数字技术在开关电源控制中的应用和发展探析

数字技术在开关电源控制中的应用和发展探析
赵志月（天津职业技术师范大学，天津电子信息高级技术学校，）
摘要：本文首先介绍了现代电源控制的数字化发展趋势，结合数字芯片的结构特点，通过分析目前常用的两种数字技术控制电源的手段，指出其优势及缺点，并且推广一种新的电源控制数字技术，分析其优势以及未来的发展趋势，为我国的电源控制提供一些理论参考。

关键词：数字技术；开关电源控制；应用与发展
随着电子技术和信息技术的飞速发展，传统的机械控制和电源控制都朝着数字化方向发展，在实际生活中得到广泛运用，然而高科技产品的更新速度不断加快也相应的提高了对开关电源控制的要求，数字技术控制开关的电路和手段相应的发生一定的变化。

就目前而言，数字控制技术在开关控制上存在一定的缺点，比如控制电路设计复杂、元器件较多、电源控制不灵等，这一定程度上制约了高科技产品功能的发挥，因此，寻找一种可持续使用的数字开关电源控制系统对未来电器产品的发展有着重要的意义。

一、数字控制技术的发展现状
数字技术近几年发展迅速，在开关电源控制领域取得了突出成果，目前我国的开关电源中的数字控制技术常用主要有两种：
（一）单片机外接D
A-转换芯片
利用单片机外接D
A-转换芯片对电器进行采样，再分析采样结果得出相应的数据并进行运算和调节，利用结果数据转换成A
D-后传输到PWM芯片内，同时通过单片机间接的实现开关电源控制，这种方法在技术层面上比较成熟，是当前使用较为广泛的数字技术，成本也相对较低，对单片机的要求不是很高，但是其缺点是控制电路比较复杂，电子元件较多，在进行控制时，由于数字命令要经过多个元件，所以反应时间较长，影响电器的动态运行性能，虽然有的单片机集成PWM输出，但是随着电源开关的高频化发展，而一般的单片机频率有限，PWM输出频率与单片机振动频率不符，使得开关控制有时不能精准到位。

（二）高性能数字DSP芯片
高性能数字芯片在实际应用上也较为广泛，比如常见的DSP实现电源的直
接控制手段，主要工作原理是利用数字芯片来进行信号的采样与D
A-转换和PWM输出工作，由于输出PWM的功率不足，不能驱动开关，这时候就要增加一个驱动芯片来实现开关的驱动，这种方法能有效的简化控制电路的设计，减少电路芯片的数量，使控制命令传输速度加快，并且高性能芯片因为拥有高效的采样速度和运算速度，能快速的完成电路中各种复杂的控制算法，及时实现电器的电源开关控制，但是其缺点也很明显，因为DSP芯片结构比较复杂，生产成本较高，并且DSP控制技术比较复杂，操作起来很麻烦，在实际运用中考虑到生产效益，这类芯片运用的比较少，虽然目前也有开关电源控制使用了DSP技术，但是仅仅局限于在高科技以及对电源控制性能要求比较高的领域。

通过分析以上两种实际运用的数字控制技术可以发现，我国的开关电源在实现数字化方面还存在许多问题，这些问题的存在严重制约了高科技产品的发展，寻找一种新的开关电源控制技术迫在眉睫。

二、一种新颖的电源控制技术
在开关电源的数字控制中有一种问题无法避免，即D
A-转换器速度与操作精度成反比。

在实际运用中，要保证开关电源具有较高的精确度，那么D
A-转换器势必要有高精度的采样结果，但是这样一来，D
A-的采样时间就要大大延长，而采样作为反馈环路中的重要部分，采样时间的延长必定会影响电源启动的时间。

并且除了模拟控制的相位延迟之外，D
A-转换时间的延长在一定程度上会造成相位滞后，这样就使得回路的响应时间延长。

通过模拟芯片采取RC补偿进行PI调节的方法一样，如果在电源控制回路中利用PI调节的方法使控制回路中的相应能力加强，这种做法就必须占用数字芯片较大的空间，由于采样信号的离散，信号连续不断，每两次采样的时间间隔不能精确的确定，使得电源控制精准度时常发生变化。

如果要实现精准的控制，就必须知道两次采样的具体时间并且将其设定为一个定量，且每次采样的时间不能相隔的太长，采样频率要达到一定的高度。

作为控制开关中的数字芯片，在每次D
A-转换结束后，相应的数据会输入到计算机中，通过计算机的精确计算在反馈到回路控制中，然而这种方法如果在采样频率达到一定高度时，耗费的时间和资源相对来说较长，并且对数字芯片的质量和要求也比较高，使得芯片的成本增加，目前设计专门使用于数字控制中的高性能数字芯片较少，即便使用也常用于高科技领域，而且DSP芯片非
电源控制专用的芯片，这就使得芯片的再利用没有很高的价值。

数字芯片和电源技术的快速发展，催生出了一种新型的电源控制处理器，这种新型的处理器和数字芯片的中央处理器不同。

控制处理器是由高速D A -转换器、数字PID 补偿器和数字PWM 输出三个方面构成，中央处理器作为管理电路应用在电源控制上，具体原理如图1所示：
图1 控制环路处理器原理图
由图可知这种新型的控制处理器最重要的部分是D A -转换器、PID 补偿器、数字PWM 输出构成，而外部存储器记录了数字控制的转换过程，实现高速的D A -转换主要是利用CMOS 延迟时间，d t 的延长影响输入电压DD V ，而DD V 又和传输延迟时间成反比关系，也即DD V 越大，延迟时间越短。

如图2所示：
图2 高速转换原理示意图
输入电压CMOS 的电压DD V 作为采样电压输入点，信号的传输延迟受到采样时间d t 和电压DD V 影响。

通过第4
3采样周期采样高电压消失，并且记录1q 到8q 的输出，将结果输送到编码器完成D A -转换。

如图3所示：
图3 采样波形
得出结论：DD V 越大，d t 越小，因此控制时间大大缩短。

采用新技术的D A -转换器大大将低了转换时间，并且可以实现兆赫级的转换速度，这是旧技术所不能达到的，高速的采样频率能使DPWM 信号的更新加快，使控制器中不断更新PWM 信号来稳压，避免了传统ADC 采样有限的频率进行采样，以降低开关频率为代价来提高稳压精度的问题。

DPWM 时钟对控制电路进行加频后可以使频率达到200MHZ ，这种高分辨率使DPWM 控制信号强度达到5ns ，开关频率能达到1MHZ 。

新型的数字控制器大大提高了控制的灵活性，并且芯片是专门为电源设计开关，很大程度上降低了成本，调试起来更方便，实际运用性更强，相信在未来这种控制处理器会得到广泛使用。

然而，目前这种新型控制处理芯片还比较少，8250Si 就是其中一款，它采用的是双处理器方法，电源开关的通信和管理都由专用的系统管理器完成，使用一个6位采样频率为10MHZ 的D A -转换器，能在非常短的时间里完成一次PWM 输出信号的更新，更好的实现电源稳压效果。

结语：
和传统的模拟控制对比，数字控制有着十分明显的优势，但是由于目前的大多数数字芯片能满足电源开关的需求，而即便能达到要求的芯片往往在成本上花费较高，不利于大量的使用，因此目前我国数字技术在电源开关的应用中不是很成熟。

如果新的电源控制芯片能尽快的实现批量生产，数字控制在电源开关的控制领域运用的将会更为广泛。

参考文献：
[1]尹相卿,白林绪,申利飞,王聪.数字控制技术在本质安全型开关电源中的应用[J].工矿自动化,2010（10）.
[2]张国龙,郑琛瑶.DSP数字控制开关电源设计及控制算法研究[J].现代电子技术,2014（21）.。