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。

 

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、通信及其它復雜控制功能；而對于數(shù)字PWM，為了達到與模擬控制架構(gòu)同等的性能指標必須具備高分辨率、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、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行批量生產(chǎn)。

 

（2）工作準確可靠，抗干擾能力強。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。

 

（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、通用性強且成本低。

 

（5）保密性好，數(shù)字信息容易進行加密處理，不易被竊取。

 

（6）不盡能完成數(shù)值運算，還可以進行邏輯運算和判斷，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行多相式并聯(lián)應(yīng)用，可擴展性與重復性優(yōu)秀，輕松實現(xiàn)負載均流，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載點上都具有最優(yōu)的功率轉(zhuǎn)換效率。

 

相對模擬控制技術(shù)，數(shù)字技術(shù)的獨特優(yōu)勢還包括在線可編程能力、更先進的控制算法、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)新的拓撲結(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使用，通過設(shè)計不同固件即可滿足各種最終系統(tǒng)的獨特要求，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，也有缺點。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償(更好地調(diào)用極點和零點)，因此在穩(wěn)定性上的控制要好很多。另外，補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)進行了優(yōu)化。因此，在某個工作點下，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進行優(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)字控制可能有點大材小用。當然，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)的靈活性要遠優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬技術(shù)。

 

 

推薦閱讀：