詳解數(shù)字電源技術(shù)到底是怎么一回事？

進(jìn)入21世紀(jì)以來，開關(guān)電源正朝著智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。新問世的數(shù)字電源以其優(yōu)良特性和完備的監(jiān)控功能，正引起人們的普遍關(guān)注。數(shù)字電源提供了智能化的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)控、遠(yuǎn)程故障診斷、故障處理等電源管理功能，能滿足復(fù)雜的電源要求。

1數(shù)字電源的發(fā)展趨勢(shì)

1.1什么是數(shù)字電源

目前，數(shù)字電源有多種定義。

?定義一：通過數(shù)字接口控制的開關(guān)電源（它強(qiáng)調(diào)的是數(shù)字電源的“通信”功能）。

?定義二：具有數(shù)字控制功能的開關(guān)電源（它強(qiáng)調(diào)的是數(shù)字電源的“數(shù)控”功能）。

?定義三：具有數(shù)字監(jiān)測(cè)功能的開關(guān)電源（它強(qiáng)調(diào)的是數(shù)字電源對(duì)溫度等參數(shù)的“監(jiān)測(cè)“功能）。

上述三種定義的共同特點(diǎn)是“模擬開關(guān)電源→改造升級(jí)”，所強(qiáng)調(diào)的是“電源控制”，其控制對(duì)象主要是開關(guān)電源的外特性。

?定義四：以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或微控制器（MCU）為主，將數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器、PWM控制器等作為控制對(duì)象，能實(shí)現(xiàn)控制、管理和監(jiān)測(cè)功能的電源產(chǎn)品。它是通過設(shè)定開關(guān)電源的內(nèi)部參數(shù)來改變其外特性，并在“電源控制”的基礎(chǔ)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(tǒng)的不同組件，大限度地降低損耗。數(shù)字電源的管理（如電源排序）必須全部采用數(shù)字技術(shù)。

?TI公司定義：數(shù)字電源IC是數(shù)字控制的電源管理IC，它能提供配置、監(jiān)視和監(jiān)控功能，并能擴(kuò)展到全回路控制。

1.2數(shù)字電源的分類

（1）標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電源DPS（Digital Power Supply）

（2）廣義的數(shù)字電源

①數(shù)控電源DCP （Digital Control Power Supply)；

②可編程開關(guān)穩(wěn)壓器PSVR(Programmable Switching Voltage Regulator)；

③數(shù)控基準(zhǔn)電壓源DCRV（Digital Control Reference Voltage Source)；

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

⑤特種數(shù)控電源（如可編程充電器、可編程電焊機(jī)電源、可編程電源適配器）。

1.3數(shù)字電源的發(fā)展趨勢(shì)

2005年，美國(guó)德州儀器公司（TI)率先推出數(shù)字電源產(chǎn)品，并提出了“融合數(shù)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(jìn)一步提高了電源系統(tǒng)管理的智能化程度。目前，國(guó)外芯片廠家飛思卡爾、愛立信、Atmel、Silicon等都在開發(fā)數(shù)字電源IC，數(shù)字電源正進(jìn)入迅速發(fā)展的新時(shí)期。據(jù)Darnell Group公司預(yù)測(cè)，2008年數(shù)字電源控制器IC的價(jià)格將與現(xiàn)有的模擬產(chǎn)品基本持平。

目前盡管國(guó)外對(duì)數(shù)字電源的發(fā)展還有些爭(zhēng)議，但它畢竟象征著一項(xiàng)新技術(shù)。這如同20世紀(jì)70年代末穩(wěn)壓電源從線性電源改為開關(guān)電源時(shí)，曾遇到成本高、輸出噪音大等問題，但開關(guān)電源現(xiàn)已在許多領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)的線性電源。隨著科技的發(fā)展和市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，從模擬電源到數(shù)字電源的轉(zhuǎn)型速度會(huì)大幅加快，數(shù)字電源具有良好的發(fā)展前景。

2數(shù)字電源與模擬電源的性能比較及適用領(lǐng)域

2.1數(shù)字電源與模擬電源的性能比較

?傳統(tǒng)意義的數(shù)控電源，只是調(diào)節(jié)輸出電壓或控制電源的啟動(dòng)、關(guān)斷，并非真正意義的數(shù)字電源。

?數(shù)字電源和模擬電源只是習(xí)慣稱謂，并無嚴(yán)格的數(shù)字、模擬之分。因?yàn)榧词鼓M開關(guān)電源，其PWM也包含了時(shí)鐘、門電路等數(shù)字電路；而數(shù)字電源則包含ADC、基準(zhǔn)電壓源、功率器件等模擬電路。因此，將數(shù)字電源理解成純數(shù)字化并不準(zhǔn)確。

2.2數(shù)字電源的適用領(lǐng)域

?數(shù)字電源適合于控制參數(shù)較多、實(shí)時(shí)響應(yīng)速度快、復(fù)雜的高性能電源系統(tǒng)，例如設(shè)計(jì)從AC線路到負(fù)載的高級(jí)電源系統(tǒng)?？善毡橛糜谝苿?dòng)通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)及不間斷電源（UPS）等。

?模擬電源適應(yīng)于簡(jiǎn)單易用、控制參數(shù)少、成本低的應(yīng)用場(chǎng)合。

3數(shù)字電源的基本構(gòu)成及電路設(shè)計(jì)

3.1數(shù)字電源的基本構(gòu)成

TI公司數(shù)字電源的一種配置方案

32位數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）UCD9501

內(nèi)部主要包含：

?100MHZ的32位CPU

?時(shí)鐘振蕩器

?3個(gè)32位定時(shí)器

?看門狗電路

?內(nèi)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(hào)輸出

?系統(tǒng)控制器

?16通道12位ADC

?16K×16 Flash, 6K×16 SARAM, 1K×16ROM。

?它采用標(biāo)準(zhǔn)的3.3V輸入/輸出接口。

?利用PoWer PADTM HTSSOP和QFN軟件包可進(jìn)行編程。

3.2數(shù)字電源的電路設(shè)計(jì)

過流保護(hù)及關(guān)斷功能

過流保護(hù)電路的工作原理是當(dāng)IO>2.0A時(shí)，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)IO超過設(shè)定電流時(shí)，單片機(jī)立即輸出過流關(guān)斷信號(hào)（高電平），使UC3843B的誤差電壓變?yōu)榈碗娖?，關(guān)斷UC3843B的輸出；并使MOSFET截止，強(qiáng)行關(guān)斷開關(guān)電源的輸出，起到保護(hù)作用。一旦排除過流故障，單片機(jī)就發(fā)出低電平信號(hào)，使開關(guān)電源自動(dòng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。過流關(guān)斷閾值電流可通過鍵盤設(shè)定。設(shè)定范圍是2.0～3.0A。

4可編程開關(guān)穩(wěn)壓器的電路設(shè)計(jì)

?可調(diào)式開關(guān)式穩(wěn)壓器是通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電阻值來改變輸出電壓的，不僅調(diào)節(jié)精度低，而且使用不夠方便。

?用數(shù)字電位器代替可調(diào)電阻，可構(gòu)成由計(jì)算機(jī)控制的可編程開關(guān)穩(wěn)壓器。

數(shù)字電位器的基本工作原理及數(shù)學(xué)模型

?數(shù)字電位器（Digital Potentiometer）亦稱數(shù)控電位器

（Digitally Controlled Potentiometers,DCP），是一種頗具發(fā)展前景的新型電子器件，在許多領(lǐng)域可取代傳統(tǒng)的機(jī)械電位器，普遍用于儀器儀表、計(jì)算機(jī)及通信設(shè)備、家用電器、工業(yè)控制、線性及開關(guān)穩(wěn)壓器等領(lǐng)域。

?數(shù)字電位器的等效電路

數(shù)字電位器屬于集成化的三端可變電阻器件。

?數(shù)字電位器的特點(diǎn)

（1）數(shù)字電位器可等效于三端可編程電阻。

（2）互補(bǔ)電阻kR和（1-k）R是輸入代碼的函數(shù)。

（3）數(shù)字電位器可視為能輸出電阻值的一種特殊的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。

（4）數(shù)字電位器的輸出電阻可轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。

“將模擬電源放到總線上”的設(shè)計(jì)思想

 模擬電源與數(shù)字電源有很大區(qū)別。例如，數(shù)字電源帶接口電路，可直接連到總線上，由DSP或單片機(jī)進(jìn)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(shù)字電位器，利用數(shù)字電位器的接口將模擬電源連接到計(jì)算機(jī)總線上，即可通過計(jì)算機(jī)來控制模擬電源的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)或控制，這就是“將模擬電源放到總線上”的設(shè)計(jì)思想。

5精密數(shù)控基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)

?基準(zhǔn)電壓源是一種用來作為電壓標(biāo)準(zhǔn)的高穩(wěn)定度電壓源。目前，它已被普遍用于數(shù)字儀表、智能儀器和測(cè)試系統(tǒng)中，是一種頗有發(fā)展前景的新型特種電源集成電路。

?基準(zhǔn)電壓源的特點(diǎn)可概括為四個(gè)字：穩(wěn)、準(zhǔn)、簡(jiǎn)、便。

“穩(wěn)”電壓穩(wěn)定度高，不受環(huán)境溫度變化的影響；

“準(zhǔn)”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(xì)調(diào)整，獲得高準(zhǔn)確度的基準(zhǔn)電壓值；

“簡(jiǎn)”周圍電路非常簡(jiǎn)單；

“便”使用靈活、方便。

?在自動(dòng)控制領(lǐng)域經(jīng)常需要一種輸出可調(diào)的精密數(shù)控基準(zhǔn)電壓源，用來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，要求基準(zhǔn)電壓源的步進(jìn)量很?。ɡ?.5mV），而電壓調(diào)節(jié)范圍很寬（如0～2.0000V）。數(shù)控基準(zhǔn)電壓源的特點(diǎn)就是可通過單片機(jī)或微處理器的鍵盤來精確設(shè)定或調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，并且在基準(zhǔn)電壓與輸入數(shù)據(jù)（即設(shè)定值）之間存在著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

?設(shè)計(jì)精密基準(zhǔn)電壓源有兩種方案：

 第一種方案是用數(shù)字電位器來代替電阻分壓器，直接對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，其缺點(diǎn)是受數(shù)字電位器內(nèi)部抽頭數(shù)量的限制（目前生產(chǎn)的數(shù)字電位器內(nèi)部更多只有1024個(gè)抽頭），以及數(shù)字電位器內(nèi)部電阻單元的誤差及滑動(dòng)端電阻的影響，調(diào)節(jié)精度還不可能達(dá)到很高；

 第二種方案是采用內(nèi)含基準(zhǔn)電壓源和電壓轉(zhuǎn)換器的高分辨率D/A轉(zhuǎn)換器，再配上單片機(jī)構(gòu)成精密基準(zhǔn)電壓源，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，很容易滿足設(shè)計(jì)要求。

D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）的選擇

?由MAX5130A與MSP430F149單片機(jī)可構(gòu)成精密數(shù)控基準(zhǔn)電壓源。其輸出基準(zhǔn)電壓的范圍是0~4.0955V，步進(jìn)量為0.5mV，總共可獲得8192種不同的基準(zhǔn)電壓值。輸出基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為16×10/C。通過單片機(jī)還可對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行編程，使輸出的基準(zhǔn)電壓按照一定的規(guī)律發(fā)生變化（例如從1.000V開始，每隔1分鐘步進(jìn)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(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的13位D/A轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱DAC），可普遍用于工業(yè)過程控制、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）、數(shù)字偏移量及增益調(diào)整及單片機(jī)控制系統(tǒng)中。

?MAX5130A內(nèi)含精密帶隙基準(zhǔn)電壓源及電壓轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為2.5V，滿量程輸出為+4.0955V，分辨力為13bit，內(nèi)部電壓溫度系數(shù)低至3×10/°℃。

6精密數(shù)控恒流電源的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案

 恒流源亦稱穩(wěn)流源，它能向負(fù)載提供恒定的電流。理想的恒流源，其輸出電流值應(yīng)不會(huì)發(fā)生變化。但實(shí)際的恒流源只能在一定的范圍內(nèi)（包括溫度范圍、輸入電壓范圍、負(fù)載變化范圍），保持輸出電流的穩(wěn)定性。換言之，此時(shí)電流變化量很小，以至于可忽略不計(jì)。

?以AT89C51單片機(jī)為控制中心的精密數(shù)控恒流電源。

?采用DC/DC電源變換器與線性穩(wěn)壓器相結(jié)合的復(fù)合式穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)，既減小了輸出紋波電流，又降低了系統(tǒng)的功率消耗。

?系統(tǒng)采用12位D/A轉(zhuǎn)換器TLV5616實(shí)現(xiàn)輸出電流的設(shè)定，采用12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX187完成輸出電流的測(cè)量。單片機(jī)系統(tǒng)通過掃描鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流值的多種步進(jìn)設(shè)定，并用LED數(shù)碼管同時(shí)顯示輸出電流設(shè)定值和實(shí)際測(cè)量值。

7結(jié)語(yǔ)

數(shù)字電源是21世紀(jì)正在冉冉升起的一顆“能源之星”。我們相信，數(shù)字電源及各種數(shù)控電源的普遍應(yīng)用，必將取得更加豐碩的成果。