浅谈开关电源数字控制技术的进展

浅谈开关电源数字控制技术的进展

张伟

天津航空机电有限公司 天津市 300308

摘要：近年来，半导体电子技术高速发展，小型化、高速化、智能化成为电子设备的发展方向，新型电子产品的应用需求已不能被传统的模拟控制开关电源所满足，由此，开关电源技术攻关进展影响到电力电子技术行业的发展，并逐渐成为该技术的重要组成。当前主流的整机系统需要能够实现包括监控和反馈等智能功能在内的开关电源， 与模拟控制相比，数字控制具有开发时间短、易于系统集成、在整机系统中容易实现模块化控制管理等的优点，并且能够解决元器件离散性的难题，因此，高精度控制的电源系统往往采用数字控制技术，这也推动着电源技术的发展。本文简单的介绍了开关电源数字控制技术，对当前发展现状形成总结，希望能起到抛砖引玉的效果。

关键词：开关电源；数字控制；研究进展

1、数字控制电源概念

数字控制电源的控制核心是数字处理控制器。该控制器通过一定的软件算法来控制PWM电路，PWM产生的驱动信号经过驱动器放大后，驱动功率开关管，进而控制整个功率回路。数字控制电源能够监控电源内部的工作状态，并实现与外部系统的通信，将电源的内部状态提供给整机系统。数字控制电源系统包括数字电路、接口电路以及部分模拟电路。其中，模拟电路主要指系统中的功率部分，包括磁性元器件、开关整流器件、电阻电容等；数字电路主要包括数字处理芯片；接口电路主要包括模数转换器和用于通讯的接口电路。

2、开关电源数字控制技术的优点

相对于模拟控制电源，数字控制电源的优点主要有以下3点。

2.1输出误差更小

模拟控制电源中输出取样电阻有温度漂移导致高低温下输出电压偏差较大。模拟电源生产过程里每一只电路都必须调节输出电压，而数字控制电源可获得很好的一致性且不需精细调试。数字控制的开关电源，输出电压稳定性高，电压偏移极少出现，几乎没有老化现象，有利于产品批量生产加工和长期使用。

2.2独特快速的数据处理能力

其一大作用在于，数字控制技术的采用，可以将Bang-Bang控制、V2控制、单周控制等先进的算法引入电源，模拟电路则一般不能实现这种目标，数字控制技术开关还有全面的系统管理和监控能力，能够为整机系统提供数据上报，易于集中化控制和功能集成管控。其二是在于，采用数字控制技术的电源转换效率高，通过对开关电源的精确控制，依靠快速的数据处理能力，实现开关时的零电压和零电流，这种技术在模拟电路中不可能实现，其大大降低了功率器件的损耗，有益于电子产品的安全和长期使用。其三在于，模拟电源不能实现非线性控制，大电流输出需等待反馈环路起作用，需要的响应时间很长，而数字控制技术可以实现非线性控制，DSP控制器可以响应迅速，没有延迟。

3、数字控制方式

3.1带有PWM输出的单片机控制方式

用单片机控制的开关电源，信号采样由一个高精度A/D来完成。基准信号由外接键盘输入或者通过程序来设定，两路信号比较得到误差信号，再根据误差信号生成不同脉宽的PWM波形以驱动开关管。这种方式的控制电路结构比较简单，而且可以通过软件实现很多较复杂的算法。运用这种单片机控制高频PWM变换器就整体性价比来看，已经不低于传统模拟集成PWM芯片了，因为单片机电路除可以完成电压、电流调节、PWM生成功能以外，还可完成数据的采集、显示、参数调整、系统监控、通信等工作。ATMEL公司生产的ATtiny15是具有直接输出PWM波的单片机。它内置4通道10位A/D转换器和一个高速(150kHz)PWM输出。

3.2带有PWM输出的DSP控制方式

DSP构架是专为数字信号处理而设计的，其计算功能强大毋庸置疑，所以对于动态响应要求高的开关电源，可以选用计算功能强大的DSP芯片来实现控制电路。与单片机相比，DSP芯片在总线结构、数据处理能力以及指令执行时间上，都有明显的优势。它的控制过程与单片机控制过程一样，只是运算功能更加强大，解决了单片机动态响应不足的缺点。例如TI公司的C2000系列，具有高精度A/D和高速PWM输出，非常适合用于开关电源控制。不过DSP芯片的价格却不能与传统模拟PWM芯片和单片机相比，这也是制约DSP芯片应用于开关电源控制领域的一个重要因素。

3.3FPGA控制方式

FPGA具有容量大、逻辑功能强的特点，而且兼有高速、高可靠性。其内部主要分为2个模块，第1个模块是由软核CPU组成的通信管理模块，第2个模块由几个DSP块组成，主要完成调节器的PI或PID运算、高分辨率PWM信号的产生以及数字滤波等。由FPGA内部结构可以看出，它能够在产生数字PWM波形的同时实现外部通信、显示等功能，由于内部有多个DSP块，所以它可以采用非常复杂的算法来进行控制和时延补偿。用 FPGA控制可以得到非常好的控制精度和动态响应，只是在使用的时候需要外加高精度 A/D。

4、数字电源发展趋势

针对目前电源工程师对数字控制技术不熟悉的问题，国外很多数字处理器厂家推出了便利措施。如英特赛尔公司，推出了新一代Power Nabigator TM图形用户界面（GUI），不用编写软件代码就能设计数字电源，其简易的操作界面使得设计者能够更加快捷方便地设计。德州仪器公司推出了UCD数字控制器，有数字电源控制界面，不需要对软件有深入的理解，仅仅需要输入设计参数，软件系统就会根据用户需求，自动生成高可靠的软件程序。随着更多的DSP厂家推出易于操作的方式，数字电源将会得到模拟电源设计师的认可。在控制技术方面，若直接对模拟控制进行数字化，模块电源将会存在功率频率低、体积大的问题。因此，需要对数字控制算法进行创新。目前，国外大功率数字模块电源厂商主要有爱立信和Synqor公司。爱立信公司推出了面向通信市场的中小功率全数字电源，通过在数字控制器中置入复合控制方式，解决了数字电源工作频率低的问题。Synqor公司在推出基于单片机控制的数模混合控制电源后， 又推出了基于DSP控制的全数字电源。全数字控制电源技术将工业标准半砖尺寸的模块电源的功率提升到500W，效率达95%。在控制技术方面，Synqor公司进行了创新，采用专利的Bang-Bang控制技术，解决了全数字控制对数字控制器DSP工作频率的依赖问题。电路工作频率为250kHz，控制芯片为自主设计的DSP控制器。电路采用2级级联结构迟滞控制方式，解决了全桥电路的磁通不平衡和数字电源负载大动态响应的问题。随着爱立信和Synqor等公司的全数字标准模块电源大量应用，将会彻底改变人们对电源系统的认识，推动创新控制技术的发展。可预见，在不久的将来，数字电源将会代替模拟电源，成为开关电源市场的主角。

结语：由于数字控制的众多优点以及数字技术的高速发展，数字控制的开关电源有着极为广泛的应用前景。

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