詳解數字電源技術到底是怎么一回事？

詳解數字電源技術到底是怎么一回事？

進入21世紀以來，開關電源正朝著智能化、數字化的方向發展。新問世的數字電源以其優良特性和完備的監控功能，正引起人們的普遍關注。數字電源提供了智能化的適應性與靈活性，具備直接監控、遠程故障診斷、故障處理等電源管理功能，能滿足復雜的電源要求。

1數字電源的發展趨勢

1.1什么是數字電源

目前，數字電源有多種定義。

?定義一：通過數字接口控制的開關電源（它強調的是數字電源的“通信”功能）。

?定義二：具有數字控制功能的開關電源（它強調的是數字電源的“數控”功能）。

?定義三：具有數字監測功能的開關電源（它強調的是數字電源對溫度等參數的“監測“功能）。

上述三種定義的共同特點是“模擬開關電源→改造升級”，所強調的是“電源控制”，其控制對象主要是開關電源的外特性。

?定義四：以數字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）為主，將數字電源驅動器、PWM控制器等作為控制對象，能實現控制、管理和監測功能的電源產品。它是通過設定開關電源的內部參數來改變其外特性，并在“電源控制”的基礎上增加了“電源管理”。所謂電源管理是指將電源有效地分配給系統的不同組件，大限度地降低損耗。數字電源的管理（如電源排序）必須全部采用數字技術。

?TI公司定義：數字電源IC是數字控制的電源管理IC，它能提供配置、監視和監控功能，并能擴展到全回路控制。

1.2數字電源的分類

（1）標準的數字電源DPS（Digital Power Supply）

（2）廣義的數字電源

①數控電源DCP （Digital Control Power Supply)；

②可編程開關穩壓器PSVR(Programmable Switching Voltage Regulator)；

③數控基準電壓源DCRV（Digital Control Reference Voltage Source)；

④數控電流源DCC(Digital Control Current Source）；

⑤特種數控電源（如可編程充電器、可編程電焊機電源、可編程電源適配器）。

1.3數字電源的發展趨勢

2005年，美國德州儀器公司（TI)率先推出數字電源產品，并提出了“融合數字電源”（Fusion DigitalPower)的解決方案。TI公司推出了第三代Fusion Digital Power控制器UCD9240以及全新插入式模塊，編程更加靈活、，進一步提高了電源系統管理的智能化程度。目前，國外芯片廠家飛思卡爾、愛立信、Atmel、Silicon等都在開發數字電源IC，數字電源正進入迅速發展的新時期。據Darnell Group公司預測，2008年數字電源控制器IC的價格將與現有的模擬產品基本持平。

目前盡管國外對數字電源的發展還有些爭議，但它畢竟象征著一項新技術。這如同20世紀70年代末穩壓電源從線性電源改為開關電源時，曾遇到成本高、輸出噪音大等問題，但開關電源現已在許多領域取代了傳統的線性電源。隨著科技的發展和市場需求的擴大，從模擬電源到數字電源的轉型速度會大幅加快，數字電源具有良好的發展前景。

2數字電源與模擬電源的性能比較及適用領域

2.1數字電源與模擬電源的性能比較

?傳統意義的數控電源，只是調節輸出電壓或控制電源的啟動、關斷，并非真正意義的數字電源。

?數字電源和模擬電源只是習慣稱謂，并無嚴格的數字、模擬之分。因為即使模擬開關電源，其PWM也包含了時鐘、門電路等數字電路；而數字電源則包含ADC、基準電壓源、功率器件等模擬電路。因此，將數字電源理解成純數字化并不準確。

2.2數字電源的適用領域

?數字電源適合于控制參數較多、實時響應速度快、復雜的高性能電源系統，例如設計從AC線路到負載的高級電源系統。可普遍用于移動通信設備、計算機服務器、數據中心電源系統及不間斷電源（UPS）等。

?模擬電源適應于簡單易用、控制參數少、成本低的應用場合。

3數字電源的基本構成及電路設計

3.1數字電源的基本構成

TI公司數字電源的一種配置方案

32位數字信號處理器（DSP）UCD9501

內部主要包含：

?100MHZ的32位CPU

?時鐘振蕩器

?3個32位定時器

?看門狗電路

?內部/外部中斷控制器

?SCI總線、SPI總線、CAN總線及總線接口

?12路PWM信號輸出

?系統控制器

?16通道12位ADC

?16K×16 Flash, 6K×16 SARAM, 1K×16ROM。

?它采用標準的3.3V輸入/輸出接口。

?利用PoWer PADTM HTSSOP和QFN軟件包可進行編程。

3.2數字電源的電路設計

過流保護及關斷功能

過流保護電路的工作原理是當IO>2.0A時，即可發出報警信號。當IO超過設定電流時，單片機立即輸出過流關斷信號（高電平），使UC3843B的誤差電壓變為低電平，關斷UC3843B的輸出；并使MOSFET截止，強行關斷開關電源的輸出，起到保護作用。一旦排除過流故障，單片機就發出低電平信號，使開關電源自動恢復正常工作狀態。過流關斷閾值電流可通過鍵盤設定。設定范圍是2.0～3.0A。

4可編程開關穩壓器的電路設計

?可調式開關式穩壓器是通過手動調節電阻值來改變輸出電壓的，不僅調節精度低，而且使用不夠方便。

?用數字電位器代替可調電阻，可構成由計算機控制的可編程開關穩壓器。

數字電位器的基本工作原理及數學模型

?數字電位器（Digital Potentiometer）亦稱數控電位器

（Digitally Controlled Potentiometers,DCP），是一種頗具發展前景的新型電子器件，在許多領域可取代傳統的機械電位器，普遍用于儀器儀表、計算機及通信設備、家用電器、工業控制、線性及開關穩壓器等領域。

?數字電位器的等效電路

數字電位器屬于集成化的三端可變電阻器件。

?數字電位器的特點

（1）數字電位器可等效于三端可編程電阻。

（2）互補電阻kR和（1-k）R是輸入代碼的函數。

（3）數字電位器可視為能輸出電阻值的一種特殊的數/模轉換器。

（4）數字電位器的輸出電阻可轉換成電壓或電流輸出。

“將模擬電源放到總線上”的設計思想

 模擬電源與數字電源有很大區別。例如，數字電源帶接口電路，可直接連到總線上，由DSP或單片機進行控制；而模擬電源沒有接口電路，不能接到總線上。但只要給模擬電源配上數字電位器，利用數字電位器的接口將模擬電源連接到計算機總線上，即可通過計算機來控制模擬電源的參數，實現自動調節或控制，這就是“將模擬電源放到總線上”的設計思想。

5精密數控基準電壓源的設計

?基準電壓源是一種用來作為電壓標準的高穩定度電壓源。目前，它已被普遍用于數字儀表、智能儀器和測試系統中，是一種頗有發展前景的新型特種電源集成電路。

?基準電壓源的特點可概括為四個字：穩、準、簡、便。

“穩”電壓穩定度高，不受環境溫度變化的影響；

“準”能通過外部元件（例如精密多圈電位器或精密分壓電阻）作精細調整，獲得高準確度的基準電壓值；

“簡”周圍電路非常簡單；

“便”使用靈活、方便。

?在自動控制領域經常需要一種輸出可調的精密數控基準電壓源，用來控制執行機構的動作，要求基準電壓源的步進量很小（例如0.5mV），而電壓調節范圍很寬（如0～2.0000V）。數控基準電壓源的特點就是可通過單片機或微處理器的鍵盤來精確設定或調節基準電壓，并且在基準電壓與輸入數據（即設定值）之間存在著嚴格的對應關系。

?設計精密基準電壓源有兩種方案：

 第一種方案是用數字電位器來代替電阻分壓器，直接對基準電壓進行調節，其缺點是受數字電位器內部抽頭數量的限制（目前生產的數字電位器內部更多只有1024個抽頭），以及數字電位器內部電阻單元的誤差及滑動端電阻的影響，調節精度還不可能達到很高；

 第二種方案是采用內含基準電壓源和電壓轉換器的高分辨率D/A轉換器，再配上單片機構成精密基準電壓源，其優點是電路簡單，很容易滿足設計要求。

D/A轉換器（DAC）的選擇

?由MAX5130A與MSP430F149單片機可構成精密數控基準電壓源。其輸出基準電壓的范圍是0~4.0955V，步進量為0.5mV，總共可獲得8192種不同的基準電壓值。輸出基準電壓的溫度系數為16×10/C。通過單片機還可對基準電壓進行編程，使輸出的基準電壓按照一定的規律發生變化（例如從1.000V開始，每隔1分鐘步進0.5mV，一直升高到2.5000V，然后逐漸減低），以滿足過程控制的需要。

?MAX5130A是美國MAXIM公司生產的13位D/A轉換器（簡稱DAC），可普遍用于工業過程控制、自動測試設備（ATE）、數字偏移量及增益調整及單片機控制系統中。

?MAX5130A內含精密帶隙基準電壓源及電壓轉換器。內部基準電壓為2.5V，滿量程輸出為+4.0955V，分辨力為13bit，內部電壓溫度系數低至3×10/°℃。

6精密數控恒流電源的設計

設計方案

 恒流源亦稱穩流源，它能向負載提供恒定的電流。理想的恒流源，其輸出電流值應不會發生變化。但實際的恒流源只能在一定的范圍內（包括溫度范圍、輸入電壓范圍、負載變化范圍），保持輸出電流的穩定性。換言之，此時電流變化量很小，以至于可忽略不計。

?以AT89C51單片機為控制中心的精密數控恒流電源。

?采用DC/DC電源變換器與線性穩壓器相結合的復合式穩壓電源結構，既減小了輸出紋波電流，又降低了系統的功率消耗。

?系統采用12位D/A轉換器TLV5616實現輸出電流的設定，采用12位A/D轉換器MAX187完成輸出電流的測量。單片機系統通過掃描鍵盤實現對輸出電流值的多種步進設定，并用LED數碼管同時顯示輸出電流設定值和實際測量值。

7結語

數字電源是21世紀正在冉冉升起的一顆“能源之星”。我們相信，數字電源及各種數控電源的普遍應用，必將取得更加豐碩的成果。