數(shù)字電源的發(fā)展趨勢,數(shù)字電源與模擬電源的性能比較及適用領域

引言

進入21世紀以來，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，正引起人們的廣泛關(guān)注。數(shù)字電源提供了智能化的適應性與靈活性，具備直接監(jiān)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(shù)字電源的發(fā)展趨勢

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)測功能的開關(guān)電源（它強調(diào)的是數(shù)字電源對溫度等參數(shù)的“監(jiān)測”功能）。

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

●定義四：以數(shù)字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動器、PWM控制器等作為控制對象，能實現(xiàn)控制、管理和監(jiān)測功能的電源產(chǎn)品。它是通過設定開關(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，最大限度地降低損耗。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，并能擴展到全回路控制。

1.2 數(shù)字電源的分類

（1）標準的數(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 VoltageRegulator）；

③數(shù)控基準電壓源DCRV（Digital Control Reference VoltageSource）；

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、可編程電焊機電源、可

編程電源適配器）。

1.3 數(shù)字電源的發(fā)展趨勢

2005年，美國德州儀器公司（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、，進一步提高了電源系統(tǒng)管理的智能化程度。目前，國外著名芯片廠家飛思卡爾、愛立信、Atmel、Silicon等都在開發(fā)數(shù)字電源IC，數(shù)字電源正進入迅速發(fā)展的新時期。據(jù)Darnell Group公司預測，2008年數(shù)字電源控制器IC的價格將與現(xiàn)有的模擬產(chǎn)品基本持平。

目前盡管國外對數(shù)字電源的發(fā)展還有些爭議，但它畢竟代表了一項新技術(shù)。這如同20世紀70年代末穩(wěn)壓電源從線性電源改為開關(guān)電源時，曾遇到成本高、輸出噪音大等問題，但開關(guān)電源現(xiàn)已在許多領域取代了傳統(tǒng)的線性電源。隨著科技的發(fā)展和市場需求的擴大，從模擬電源到數(shù)字電源的轉(zhuǎn)型速度會大大加快，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域

2.1 數(shù)字電源與模擬電源的性能比較

需要說明兩點：

●第一，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、關(guān)斷，并非真正意義的數(shù)字電源。

●第二，數(shù)字電源和模擬電源只是習慣稱謂，并無嚴格的數(shù)字、模擬之分。因為即使模擬開關(guān)電源，其PWM也包含了時鐘、門電路等數(shù)字電路；而數(shù)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(shù)字電源理解成純數(shù)字化并不準確。

2.2 數(shù)字電源的適用領域

●數(shù)字電源適合于控制參數(shù)較多、實時響應速度快、復雜的高性能電源系統(tǒng)，例如設計從AC線路到負載的高端電源系統(tǒng)。可廣泛用于移動通信設備、計算機服務器、數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)及不間斷電源（UPS）等。

●模擬電源適應于簡單易用、控制參數(shù)少、成本低的應用場合。

3 數(shù)字電源的基本構(gòu)成及電路設計

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

（1）32位數(shù)字信號處理器（DSP）——UCD9501

內(nèi)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(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。

（2）數(shù)字電源驅(qū)動器——UCD7100

（3）PWM控制器——UCD8220

3.2 數(shù)字電源的電路設計

過流保護及關(guān)斷功能

過流保護電路的工作原理是當IO＞2.0A時，即可發(fā)出報警信號。當IO超過設定電流時，單片機立即輸出過流關(guān)斷信號（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，強行關(guān)斷開關(guān)電源的輸出，起到保護作用。一旦排除過流故障，單片機就發(fā)出低電平信號，使開關(guān)電源自動恢復正常工作狀態(tài)。過流關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器的電路設計

●可調(diào)式開關(guān)式穩(wěn)壓器是通過手動調(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)成由計算機控制的可編程開關(guān)穩(wěn)壓器。

4.1 數(shù)字電位器的基本工作原理及數(shù)學模型

●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，在許多領域可取代傳統(tǒng)的機械電位器，廣泛用于儀器儀表、計算機及通信設備、家用電器、工業(yè)控制、線性及開關(guān)穩(wěn)壓器等領域。

●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)字電位器的原理示意圖

●數(shù)字電位器的數(shù)學模型

●數(shù)字電位器的特點

★（1）數(shù)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(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”的設計思想

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(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算機總線上，即可通過計算機來控制模擬電源的參數(shù)，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)或控制，這就是“將模擬電源放到總線上”的設計思想?！皩⒛M電源放到總線上”的示意圖如圖9所示。

圖中的公共汽車（bus）就相當于帶數(shù)字電位器的總線接口。

4.2 可編程開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)化設計

由數(shù)字電位器和開關(guān)穩(wěn)壓器構(gòu)成的可編程開關(guān)穩(wěn)壓器（方案之一）

由數(shù)字電位器和開關(guān)穩(wěn)壓器構(gòu)成的可編程開關(guān)穩(wěn)壓器（方案之二、方案之三）

多路輸出式開關(guān)穩(wěn)壓器的設計方案

4.3 提高開關(guān)穩(wěn)壓器調(diào)壓精度的方法

（方法之一）

圖17 將X9241級聯(lián)后構(gòu)成8001抽頭數(shù)字電位器的電路

采用串聯(lián)、并聯(lián)方法并配合必要的程序設計，就能大幅度提高數(shù)字電位器的分辨率。例如，使用一片四路64抽頭數(shù)字電位器X9241，即可構(gòu)成一個具有極高分辨率的8001抽頭數(shù)字電位器，其分辨率高達（1/8000）×100％＝0.0125％?？墒拐{(diào)壓精度大大提高。

（方法之二）

DS3906為低電阻、小步長的三路64抽頭非易失性數(shù)字電位器，給它配上外部電阻后能獲得1Ω甚至0.1Ω的小步長。

5 精密數(shù)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(wěn)定度電壓源。目前，它已被廣泛用于數(shù)字儀表、智能儀器和測試系統(tǒng)中，是一種頗有發(fā)展前景的新型特種電源集成電路。

●基準電壓源的特點可概括為四個字：穩(wěn)、準、簡、便。

“穩(wěn)”——電壓穩(wěn)定度高，不受環(huán)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(diào)整，獲得高準確度的基準電壓值；

“簡”——外圍電路非常簡單；

“便”——使用靈活、方便。

●在自動控制領域經(jīng)常需要一種輸出可調(diào)的精密數(shù)控基準電壓源，用來控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，要求基準電壓源的步進量很小（例如0.5mV），而電壓調(diào)節(jié)范圍很寬（如0～2.0000V）。數(shù)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(diào)節(jié)基準電壓，并且在基準電壓與輸入數(shù)據(jù)（即設定值）之間存在著嚴格的對應關(guān)系。

●設計精密基準電壓源有兩種方案：

第一種方案是用數(shù)字電位器來代替電阻分壓器，直接對基準電壓進行調(diào)節(jié)，其缺點是受數(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)部最多有1024個抽頭），以及數(shù)字電位器內(nèi)部電阻單元的誤差及滑動端電阻的影響，調(diào)節(jié)精度還不可能達到很高；

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

5.1 D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）的選擇

●由MAX5130A與MSP430F149單片機可構(gòu)成精密數(shù)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(shù)為16×10 /℃。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(guī)律發(fā)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(chǎn)的13位D/A轉(zhuǎn)換器（簡稱DAC），可廣泛用于工業(yè)過程控制、自動測試設備（ATE）、數(shù)字偏移量及增益調(diào)整及單片機控制系統(tǒng)中。

●MAX5130A內(nèi)含精密帶隙基準電壓源及電壓轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部基準電壓為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 /℃。

1.25V帶隙基準電壓首先經(jīng)過緩沖放大器放大，獲得2.5V基準電壓；最后通過輸出放大器放大，滿量程時的輸出電壓為4.0955V（標稱值，允許變化范圍是4.0463～4.1447V）。利用

端可對基準電壓進行微調(diào)，使之達到標稱值

5.2 精密數(shù)控基準電壓源的電路設計

●整機電路由10部分組成：

①16位單片機（IC1，MSP430F149）；

②D/A轉(zhuǎn)換器（IC2，MAX5130A）；

③輸出緩沖器（IC3，AD8031）；

④串行靜態(tài)譯碼驅(qū)動電路（IC4～ IC9，6片CD4094）；

⑤顯示器及狀態(tài)指示電路（LED1～LED9）；

⑥4×4鍵盤；

⑦晶振電路（JT）；

⑧上電自動復位及手動復位電路；

⑨具有下載和在線仿真功能的邊界掃描（JTAG）插座；

⑩＋3.3V穩(wěn)壓電源。

精密數(shù)控基準電壓源的電路框圖

6 精密數(shù)控恒流電源的設計

6.1 設計方案

●恒流源亦稱穩(wěn)流源，它能向負載提供恒定的電流。理想的恒流源，其輸出電流值應絕對不發(fā)生變化。但實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、負載變化范圍），保持輸出電流的穩(wěn)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(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實現(xiàn)輸出電流的設定，采用12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX187完成輸出電流的測量。單片機系統(tǒng)通過掃描鍵盤實現(xiàn)對輸出電流值的多種步進設定，并用LED數(shù)碼管同時顯示輸出電流設定值和實際測量值。

6.2 精密數(shù)控恒流電源的電路設計

單片機接收鍵盤的輸入數(shù)據(jù)，將設定的電流值通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為控制電壓，并將設定電流在顯示器上顯示；輸出電流通過A/D轉(zhuǎn)換器后也送入單片機，由單片機進行處理后送入顯示器顯示，顯示器同時顯示電流設定值和測量值，以便進行對比和調(diào)試。

電源主電路的設計

采用開關(guān)電源（DC/DC變換器）和線性調(diào)整晶體管相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。

電流控制電路的設計

12位D/A轉(zhuǎn)換器TLV5616將設定電流值轉(zhuǎn)換為給定電壓，該電壓經(jīng)IC1b反相衰減后送到IC1（+）端，給定電壓的最大值為4.096V，其中，4.000V對應于2000mA。電流源的輸出電流通過0.55Ω的取樣電阻產(chǎn)生取樣電壓，經(jīng)RP1調(diào)節(jié)校準后也送到IC1（+）端，這兩個電壓的差值經(jīng)過IC1比較放大后送到電子濾波器的控制端，用于調(diào)整電子濾波器的輸出電壓，從而實現(xiàn)輸出電流的穩(wěn)定。IC1與外圍元件組成PI（比例積分）調(diào)節(jié)器。

7 結(jié)語

數(shù)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(shù)字電源及各種數(shù)控電源的廣泛應用，必將取得更加豐碩的成果。