摘 要：随着半导体技术和数字信号处理器的快速发展，数字控制技术为开关电源提供了新的设计途径。传统的模拟控制技术无法摆脱电路中存在的非线性、误差等问题。数字控制的开关电源具有开发周期短、易于监控等优点。本文介绍了数字电源的概念，分析和探讨了开关电源系统中数字控制的工作原理。基于目前典型的数字电源产品技术，提出了数字电源的发展趋势。

关键词：数字控制 数字电源 数字信号处理器

开关电源技术推动着电力电子技术的发展，逐渐成为电力电子技术的重要组成部分。近年来，随着半导体技术的发展，电子设备正朝着小型化、高速化、智能化方向发展。而传统的模拟控制开关电源已不能满足所有应用需求，整机系统急需能够实现监控等智能功能的开关电源。集成电路设计技术和半导体工艺的进步，使数字处理控制器DPS的工作频率越来越高，功耗越来越低。在传统的模拟电源中，已可以采用数字控制来实现，并且采用一些全新的控制方式，来解决模拟控制无法使用先进算法的问题。

一、数字控制电源概念

数字控制电源的控制核心是数字处理控制器。该控制器通过一定的软件算法来控制PWM电路，PWM产生的驱动信号经过驱动器放大后，驱动功率开关管，进而控制整个功率回路。数字控制电源能够监控电源内部的工作状态，并实现与外部系统的通信，将电源的内部状态提供给整机系统。数字控制电源系统包括数字电路、接口电路以及部分模拟电路。其中，模拟电路主要指系统中的功率部分，包括磁性元器件、开关整流器件、电阻电容等;数字电路主要包括数字处理芯片;接口电路主要包括模数转换器和用于通讯的接口电路。

二、数字控制电源工作原理

典型数字控制电源的工作原理为：输入电压建立后，辅助电源开始为DSP供电，DSP初始化完成后便开始监控整机状态，并控制整个功率变换器。主功率变换器是BucK变换器和全桥隔离结构，次级输出采用同步整流技术。

（一）原邊DSP控制原理。原边DSP主要用于控制BucK变换器和全桥结构的功率级，通过采样BucK变换器的输出电压和电感电流，再通过内部的运算，实现BucK原边驱动、全桥驱动以及次级同步整流驱动。原边DSP控制电路通过采样输入输出的电压、电流和温度，实现电源模块的过压、过流和过温保护，同时，监控变压器的励磁电流，确保变压器不会出现饱和。此外，原边DSP接受外部的控制信号，以控制整机的开关状态。原边DSP控制电路通过光耦隔离的SCI总线与副边通信，报告相应状态，其通信数据包括电压、电流、状态字等。

（二）次级DSP控制原理。次级DSP主要用于对整机的输出参数进行控制，通过对输出电压、电流、温度等的监控，实现输出过压、过流保护以及输出并联均流控制。次级DSP控制电路通过RS485和外部通信，报告整机的各项参数，其通信数据包括电压、电流、温度、状态字。次级DSP控制电路通过光耦隔离的SCI总线与原边通信，获取输入端的电压、电流、状态字。

三、数字电源的控制技术

数字电源的控制技术与模拟电源有一定的相似之处。与模拟电源的控制一样，数字电源中常用的控制技术主要为电压型控制、峰值电流型控制和平均电流控制。

（一）电压型控制。数字电源的电压型控制工作原理是：DC/DC变换器的输出电压反馈信号与输出电压参考信号进行比较，得到输出电压误差信号，经PI控制算法或PID控制算法，得到相应的PWM驱动信号，经驱动电路后，驱动功率电路开关管，实现稳定的输出电压。

（二）峰值电流控制。数字电源的峰值电流控制是将电感电流或功率开关管电流作为电流内环的反馈信号，并与电压外环的输出信号进行比较，通过相应控制算法动态调节占空比信号，经驱动电路驱动功率电路开关管，使得功率开关管电流跟随误差放大器的输出信号。

（三）平均电流控制。数字平均电流控制技术除具有峰值电流模式的优点外，还有其独特的特点：能够精确地检测输出电流，即使在电感电流断续模式下，也能跟随输出电流;不存在峰值电流控制中的次谐波振荡问题，不需斜坡补偿，占空比可大于50%;噪声免疫力强，适合用于干扰较大的系统。数字平均电流控制的不足是：控制方式的设计与实现难度较大，系统动态响应速度不如峰值电流控制。

四、数字电源发展趋势

针对目前电源工程师对数字控制技术不熟悉的问题，国外很多数字处理器厂家推出了便利措施。如英特赛尔公司，推出了新一代图形用户界面（GUI），不用编写软件代码就能设计数字电源，其简易的操作界面使得设计者能够更加快捷方便地设计。德州仪器公司推出了UCD数字控制器，有数字电源控制界面，不需要对软件有深入的理解，仅仅需要输入设计参数，软件系统就会根据用户需求，自动生成高可靠的软件程序。随着更多的DSP厂家推出易于操作的方式，数字电源将会得到模拟电源设计师的认可。在控制技术方面，若直接对模拟控制进行数字化，模块电源将会存在功率频率低、体积大的问题。因此，需要对数字控制算法进行创新。目前，国外大功率数字模块电源厂商主要有爱立信和Synqor公司。爱立信公司推出了面向通信市场的中小功率全数字电源，通过在数字控制器中置入复合控制方式，解决了数字电源工作频率低的问题。Synqor公司在推出基于单片机控制的数模混合控制电源后，又推出了基于DSP控制的全数字电源。全数字控制电源技术将工业标准半砖尺寸的模块电源的功率提升到500W，效率达95%。Synqor公司2012年推出的基于DSP控制的全数字控制电源，目前已大规模应用于通信市场。在控制技术方面，Synqor公司进行了创新，采用专利的控制技术，解决了全数字控制对数字控制器DSP工作频率的依赖问题。电路工作频率为250kHZ，控制芯片为自主设计的DSP控制器。电路采用2级级联结构迟滞控制方式，解决了全桥电路的磁通不平衡和数字电源负载大动态响应的问题。

结 语

本文比较了数字控制电源与模拟控制电源的优缺点，提出了典型的数字电源结构，并对数字电源的各种控制方式进行了分析。在受温度影响、非线性控制、系统监控与通信等方面，数字电源相对于模拟电源，具有明显的优势，但在中小功率电源中，数字电源控制还存在成本偏高的不足。本文提出了适合于通信系统的数字电源结构，对各个功能模块进行了描述和功能分析，分析了传统数字控制技术的优缺点，提出了影响数字电源推广的瓶颈。基于美国Synqor公司的全数字控制电源技术，提出了数字电源的发展趋势。

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作者简介：程跃飞（出生年份—1982），学校： 哈尔滨工业大学，单位： 太原太航科技有限公司，研究方向： 硬件开发 ，现有职称： 工程师。