數(shù)字控制在電源應(yīng)用中的特點

傳統(tǒng)開關(guān)電源(Switch Mode Power Supply,SMPS)控制通常使用純模擬技術(shù)。低成本和高性能數(shù)字信號控制器(Digital Signal Controller, DSC)的出現(xiàn)開啟了開關(guān)電源控制的全新境界，并且標(biāo)志著電源產(chǎn)業(yè)正朝著數(shù)字革命的方向發(fā)展。

本文強調(diào)當(dāng)前是電源應(yīng)用采用數(shù)字技術(shù)、實現(xiàn)數(shù)字電源的最佳時機。Microchip 提供的AC-DC 參考設(shè)計就是展示數(shù)字控制技術(shù)優(yōu)點的極佳實例。

本問通過在以下幾個方面將數(shù)字電源與模擬電源進行定量比較以指出數(shù)字電源的優(yōu)勢所在：

比較模擬電源與數(shù)字電源的物料成本

控制先進拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能力和數(shù)字控制的靈活性

在同樣成本條件下，數(shù)字電源實現(xiàn)的附加價值數(shù)字電源節(jié)省成本。

圖1 為兩級模擬AC-DC 電源的高階原理框圖。

圖 1: 兩級模擬AC-DC 電源

圖2 顯示了數(shù)字AC-DC 電源的高階框圖。

圖 2: 數(shù)字AC-DC 電源

模擬電源的主要組成包括：

功率鏈：半導(dǎo)體開關(guān)、電感、電容和功率變壓器

驅(qū)動電路：柵極驅(qū)動以及支持電路

反饋電路：傳感器、放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)

控制器：每個功率級專用控制器

后臺管理電路：用于順序控制、監(jiān)控和通信的專用單片機以及支持電路

為便于比較，考慮選擇一個兩級式電源。前端轉(zhuǎn)換器采用升壓功率因數(shù)校正(Power Factor Correction,PFC)電路，而第二級是DC-DC 相移式全橋轉(zhuǎn)換器。

模擬電源與數(shù)字電源的功率鏈部分、驅(qū)動電路和反饋電路保持一致。圖2 分別展示了上述例子中所描述的數(shù)字電源。對于數(shù)字控制電源，專用模擬控制器和后臺管理電路可合并采用一片dsPIC®DSC 來實現(xiàn)。

圖1和圖2僅從較高層次展示了兩者的主要差別;然而，在進行對比時所有支持電路也需包括在內(nèi)。圖3 所示為每個模擬級中的支持電路，而圖4 則為數(shù)字系統(tǒng)中的支持電路。注意模擬控制器所需要的額外連接(在圖3 和圖4 中用箭頭標(biāo)出)。

圖 3: 模擬級電路

圖 4: 數(shù)字級電路

除了主要的組件，還需將支持電路成本、布線復(fù)雜程度、以及模擬數(shù)字電源PCB 板尺寸這些因素考慮在內(nèi)。

表1 將300W 模擬電源與數(shù)字電源的物料清單進行了比較，著重說明了前面所述的差別。比較中所用到的價位是直接從廠家的網(wǎng)站上獲得的。

表 1： 300W 模擬與數(shù)字電源物料價格比較

表1 中所列出的物料清單比較清楚地說明了數(shù)字電源與模擬電源方案相比所節(jié)約的成本。

有些人可能會認(rèn)為數(shù)字電源需要使用專用的MOSFET柵極驅(qū)動器，而模擬解決方案則可提供片上柵極驅(qū)動器。不過，這一點僅適用于低功率模擬設(shè)計，對于大多數(shù)高功率模擬設(shè)計來說，仍然需要使用外部柵極驅(qū)動器。

無論在PFC 級中使用或者未使用外部MOSFET 柵極驅(qū)動器，表1 中列出了不同模擬電源的所有BOM 成本。

顯而易見，數(shù)字電源在總BOM成本方面具有顯著優(yōu)勢。