开关电源数字化的研究现状及前景

所谓数字化电源，   本质的特征在于电源对输出电流/电压的PWM调节是由数字控制芯片按照   的数字控制方式和算法产生的。由于数字控制器件自身性能的限制，在开关频率接近MHz或超过这别时，数字控制技术不能达到设计要求，另一方面，数字控制器件的成本相对已经成熟的模拟控制来说较高，这使得在一部分开关电源的中，模拟开关电源还占据着   主导地位。
　　目前，开关电源的数字化主要分为两大类，一类是针对数字控制芯片进行，主要群体是世界各大半导体厂商、芯片设计公司；另一类是针对开关电源数字化的应用，这类的主体是电源生产厂商、高校机构等。通常意义上所说的开关数字化主要是指   类工作。近几年对这类的主要方向有以下几个：一是数字控制方案的，主要针对不同数字控制芯片各自的性能特点，设计应用于开关电源的成套方案；二是数字控制算法的，主要针对各种拓扑结构进行离散数字化分析，提出   适用于数字控制的算法；三是智能化，针对应用场合，结合数字控制芯片的丰富接口，实现对电源系统的监控、管理。
　　数字控制是基于核心芯片上运行的程序代码实现的。这样的方式具有两大优点：稳定性和灵活性。稳定性是指电路的核心运作不再依赖于独立器件的性能参数影响，   通过代码实现，只要数字核心芯片正常工作，就能实现稳定的开关控制。灵活性是指，由于程序代码的可编程性，可以灵活的修改程序以应对未知的变化。如，用户需求突变或者设计方案有误差时，只要通过对程序适当的修改、调整即可，不必重新返工硬件电路。对这两个优点进一步，也是电源外壳开关电源数字化的一个方向。
　　数字开关电源的核心是数字控制芯片，在选用芯片时，目前主流的数字开关电源有以下几种设计方案：
　　(1)以MCU为控制核心的控制方案
　　由于TI公司将其C2000系列的DSP处理器化归为MCU，因此MCU基本上可以分为两种，一种是传统意义上单片机，另一种是带数字信号处理功能的DSP。两者的系统结构基本相同，所需的电压或电流变量经过信号采集电路的处理，送入的A/D转换器进行转换，转换后的数字值与预先设定好的标准值进行比较，程序根据比较的差值信号来设定输出PWM波的占空比，输出PWM波经过驱动电路控制功率开关元件的通断，实现数字控制。
　　单片机为核心构成的控制方案，基本可以实现   复杂程度的算法，能够满足开关电源电压、电流调节的基本功能，再加上绝大部分单片机带有的外设电路，还可以实现键盘输入、数据显示、远程监控通信等功能。虽然部分单片机现在的指令周期   快可达到几十纳秒，但是由于单片机本身位宽及系统架构的限制，使得单片机在应用复杂控制算法，处理高频动态响应的问题上力不从心。
　　采用DSP构架的MCU，其计算功能毋庸置疑，同时其较高的工作频率，对于开关频率和动态响应比较高的开关电源，   可以达到要求。同时，这类MCU具有针对控制的外设，如片上闪存、数据接口、ADC等外设，对于人机交互、系统监控、远程通讯等功能能够轻松解决。目前主流的数字控制芯片有TI公司的2000系列32位MCU，Freescale公司的基于56800E核心的系列MCU。这类控制方案性能   ，但是成本也相对较高。
　　(2)以FPGA为核心的控制方案
　　现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray)是一种半定制的逻辑门电路。它具有容量大、逻辑功能强的特点，而且兼有高速、高性等优点。其内部主要由软工P核(知识产权核)与辅助模块两大部分组成。软工P核是CPU，负责通信模块管理，辅助模块由几个DSP块组成，主要完成调节器的数字补偿运算、高分辨率PWM信号的产生以及数字滤波等。FPGA内部的模块化划分，可以在实现上述功能的同时，增加通信、数据输入/输出、人机交互等功能。另外，在高时钟频率下，可以实现   复杂、      的控制算法。用FPGA控制可以非常好的控制精度和动态响应，不足的是，FPGA内部无集成A/D转换器，设计时要外扩A/D转换器。尽管FPGA的性能优越，但是高昂的价格成为它广泛应用的   大障碍，通常，一片FPGA的价格甚至超过了一台以传统模拟PWM为核心的开关电源。
　　此外，还可以见到DSP+FAPA，DSP+CPLD，单片机+CPLD等控制方案。
　　数字开关电源外壳电源目前由于成本和设计难度的问题还不能成为市场的   主流，但是数字器件控制的电源内部参数可以在线调整，这就意味着电源的动态特性是可变的，能顺应负载在相当大的范围内变化同时还能   的性能，此外数字控制芯片还提供了控制技术的硬件平台，使得   性、智能性均远胜于传统模拟电源，   符合当今社会科技的发展趋势。
　　由于近些年数字模块电源外壳电源市场的发展，世界上   的半导体厂商如TI、Freescale、SiliconLabs、Atmel等纷纷加大对这一的投入。根据摩尔定律，集成电路的工艺水平将越来越高，成本却越来越低。已经能够看到，现在市场出现的数字控制芯片构架的差别越来越模糊，性能越来越强，价格却越来越低。因此   可以预见，在不久的将来，集成了数字电源设计所需的各个模块的超低成本的集成控制芯片将对模拟电源造成巨大冲击，数字开关电源技术成为市场的主流。