数字电源VS模拟电源,应该怎么选择

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   20世纪50年代,美国人GH.Roger发明了自激振荡推挽晶体管单变压器直流转换器,首创脉冲宽度调制(PWM)控制;20世纪60年代,开关电源技术基本成型;20世纪70年代,第一代民用标准化开关电源诞生。随着MOSFEE,IGBT等商用功率半导体器件的出现使得开关电源迅速发展并得以广泛应用,并于80年代中期出现了符合全球通用规格的开关电源。

 

现状:

随着上游元器件技术水平和电力电子关键技术的不断发展,开关电源技术取得了飞速发展。根据中国电源学会统计,2015年全球开关电源占整体电源市场超过40%。因此,开关电源逐渐成为电力电子技术的重要组成部分,是电子工业的重要基础产品。

可以说,三十年前电源行业转向开关电源是一个很大的变化,而电源数字化趋势将是一个更大的变化。电源的控制已经由模拟控制,模数混合控制,进入到全数字控制阶段。今天,许多电源不再使用模拟电路,而是使用数字芯片和软件算法来控制它们的输出。电源控制器的设计不仅是硬件设计的问题,也是编程的问题。——试想一下一家电源厂商能满足许多不同功率级需求的情况,即利用数字控制技术,可让一个处理器与单独自定义软件一起工作以满足每个功率级的需求。

过去,数字控制在开关电源的DC/DC转换系统中用得较少,但是从消费电子中的充电器,LED照明到工业中的数据处理,通信到汽车电气再到航天电子等领域,DC/DC转换系统几乎无处不在。目前在整个市场中数字电源技术所占的比例正在逐步增长,不过,随着越来越多的系统开发商采用这种技术,数字技术似乎正在成为电源系统设计的新趋势。尤其是近几年不少电源厂商已陆续开发出全数字控制芯片及软件。

 

什么是数字电源,和模拟电源的区别

                                                               数字电源VS 模拟电源

如上图所示,数字电源和模拟电源的差异

 

模拟电源

数字电源

l  功率级

相同

相同

l  反馈级

相同

相同

l  通信/接口

相同

相同

l  环路补偿

运放实现

ADC+DSP

l  PWM

锯齿波切割产生

由补偿环路产生的PI参数来推导PWM占空比。

 

综上所述:数字电源采用了高速高分辨率的采样ADC代替了传统的运放电路,同时通过高分辨率定时器产生不同占空比PWM波形来控制功率开关的导通和关断。核心技术就是采样够快,PWM位数足够高,PI 算法够准。

 

数字控制的特点

事例之一:根据工作状态设置死区时间

DC/DC 常用常用的拓扑: 参考链接

在Buck拓扑(图1)和Boost拓扑(图2)、半桥拓扑(图5)、全桥拓扑(图6)、LLC拓扑(图8)所示的半桥结构,死区时间影响拓扑的可靠性和效率。对于模拟控制,死区时间只能设置为固定值。在考虑所有可能的工作状态下死区时间往往需要很大的设计裕量,导致正常工作状态转换效率低下。而数字控制通过软件代码可以根据不同的工作状态设置不同的死区时间,从而在保证可靠性的前提下获得最佳的效率。下图给出了采用数字控制时死区时间不随工作状态进行调整(红色曲线,等效于模拟控制)和随工作状态进行调整时(蓝色曲线)效率的对比示意图.

图9:死区时间是否随工作状态进行调整的效率对比示意图

事例之二:如何实现系统的最佳稳定性与响应速度?

对于一个闭环系统,环路的稳定性及动态响应速度对系统的性能至关重要。

对于模拟控制,环路稳定性和响应速度都是由硬件电路决定,一旦参数确定就不可以改变,是一种线性环路控制方式。但是由于稳定性和响应速度往往互相制约,因此采用模拟控制时只能在两者之间做出平衡,往往很难兼顾稳定性和响应速度;而对于采用数字控制的系统,可以采用非线性或自适应控制方式,即根据工作状态(输入电压变化或/及输出负载变化)调整环路的参数,从而可以实现最佳的稳定性与响应速度。同时相比模拟控制可以减小输出电容的数量,降低物料成本和PCB面积或布线难度。

图10给出了在负载跳变过程中采用模拟控制和数字控制时输出电压上冲及下冲的差异示意图。图中曲线1表示模拟控制时为了达到输出的稳定而牺牲了响应速度,从而造成输出电压上冲和下冲过大。曲线2表示采用模拟控制时提高了响应速度从而降低上冲和下冲,但是稳定性变差,输出电压出现振荡。曲线3采用数字控制即实现了快速响应,降低了上冲和下冲,又实现了输出电压的稳定。

图10:负载跳变时采用模拟控制和数字控制时输出电压波动示意图

事例之三:根据不同负载来决定“哪相”拓扑工作

对于输出功率较大(例如>1KW)或者输出电流较大(例如>100A)的直流直流转换系统,设计者往往采用多相系统,即在电路中采用数量大于等于两个的完全相同的转换拓扑并联,从而有效的降低单个功率器件的损耗,利于系统的散热处理。但是在负载较轻时,多相系统由于多个拓扑同时工作,其损耗相比单一拓扑大大增加。因此在负载较轻时希望其中的一相或者多相停止工作,只保留少数相工作,从而提高该系统的轻载转换效率。图11给出了对于一个多相Buck直流直流转换,在不同负载下不同相工作时整体转换效率的变化。