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詳解數(shù)字電源的優(yōu)勢(shì)

發(fā)布時(shí)間:2019-12-03 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】目前在整個(gè)市場(chǎng)中數(shù)字電源技術(shù)所占的比例正在逐步增長(zhǎng),不過(guò),隨著越來(lái)越多的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商采用這種技術(shù),數(shù)字技術(shù)似乎正在成為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。
 
數(shù)字電源
 
與傳統(tǒng)的模擬電源相比,數(shù)字電源的主要區(qū)別是控制與通信部分。在簡(jiǎn)單易用、參數(shù)變更要求不多的應(yīng)用場(chǎng)合,模擬電源產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì),因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對(duì)性可以通過(guò)硬件固化來(lái)實(shí)現(xiàn),而在可控因素較多、實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快、需要多個(gè)模擬系統(tǒng)電源管理的、復(fù)雜的高性能系統(tǒng)應(yīng)用中,數(shù)字電源則具有優(yōu)勢(shì)。
 
目前在整個(gè)市場(chǎng)中數(shù)字電源技術(shù)所占的比例正在逐步增長(zhǎng),不過(guò),隨著越來(lái)越多的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商采用這種技術(shù),數(shù)字技術(shù)似乎正在成為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。
 
數(shù)字控制的特性
 
模擬開(kāi)關(guān)式電源已經(jīng)使用了幾十年,其設(shè)計(jì)為人們所熟知,而且有許多優(yōu)秀的教科書(shū)、仿真工具包、應(yīng)用手冊(cè)和研討會(huì)。還有眾多廠(chǎng)商提供的大量低成本集成電路,其封裝了許多功能:從集成柵極驅(qū)動(dòng)器及開(kāi)關(guān)到電流感應(yīng)和保護(hù)。
 
數(shù)字控制擁有一些模擬世界不具有的特性,其使開(kāi)關(guān)式電源設(shè)計(jì)擁有迄今還不可能實(shí)現(xiàn)的功能。想想一家電源廠(chǎng)商有許多不同功率級(jí)的情況吧,采用數(shù)字控制解決方案,可讓一個(gè)單處理器與單獨(dú)自定義軟件一起工作以滿(mǎn)足每個(gè)功率級(jí)的需求。大規(guī)模生產(chǎn)時(shí),產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)規(guī)模會(huì)十分巨大。
 
模擬技術(shù)+DSP/MCU成為主要趨勢(shì),應(yīng)用方案向消費(fèi)領(lǐng)域滲透更高集成度、更快瞬時(shí)響應(yīng)以及更大靈活性是數(shù)字電源的主要優(yōu)勢(shì)。
 
通常情況下,模擬PWM架構(gòu)能夠提供較高分辨率,但無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制架構(gòu)所具備的輸出電壓監(jiān)視、通信及其它復(fù)雜控制功能;而對(duì)于數(shù)字PWM,為了達(dá)到與模擬控制架構(gòu)同等的性能指標(biāo)必須具備高分辨率、高速和線(xiàn)性ADC,以及高分辨率、高速PWM電路,因而與模擬控制架構(gòu)相比,數(shù)字控制架構(gòu)的成本將大幅增加。
 
詳解數(shù)字電源的優(yōu)勢(shì)
 
綜合考慮兩者優(yōu)勢(shì),最佳方案是將模擬PWM與數(shù)字電路相結(jié)合,在不犧牲模擬控制所具備的精度和無(wú)限分辨率的情況下,提供數(shù)字控制所具有的全部性能。
 
數(shù)字電源VS模擬電源的優(yōu)勢(shì)對(duì)比
 
數(shù)字開(kāi)關(guān)電源正是為了克服現(xiàn)代電源的復(fù)雜性而提出的,它實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬技術(shù)的融合,提供了很強(qiáng)的適應(yīng)性與靈活性,具備直接監(jiān)視、處理并適應(yīng)系 統(tǒng)條件的能力,能夠滿(mǎn)足幾乎任何電源要求。
 
數(shù)字電源還可通過(guò)遠(yuǎn)程診斷以確保持續(xù)的系統(tǒng)可靠性,實(shí)現(xiàn)故障管理、過(guò)電壓(流)保護(hù)、自動(dòng)冗余等功能。由于數(shù)字電源的集成度很高,系統(tǒng)的復(fù)雜性并不隨功能的增加而增加過(guò)多,外圍器件很少(數(shù)字電源的快速響應(yīng)能力還可以降低對(duì)輸出濾波電容的要求),減少了占板面積,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)制造流程。同時(shí),數(shù)字電源的自動(dòng)診斷、調(diào)節(jié)的能力使調(diào)試和維護(hù)工作變得輕松。
 
而數(shù)字電源相對(duì)于模擬電源的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
 
(1)便于高度集成化,由于數(shù)字電路采用二進(jìn)制,其代碼符號(hào)儀有0和1兩種,因此在數(shù)字1電路中只要有個(gè)不同的狀態(tài)分別表示0和1就可以,所以數(shù)字電路的基本單元十分簡(jiǎn)單,而且對(duì)元件要求也不嚴(yán)格,允許電路參數(shù)有較大的離散性,有利于將眾多的基本單元集成在同一硅片上進(jìn)行批量生產(chǎn)。
 
(2)工作準(zhǔn)確可靠,抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字信號(hào)是1和0來(lái)表示信號(hào)的,而數(shù)字電路辨別信號(hào)的有無(wú)是很容易做到的,從而大大提高了電路的工作可靠性。同時(shí)數(shù)字信號(hào)不易受到噪聲干擾,因此它的抗干擾能力極強(qiáng)。
 
(3)數(shù)字信息便于長(zhǎng)期保存。借助某種媒體(磁盤(pán)、光盤(pán)等)可將數(shù)字信息長(zhǎng)期保存下來(lái)。
 
(4)數(shù)字集成電路產(chǎn)品多、通用性強(qiáng)且成本低。
 
(5)保密性好,數(shù)字信息容易進(jìn)行加密處理,不易被竊取。
 
(6)不盡能完成數(shù)值運(yùn)算,還可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算和判斷,這在控制系統(tǒng)中是不可缺少的。
 
數(shù)字電源管理芯片易于在多相以及同步信號(hào)下進(jìn)行多相式并聯(lián)應(yīng)用,可擴(kuò)展性與重復(fù)性?xún)?yōu)秀,輕松實(shí)現(xiàn)負(fù)載均流,減少EMI并簡(jiǎn)化濾波電路設(shè)計(jì)。數(shù)字控制的靈活性能把電源組合成串聯(lián)或并聯(lián)模型,形成虛擬電源。而且,數(shù)字電源的智能化可保證在各種輸入電壓和負(fù)載點(diǎn)上都具有最優(yōu)的功率轉(zhuǎn)換效率。
 
相對(duì)模擬控制技術(shù),數(shù)字技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)還包括在線(xiàn)可編程能力、更先進(jìn)的控制算法、更好的效率優(yōu)化、更高的操作精確度和可靠性、優(yōu)秀的系統(tǒng)管理和互聯(lián)功能。
 
數(shù)字電源不存在模擬電源中常見(jiàn)的誤差、老化(包括模擬器件的精度)、溫度影響、漂移、補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題,無(wú)須調(diào)諧、可靠性好,可以獲得一致、穩(wěn)定的控制參數(shù)。數(shù)字電源的運(yùn)算特性使它更易于實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性控制(可改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力)和多環(huán)路控制等高級(jí)控制算法;更新固件即可實(shí)現(xiàn)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法,更改電源參數(shù)也無(wú)須變更板卡上的元器件。
 
數(shù)字控制還能讓硬件平臺(tái)重復(fù)使用,通過(guò)設(shè)計(jì)不同固件即可滿(mǎn)足各種最終系統(tǒng)的獨(dú)特要求,從而加快產(chǎn)品上市,減少開(kāi)發(fā)成本、元器件庫(kù)存與風(fēng)險(xiǎn)。
 
數(shù)字電源取代模擬電源的決定因素
 
數(shù)字控制能解決問(wèn)題,是因?yàn)樗哂斜饶M控制更好的性能、更靈活且在復(fù)雜的設(shè)計(jì)中更易用。然而下面總結(jié)的六個(gè)方面是決定了模擬電源被數(shù)字電源取代的主要因素。
 
1、瞬態(tài)響應(yīng)
 
控制機(jī)制極大影響了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。例如,與電流模式相比,磁滯控制器的瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)有很大不同。每種控制模式都既有優(yōu)點(diǎn),也有缺點(diǎn)。數(shù)字解決方案讓你能無(wú)縫地從一種模式轉(zhuǎn)換到另一種模式,以提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應(yīng)。雖然模擬解決方案可以提供很好的點(diǎn)方案,但極少出現(xiàn)足夠靜態(tài)的工作狀況,讓你能實(shí)現(xiàn)所設(shè)想的點(diǎn)方案。
 
2、調(diào)節(jié)精度
 
一般來(lái)說(shuō),調(diào)節(jié)精度是根據(jù)線(xiàn)電壓、負(fù)載和溫度來(lái)定義的,因?yàn)檫@些條件中的每一個(gè)都會(huì)影響調(diào)節(jié)精度。數(shù)字控制器可以監(jiān)視這些條件,并采取控制措施,在整個(gè)工作條件范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化。
 
3、穩(wěn)定性
 
數(shù)字控制能夠提供比模擬方案更好的補(bǔ)償(更好地調(diào)用極點(diǎn)和零點(diǎn)),因此在穩(wěn)定性上的控制要好很多。另外,補(bǔ)償能夠隨著條件的變化而變化,使系統(tǒng)能在很寬范圍的條件下實(shí)現(xiàn)最佳的穩(wěn)定性。模擬控制器的補(bǔ)償是固定的,而數(shù)字控制可提供可調(diào)的甚至是自適應(yīng)的補(bǔ)償。
 
4、故障響應(yīng)
 
數(shù)字電源控制器提供了大量故障響應(yīng)的選項(xiàng)。每種故障都有唯一的響應(yīng)特性,可根據(jù)用戶(hù)的需求進(jìn)行調(diào)整。模擬控制器一般只有一個(gè)固定的故障響應(yīng)(如斷電/斷續(xù)/過(guò)載),用戶(hù)也只能選擇用或者不用。數(shù)字控制還能提供濾波器功能,降低虛假故障的可能。
 
5、效率
 
許多控制結(jié)果都會(huì)影響到效率,包括死區(qū)時(shí)間、開(kāi)關(guān)頻率、柵極驅(qū)動(dòng)等級(jí)、二極管仿真、加相和缺相等。針對(duì)這些因素,當(dāng)前數(shù)字控制所提供的數(shù)字控制算法在整個(gè)工作條件范圍內(nèi)進(jìn)行了優(yōu)化。因此,在某個(gè)工作點(diǎn)下,你也許能將模擬控制器調(diào)整到很高的效率,但數(shù)字控制器卻可對(duì)所有的工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。
 
6、可靠性
 
減少元件數(shù)量、降低工作溫度(通過(guò)效率優(yōu)化)是數(shù)字電源提高系統(tǒng)可靠性的兩個(gè)途徑。此外,靈活的故障響應(yīng)和探測(cè)元器件參數(shù)微小變化的能力,可以大幅減少停機(jī)時(shí)間。
 
一般情況下,對(duì)大多數(shù)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和基本要求來(lái)說(shuō),數(shù)字控制可能有點(diǎn)大材小用。當(dāng)然,數(shù)字電源控制的靈活程度足以應(yīng)付這些簡(jiǎn)單的應(yīng)用,其功能可能超出實(shí)際所需。因此,數(shù)字控制器顯然是備受歡迎的解決辦法。
 
另外,數(shù)字電源控制一般比模擬控制器具有更高的集成度。然而,集成度還不足以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)重用和靈活性的要求;但是,數(shù)字電源控制器適用于各種各樣的應(yīng)用,無(wú)需借助附加電路。從這個(gè)意義上說(shuō),這項(xiàng)技術(shù)的靈活性要遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬技術(shù)。
 
 
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