shù)字電源控制器提供了大量故障響應(yīng)的選項。每種故障都有唯一的響應(yīng)特性，可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行調(diào)整。模擬控制器一般只有一個固定的故障響應(yīng)(如斷電/斷續(xù)/過載)，用戶也只能選擇用或者不用。數(shù)字控制還能提供濾波器功能，降低虛假故障的可能。

 

5、效率

 

許多控制結(jié)果都會影響到效率，包括死區(qū)時間、開關(guān)頻率、柵極驅(qū)動等級、二極管仿真、加相和缺相等。針對這些因素，當(dāng)前數(shù)字控制所提供的數(shù)字控制算法在整個工作條件范圍內(nèi)進(jìn)行了優(yōu)化。因此，在某個工作點(diǎn)下，你也許能將模擬控制器調(diào)整到很高的效率，但數(shù)字控制器卻可對所有的工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

 

6、可靠性

 

減少元件數(shù)量、降低工作溫度(通過效率優(yōu)化)是數(shù)字電源提高系統(tǒng)可靠性的兩個途徑。此外，靈活的故障響應(yīng)和探測元器件參數(shù)微小變化的能力，可以大幅減少停機(jī)時間。

 

一般情況下，對大多數(shù)簡單的設(shè)計和基本要求來說，數(shù)字控制可能有點(diǎn)大材小用。當(dāng)然，數(shù)字電源控制的靈活程度足以應(yīng)付這些簡單的應(yīng)用，其功能可能超出實際所需。因此，數(shù)字控制器顯然是備受歡迎的解決辦法。

 

另外，數(shù)字電源控制一般比模擬控制器具有更高的集成度。然而，集成度還不足以滿足設(shè)計重用和靈活性的要求；但是，數(shù)字電源控制器適用于各種各樣的應(yīng)用，無需借助附加電路。從這個意義上說，這項技術(shù)的靈活性要遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬技術(shù)。

 

 

推薦閱讀：