随着半导体技术和数字信号处理器的快速发展,数字控制技术为开关电源提供了新的设计途径。传统的模拟控制技术无法摆脱电路中存在的非线性、误差等问题。数字控制的开关电源具有开发周期短、易于监控等优点。

什么是数字电源

 

什么是数字电源

 

近年来, 数字控制在开关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开关电源的控制中。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,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, 能够消除因离散元件引起的不稳定和电磁干扰等优点。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。

 

数字电源的原理

数字电源的关键是电源管理、控制信号的数字化处理,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。

 

数字电源的优势

 

数字电源的优势

 

相对模拟控制技术,数字技术的独特优势还包括在线可编程能力、更先进的控制算法、更好的效率优化、更高的操作精确度和可靠性、优秀的系统管 理和互联功能。数字电源不存在模拟电源中常见的误差、老化(包括模拟器件的精度)、温度影响、漂移、补偿等问题,无须调谐、可靠性好,可以获得一致、稳定的控制参数。数字电源的运算特性使它更易于实现非线性控制(可改善电源的瞬态响应能力)和多环路控制等高级控制算法;更新固件即可实现新的拓扑结构和控制算法,更改电源参数也无须变更板卡上的元器件。

 

数字电源管理芯片易于在多相以及同步信号下进行多相式并联应用,可扩展性与重复性优秀,轻松实现负载均流,减少 EMI,并简化滤波电路设计。数字控制的灵活性能把电源组合成串联或并联模型,形成虚拟电源。而且,数字电源的智能化可保证在各种输入电压和负载点上都具有最优的功率转换效率。