淺談開關(guān)電源數(shù)字控制技術(shù)的進展

摘 要：隨著半導體技術(shù)和數(shù)字信號處理器的快速發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)為開關(guān)電源提供了新的設計途徑。傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)無法擺脫電路中存在的非線性、誤差等問題。數(shù)字控制的開關(guān)電源具有開發(fā)周期短、易于監(jiān)控等優(yōu)點。本文介紹了數(shù)字電源的概念，分析和探討了開關(guān)電源系統(tǒng)中數(shù)字控制的工作原理?；谀壳暗湫偷臄?shù)字電源產(chǎn)品技術(shù)，提出了數(shù)字電源的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：數(shù)字控制 數(shù)字電源 數(shù)字信號處理器

開關(guān)電源技術(shù)推動著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逐漸成為電力電子技術(shù)的重要組成部分。近年來，隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，電子設備正朝著小型化、高速化、智能化方向發(fā)展。而傳統(tǒng)的模擬控制開關(guān)電源已不能滿足所有應用需求，整機系統(tǒng)急需能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控等智能功能的開關(guān)電源。集成電路設計技術(shù)和半導體工藝的進步，使數(shù)字處理控制器DPS的工作頻率越來越高，功耗越來越低。在傳統(tǒng)的模擬電源中，已可以采用數(shù)字控制來實現(xiàn)，并且采用一些全新的控制方式，來解決模擬控制無法使用先進算法的問題。

一、數(shù)字控制電源概念

數(shù)字控制電源的控制核心是數(shù)字處理控制器。該控制器通過一定的軟件算法來控制PWM電路，PWM產(chǎn)生的驅(qū)動信號經(jīng)過驅(qū)動器放大后，驅(qū)動功率開關(guān)管，進而控制整個功率回路。數(shù)字控制電源能夠監(jiān)控電源內(nèi)部的工作狀態(tài)，并實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的通信，將電源的內(nèi)部狀態(tài)提供給整機系統(tǒng)。數(shù)字控制電源系統(tǒng)包括數(shù)字電路、接口電路以及部分模擬電路。其中，模擬電路主要指系統(tǒng)中的功率部分，包括磁性元器件、開關(guān)整流器件、電阻電容等;數(shù)字電路主要包括數(shù)字處理芯片;接口電路主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和用于通訊的接口電路。

二、數(shù)字控制電源工作原理

典型數(shù)字控制電源的工作原理為：輸入電壓建立后，輔助電源開始為DSP供電，DSP初始化完成后便開始監(jiān)控整機狀態(tài)，并控制整個功率變換器。主功率變換器是BucK變換器和全橋隔離結(jié)構(gòu)，次級輸出采用同步整流技術(shù)。

（一）原邊DSP控制原理。原邊DSP主要用于控制BucK變換器和全橋結(jié)構(gòu)的功率級，通過采樣BucK變換器的輸出電壓和電感電流，再通過內(nèi)部的運算，實現(xiàn)BucK原邊驅(qū)動、全橋驅(qū)動以及次級同步整流驅(qū)動。原邊DSP控制電路通過采樣輸入輸出的電壓、電流和溫度，實現(xiàn)電源模塊的過壓、過流和過溫保護，同時，監(jiān)控變壓器的勵磁電流，確保變壓器不會出現(xiàn)飽和。此外，原邊DSP接受外部的控制信號，以控制整機的開關(guān)狀態(tài)。原邊DSP控制電路通過光耦隔離的SCI總線與副邊通信，報告相應狀態(tài)，其通信數(shù)據(jù)包括電壓、電流、狀態(tài)字等。

（二）次級DSP控制原理。次級DSP主要用于對整機的輸出參數(shù)進行控制，通過對輸出電壓、電流、溫度等的監(jiān)控，實現(xiàn)輸出過壓、過流保護以及輸出并聯(lián)均流控制。次級DSP控制電路通過RS485和外部通信，報告整機的各項參數(shù)，其通信數(shù)據(jù)包括電壓、電流、溫度、狀態(tài)字。次級DSP控制電路通過光耦隔離的SCI總線與原邊通信，獲取輸入端的電壓、電流、狀態(tài)字。

三、數(shù)字電源的控制技術(shù)

數(shù)字電源的控制技術(shù)與模擬電源有一定的相似之處。與模擬電源的控制一樣，數(shù)字電源中常用的控制技術(shù)主要為電壓型控制、峰值電流型控制和平均電流控制。

（一）電壓型控制。數(shù)字電源的電壓型控制工作原理是：DC/DC變換器的輸出電壓反饋信號與輸出電壓參考信號進行比較，得到輸出電壓誤差信號，經(jīng)PI控制算法或PID控制算法，得到相應的PWM驅(qū)動信號，經(jīng)驅(qū)動電路后，驅(qū)動功率電路開關(guān)管，實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓。

（二）峰值電流控制。數(shù)字電源的峰值電流控制是將電感電流或功率開關(guān)管電流作為電流內(nèi)環(huán)的反饋信號，并與電壓外環(huán)的輸出信號進行比較，通過相應控制算法動態(tài)調(diào)節(jié)占空比信號，經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動功率電路開關(guān)管，使得功率開關(guān)管電流跟隨誤差放大器的輸出信號。

（三）平均電流控制。數(shù)字平均電流控制技術(shù)除具有峰值電流模式的優(yōu)點外，還有其獨特的特點：能夠精確地檢測輸出電流，即使在電感電流斷續(xù)模式下，也能跟隨輸出電流;不存在峰值電流控制中的次諧波振蕩問題，不需斜坡補償，占空比可大于50%;噪聲免疫力強，適合用于干擾較大的系統(tǒng)。數(shù)字平均電流控制的不足是：控制方式的設計與實現(xiàn)難度較大，系統(tǒng)動態(tài)響應速度不如峰值電流控制。

四、數(shù)字電源發(fā)展趨勢

針對目前電源工程師對數(shù)字控制技術(shù)不熟悉的問題，國外很多數(shù)字處理器廠家推出了便利措施。如英特賽爾公司，推出了新一代圖形用戶界面（GUI），不用編寫軟件代碼就能設計數(shù)字電源，其簡易的操作界面使得設計者能夠更加快捷方便地設計。德州儀器公司推出了UCD數(shù)字控制器，有數(shù)字電源控制界面，不需要對軟件有深入的理解，僅僅需要輸入設計參數(shù)，軟件系統(tǒng)就會根據(jù)用戶需求，自動生成高可靠的軟件程序。隨著更多的DSP廠家推出易于操作的方式，數(shù)字電源將會得到模擬電源設計師的認可。在控制技術(shù)方面，若直接對模擬控制進行數(shù)字化，模塊電源將會存在功率頻率低、體積大的問題。因此，需要對數(shù)字控制算法進行創(chuàng)新。目前，國外大功率數(shù)字模塊電源廠商主要有愛立信和Synqor公司。愛立信公司推出了面向通信市場的中小功率全數(shù)字電源，通過在數(shù)字控制器中置入復合控制方式，解決了數(shù)字電源工作頻率低的問題。Synqor公司在推出基于單片機控制的數(shù)?；旌峡刂齐娫春?，又推出了基于DSP控制的全數(shù)字電源。全數(shù)字控制電源技術(shù)將工業(yè)標準半磚尺寸的模塊電源的功率提升到500W，效率達95%。Synqor公司2012年推出的基于DSP控制的全數(shù)字控制電源，目前已大規(guī)模應用于通信市場。在控制技術(shù)方面，Synqor公司進行了創(chuàng)新，采用專利的控制技術(shù)，解決了全數(shù)字控制對數(shù)字控制器DSP工作頻率的依賴問題。電路工作頻率為250kHZ，控制芯片為自主設計的DSP控制器。電路采用2級級聯(lián)結(jié)構(gòu)遲滯控制方式，解決了全橋電路的磁通不平衡和數(shù)字電源負載大動態(tài)響應的問題。

結(jié) 語

本文比較了數(shù)字控制電源與模擬控制電源的優(yōu)缺點，提出了典型的數(shù)字電源結(jié)構(gòu)，并對數(shù)字電源的各種控制方式進行了分析。在受溫度影響、非線性控制、系統(tǒng)監(jiān)控與通信等方面，數(shù)字電源相對于模擬電源，具有明顯的優(yōu)勢，但在中小功率電源中，數(shù)字電源控制還存在成本偏高的不足。本文提出了適合于通信系統(tǒng)的數(shù)字電源結(jié)構(gòu)，對各個功能模塊進行了描述和功能分析，分析了傳統(tǒng)數(shù)字控制技術(shù)的優(yōu)缺點，提出了影響數(shù)字電源推廣的瓶頸?；诿绹鳶ynqor公司的全數(shù)字控制電源技術(shù)，提出了數(shù)字電源的發(fā)展趨勢。

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作者簡介：程躍飛（出生年份—1982），學校： 哈爾濱工業(yè)大學，單位： 太原太航科技有限公司，研究方向： 硬件開發(fā) ，現(xiàn)有職稱： 工程師。