LED照明開始導(dǎo)入數(shù)字電源技術(shù) 縮小體積及延長(zhǎng)壽命

　　新電元工業(yè)在該領(lǐng)域率先采取了行動(dòng)，例如從2004年開始量產(chǎn)數(shù)字電源、目前該公司的大部分電源產(chǎn)品均導(dǎo)入了數(shù)字電源等，該公司高度評(píng)價(jià)了數(shù)字電源的潛力，“數(shù)字控制非常深?yuàn)W。本公司已經(jīng)掌握了該技術(shù)，迄今為止切實(shí)感受到了很多好處，但我感覺，還有許多我們尚未注意到的數(shù)字控制的使用方法未被發(fā)掘出來”（新電元工業(yè)電裝業(yè)務(wù)本部電裝業(yè)務(wù)部第3設(shè)計(jì)部轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)組主任技師多田信裕）。

　　首先縮小尺寸提高效率

　　由于數(shù)字控制具有這么多優(yōu)點(diǎn)，因此不同企業(yè)導(dǎo)入數(shù)字控制的目的大相徑庭。有的企業(yè)的做法是有限地導(dǎo)入部分產(chǎn)品中，也有的企業(yè)為了最大限度地享受數(shù)字化的好處，本著多種目的將其導(dǎo)入了很多產(chǎn)品之中。

　　作為導(dǎo)入數(shù)字控制的好處，最顯而易見而且在很多事例中通用的就是小型化及部件數(shù)量的削減。將原來安裝在模擬電路上的過電流保護(hù)電路、防浪涌電流電路以及順序啟動(dòng)電路等功能替換為DSP微控制器上的軟件，可以削減安裝面積。

　　例如，大型標(biāo)準(zhǔn)電源廠商TDK Lambda在2010年6月開始正式量產(chǎn)的300W輸出功率前置電源“EFE 300”中就是上述第二種做法的代表。通過使用軟件控制替換過電流保護(hù)電路等，與相同輸出功率的模擬電源相比，尺寸縮小了約30％，重量減輕了約50％（圖3）(3)。通過在輕負(fù)荷時(shí)切換控制方式，與采用模擬控制時(shí)相比，效率也提高了約5％。該產(chǎn)品主要用于產(chǎn)業(yè)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備以及測(cè)量儀器等。TDK Lambda以前就在定制產(chǎn)品方面引用過數(shù)字控制，但在標(biāo)準(zhǔn)電源方面此次還是首次實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的實(shí)用化。

(3)控制IC為美國(guó)愛特梅爾(Atmel) 的“AT90PWM2B”。主要是馬達(dá)控制用微控制器，而非數(shù)字電源專用。PWM分辨率約為16ns。

　　作為延長(zhǎng)壽命的方法

　　數(shù)字電源可以輕松導(dǎo)入在模擬電路控制中由于電路過于復(fù)雜而難以實(shí)現(xiàn)的高度控制。因此，想要在電源的主電路中采用特殊部件或者進(jìn)行獨(dú)自的控制方式時(shí)，不用等待專用的IC面世，只需改進(jìn)DSP微控制器上的軟件即可支持。

　　利用該優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)具有代表性的例子就是，從事LED照明業(yè)務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)公司Clear Sodick開發(fā)的直管型LED照明器具及LED燈泡的電源電路。該電源電路沒有使用通常使用的鋁電解電容器，為了使用容量更小的積層陶瓷電容器（MLCC），采用了數(shù)字電源 注(4)。由Clear Sodick與原武藏工業(yè)大學(xué)（現(xiàn)為東京城市大學(xué)）的前教授、現(xiàn)任從事DSP技術(shù)咨詢業(yè)務(wù)的DSP應(yīng)用技術(shù)研究所董事長(zhǎng)的曾禰元隆共同開發(fā)。已從2010年5月開始正式面向辦公室及工廠等業(yè)務(wù)用途銷售。電源電路由村田制作所制造。

注4）Clear Sodick的原公司名稱為Clear。該公司計(jì)劃以1萬日元以下的價(jià)格銷售40W的直管型LED照明（包括施工費(fèi)）。LED燈泡也將作為商用產(chǎn)品銷售，而非消費(fèi)類產(chǎn)品。

圖4：LED照明器具也采用數(shù)字電源

　　Clear Sodick通過改進(jìn)數(shù)字控制，在LED照明器具的電源電路中采用積層陶瓷電容器替代電解電容器，延長(zhǎng)了產(chǎn)品壽命（a，b）。LED元件由美國(guó)科銳生產(chǎn)，共采用了204個(gè)（a）。LED燈泡相當(dāng)于60W的白熾燈，采用E26燈口。耗電量為5.6W（b）。

　　Clear Sodick在電源電路中采用MLCC的目的是為了延長(zhǎng)電源的壽命。LED照明器具存在的課題是，盡管LED元件自身的壽命為4萬小時(shí)以上，但在電源電路中用于平滑用途的鋁電解電容器的壽命非常短。如果采用MLCC替換鋁電解電容器的話，MLCC的壽命會(huì)比LED元件還要長(zhǎng)很多，因此照明器具整體可輕松確保4萬小時(shí)的壽命。尤其是在商用照明方面，希望避免因發(fā)生故障而頻繁進(jìn)行更換，因此“希望保證4萬小時(shí)的壽命能成為差異化的關(guān)鍵”（Clear Sodick專務(wù)董事、制造開發(fā)負(fù)責(zé)人河江浩司）。

　　盡管MLCC壽命長(zhǎng)，但與鋁電解電容器相比，卻存在著成本高、容量小等缺點(diǎn)。另外，等效串聯(lián)電阻（ESR）只有鋁電解電容器的1/10以下，因此控制環(huán)路的相位裕度等穩(wěn)定條件也與采用鋁電解電容器時(shí)不同。雖然Clear Sodick沒有公開詳情，但表示“通過改進(jìn)控制，可以順利使用容量較小的MLCC”。

圖5：投影儀的鎮(zhèn)流器電源采用數(shù)字控制

　　村田制作所在投影儀的鎮(zhèn)流器電源中采用DSP微控制器控制流向燈的浪涌電流，延長(zhǎng)了燈具的壽命（a，b）。照片由村田制作所提供。

　　Clear Sodick在數(shù)字電源的控制IC方面區(qū)分使用微芯科技和新日本無線的兩種DSP微控制器。在燈泡型照明器具方面比較重視成本，因此采用微芯科技的產(chǎn)品。該公司沒有公開開關(guān)頻率和電源電路的主電路方式及控制方式等。而在直管型LED照明器具方面，其他公司的產(chǎn)品大多外置電源電路，但該公司卻成功地將電源電路內(nèi)置在了管內(nèi)。

　　在為了延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命而采用數(shù)字控制的事例中，除了上面提到的Clear Sodick以外，還有村田制作所開發(fā)的投影儀鎮(zhèn)流器電源，目前已從2008年7月開始面向投影儀廠商量產(chǎn)。在投影儀中，開始驅(qū)動(dòng)燈時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的浪涌電流。這里存在的課題是，如果浪涌電流存在的時(shí)間較長(zhǎng)，燈的壽命就會(huì)變短。另外，浪涌電流的特性因燈的種類而異，因此需要相應(yīng)的控制。村田制作所為了按照每個(gè)燈提供最佳控制，采用了基于DSP微控制器的數(shù)字控制（圖5）。

　　為支持車載用途實(shí)現(xiàn)數(shù)字化

　在模擬電源控制IC中，一般根據(jù)面前向型、逆向型、相位轉(zhuǎn)換型、降壓型等主電路方式（電路拓?fù)洌┮约半娏髂Ｊ娇刂坪碗妷耗Ｊ娇刂频瓤刂品绞?，精?xì)劃分控制IC的種類。而數(shù)字電源的特點(diǎn)是，只要更換FET的柵極驅(qū)動(dòng)，基本上無論何種主電路方式均能支持。

　　新電元工業(yè)充分利用了數(shù)字電源的這種靈活性。該公司于2000年前后率先著手開發(fā)了采用數(shù)字電源的產(chǎn)品，2004年將數(shù)字控制電源作為車載DC-DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。本田面向美國(guó)推出的“雅閣混合動(dòng)力車”、“思域混合動(dòng)力車”以及燃料電池車等均采用了該電源，用于向12V系列的電裝產(chǎn)品供應(yīng)電力。

　　目前，除了上述產(chǎn)品外，用于無空轉(zhuǎn)車型及電動(dòng)助力方向盤（EPS）的DC-DC轉(zhuǎn)換器等面向車載用途的大部分電源均采用的是數(shù)字控制，或者正在開發(fā)之中?！霸谲囕d用途以外的普通電源方面，通過從車載部門借鑒技術(shù)，數(shù)字控制也已經(jīng)應(yīng)用于LLC共振型電源、LED照明用電源以及功率因數(shù)校正電路（PFC）等。本公司積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，甚至可以說在本公司‘?dāng)?shù)字電源已經(jīng)成為普通技術(shù)’”（新電元工業(yè)的多田）。

　　新電元工業(yè)開發(fā)數(shù)字電源時(shí)最重視的是，即使是在組合特殊拓?fù)涞碾娫措娐窌r(shí)，也無需每次都開發(fā)專用控制IC?！叭绻悄M控制的話，即使考慮采用新電源電路方式，但如果沒有相應(yīng)的控制IC，也無法實(shí)現(xiàn)商品化。如果新開發(fā)模擬電源控制IC需要投入數(shù)億日元的資金，莫不如一舉過渡到無論任何方式均可用同一IC支持的數(shù)字控制電源。我們于2000年做出了這個(gè)決定”（新電元工業(yè)的多田）。

　　在車載領(lǐng)域，SiC等性能高于當(dāng)前MOSFET的開關(guān)元件備受期待，這些新開關(guān)元件在實(shí)現(xiàn)實(shí)用化時(shí)，如果采用數(shù)字控制的話便可迅速應(yīng)對(duì)。

　　另外，車載用途的IC在可靠性和溫度范圍等方面，要求具有與普通用途IC不同的品質(zhì)。2000年時(shí)，模擬電源控制IC還沒有支持新電元工業(yè)要求的品質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)的種類，這也是