详解数字电源技术到底是怎么一回事（一）

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进入21世纪以来，开关电源正朝着智能化、数字化的方向发展。新问世的数字电源以其优良特性和完备的监控功能，正引起人们的广泛关注。数字电源提供了智能化的适应性与灵活性，具备直接监控、远程故障诊断、故障处理等电源管理功能，能满足复杂的电源要求。

1 数字电源的发展趋势

1.1 什么是数字电源

目前，数字电源有多种定义。

● 定义一：通过数字接口控制的开关电源（它强调的是数字电源的“通信”功能）。

● 定义二：具有数字控制功能的开关电源（它强调的是数字电源的“数控”功能）。

● 定义三：具有数字监测功能的开关电源（它强调的是数字电源对温度等参数的“监测”功能）。

上述三种定义的共同特点是“模拟开关电源→改造升级”，所强调的是“电源控制”，其控制对象主要是开关电源的外特性

● 定义四：以数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）为核心，将数字电源驱动器、PWM控制器等作为控制对象，能实现控制、管理和监测功能的电源产品。它是通过设定开关电源的内部参数来改变其外特性，并在“电源控制”的基础上增加了“电源管理”。所谓电源管理是指将电源有效地分配给系统的不同组件，最大限度地降低损耗。数字电源的管理（如电源排序）必须全部采用数字技术。

● TI公司定义：数字电源IC是数字控制的电源管理IC，它能提供配置、监视和监控功能，并能扩展到全回路控制。

1.2 数字电源的分类

（1）标准的数字电源DPS（Digital Power Supply）

（2）广义的数字电源

①数控电源DCP （Digital Control Power Supply）；

②可编程开关稳压器PSVR（Programmable Switching Voltage Regulator）；

③数控基准电压源DCRV（Digital Control Reference Voltage Source）；

④数控电流源DCC（Digital Control Current Source）；

⑤ 特种数控电源（如可编程充电器、可编程电焊机电源、可

编程电源适配器）。

1.3 数字电源的发展趋势

2005年，美国德州仪器公司（TI）率先推出数字电源产品，并提出了“融合数字电源”（Fusion DigitalPower）的解决方案。TI公司推出了第三代Fusion Digital Power控制器UCD9240以及全新插入式模块，编程更加灵活、，进一步提高了电源系统管理的智能化程度。目前，国外著名芯片厂家飞思卡尔、爱立信、Atmel、Silicon等都在开发数字电源IC，数字电源正进入迅速发展的新时期。据Darnell Group公司预测，2008年数字电源控制器IC的价格将与现有的模拟产品基本持平。

目前尽管国外对数字电源的发展还有些争议，但它毕竟代表了一项新技术。这如同20世纪70年代末稳压电源从线性电源改为开关电源时，曾遇到成本高、输出噪音大等问题，但开关电源现已在许多领域取代了传统的线性电源。随着科技的发展和市场需求的扩大，从模拟电源到数字电源的转型速度会大大加快，数字电源具有良好的发展前景。

2 数字电源与模拟电源的性能比较及适用领域

2.1 数字电源与模拟电源的性能比较

需要说明两点：

● 第一，传统意义的数控电源，只是调节输出电压或控制电源的启动、关断，并非真正意义的数字电源。

● 第二，数字电源和模拟电源只是习惯称谓，并无严格的数字、模拟之分。因为即使模拟开关电源，其PWM也包含了时钟、门电路等数字电路；而数字电源则包含ADC、基准电压源、功率器件等模拟电路。因此，将数字电源理解成纯数字化并不准确。

2.2 数字电源的适用领域

● 数字电源适合于控制参数较多、实时响应速度快、复杂的高性能电源系统，例如设计从AC线路到负载的高端电源系统。可广泛用于移动通信设备、计算机服务器、数据中心电源系统及不间断电源（UPS）等。

● 模拟电源适应于简单易用、控制参数少、成本低的应用场合。

3 数字电源的基本构成及电路设计

3.1 数字电源的基本构成

TI公司数字电源的一种配置方案

（1）32位数字信号处理器（DSP）UCD9501

内部主要包含：

● 100MHz的32位CPU

● 时钟振荡器

● 3个32位定时器

● 看门狗电路

● 内部/外部中断控制器

● SCI总线、SPI总线、CAN总线及总线接口

● 12路PWM信号输出

● 系统控制器

● 16通道12位ADC

● 16K×16 Flash，6K×16 SARAM，1K×16ROM。

● 它采用标准的3.3V输入/输出接口。

● 利用Power PADTM HTSSOP和QFN软件包可进行编程。

（2）数字电源驱动器UCD7100

（3）PWM控制器UCD8220

3.2 数字电源的电路设计

过流保护及关断功能

过流保护电路的工作原理是当IO＞2.0A时，即可发出报警信号。当IO超过设定电流时，单片机立即输出过流关断信号（高电平），使UC3843B的误差电压变为低电平，关断UC3843B的输出；并使MOSFET截止，强行关断开关电源的输出，起到保护作用。一旦排除过流故障，单片机就发出低电平信号，使开关电源自动恢复正常工作状态。过流关断阈值电流可通过键盘设定。设定范围是2.0～3.0A。

4 可编程开关稳压器的电路设计

● 可调式开关式稳压器是通过手动调节电阻值来改变输出电压的，不仅调节精度低，而且使用不够方便。

● 用数字电位器代替可调电阻，可构成由计算机控制的可编程开关稳压器。

4.1 数字电位器的基本工作原理及数学模型

● 数字电位器（Digital Potentiometer）亦称数控电位器

（Digitally Controlled Potentiometers，DCP），是一种颇具发展前景的新型电子器件，在许多领域可取代传统的机械电位器，广泛用于仪器仪表、计算机及通信设备、家用电器、工业控制、线性及开关稳压器等领域。

● 数字电位器的等效电路

数字电位器属于集成化的三端可变电阻器件。

审核编辑 黄昊宇