數字軟件技術開始在此前曾是模擬技術一統天下的開關電源上廣泛普及。LED照明、車載電源及產業設備等領域也紛紛開始導入數字控制型電源。通過添加通信功能或者將控制方式改變為動態控制等方法，在提高電源效率、縮小產品尺寸以及縮短開發時間等方面發揮了效果。長期以來一直是DSP課題的高成本問題，也隨著價格與通用微控制器一樣的低價產品問世而逐漸得到解決。

　　電源的數字控制有助于實現AC-DC電源和DC-DC轉換器等的小型化及高效率化，大約5年前開始受到關注。這種“數字電源”的應用范圍在最近一年來悄然擴大。

　　以前，數字電源只是導入于無停電電源裝置（UPS）、通信產品、服務器以及太陽能電池用功率調節器等基礎設施的部分產品中。但最近，LED照明器具、汽車、產業設備乃至部分消費類產品也開始采用數字電源（圖1）。

　　低價位DSP的亮相成為契機

　　數字電源的應用范圍能夠擴大的最主要原因是，單價只有100多日元～數百日元的電源控制IC出現了用于數字電源的產品。數字電源控制IC的成本下降到了可與不足100日元的模擬電源控制IC相匹敵的程度。美國微芯科技（Microchip Technology）、美國德州儀器（TI）以及新日本無線等半導體廠商從2008年前后相繼推出了數字電源專用的低價位控制IC。近來，大部分數字電源產品采用的都是這些企業的IC。

圖1：數字控制電源的應用領域

　　在輸出功率為100W以上、開關頻率為1MHz以下的領域，采用DSP微控制器的數字控制電源開始普及。

　　以前，構成數字電源需要采用單價高達1000～數千日元的高性能DSP作為控制IC使用。這些IC的工作頻率為100MHz以上，耗電量僅DSP就將近1W，用于通常的開關電源的控制則指標過剩。這是采用DSP的數字電源只在UPS等超過1kW的大型裝置上才使用的主要原因。

　　不過，應部分先進電源廠商的要求，微芯科技和TI推出了配備數字電源所需功能，與通用微控制器價格一樣便宜的DSP，也即“DSP微控制器”(1)。通過將1000日元以上的DSP成本大幅降到數百日元以下，基本解決了數字電源的最大瓶頸——控制IC成本高的問題。

(1)DSP微控制器＝在普通的通用微控制器中融合DSP要素形成的產品。特點是通過硬件執行哈佛架構（Harvard Architecture）及循環控制功能等的。大約從10年前開始，日本國內外的半導體廠商就開始投放DSP微控制器。

圖2：導入數字電源的好處

　　在電源的性能、開發以及運用等領域有很多好處，例如，縮小產品尺寸、削減部件數量以及通過導入高度控制提高效率等。

　　電源實現“智能化”

　導入數字控制后，與目前的普通模擬控制電源相比，尺寸可縮小30％左右、部件數量削減20％左右、效率提高2～5％（圖2），開關電源的基本性能得以提高。由于數字電源用控制IC的價格已經能夠讓人接受，所以今后應用范圍有可能擴大到AC-DC電源、絕緣型DC-DC轉換器以及非絕緣型DC-DC轉換器等廣泛領域的開關電源中。“每年都說數字電源‘今年會普及’，2010年才真正采用的產品多起來了”（日本TI營業技術本部、市場及應用技術統括部設計服務經理財津俊行）。

　　據美國功率電子產品相關調查公司Darnell Group預測，2014年數字電源IC供貨量將擴大至目前2.5倍的123億個，按供貨金額換算將保持年均近30％的增長率。另外，可優化家庭內部能源利用效率的智能住宅（Smart House）等受到關注，也將加速數字電源的普及。通過在此前一直是模擬技術一統天下的電源上安裝軟件和通信功能，可以根據用途的不同實現“智能化”的數字電源所具有的巨大可能性。

　　以1MHz以下、100W以上的電源為對象

　　雖然數字控制已經容易導入，但并不是說可以應用于任意電源，在電力和開關頻率方面還是有限制的。

　　數字電源的DSP微控制器自身就會消耗200mW左右的電力。因此，不太適合輸出功率較小的電源。因為無法不顧及因DSP微控制器的電力而導致的效率降低。綜合電源技術人員的意見來看，目前，輸出功率為50～100W以上的電源為最佳對象。

　　除此之外，成本限制也非常嚴格，在很難發現數字電源多功能性（如配備通信功能等）價值的數字家電用電源方面，“數字電源的導入尚需時日”（從事液晶電視等消費類產品用電源業務的三墾電氣）。

　　從開關頻率方面來看，頻率大約在1MHz以下的電源為最佳應用對象（圖1）。在數字電源中，經由DSP微控制器上的A-D轉換器監測輸出電壓和輸出電流，利用軟件控制電壓和電流的穩定性。理由是，與利用運算放大器（誤差放大器）連續檢測輸出電壓和目標電壓之差的模擬控制不同，數字控制會發生1μs左右的A-D轉換時間、以及利用軟件計算操作量的演算時間等數字控制特有的延遲。

圖3：通過采用軟件控制保護電路等，實現了小型化

　　TDK Lambda將過電流保護電路等模擬電路改用基于DSP微控制器的軟件進行控制。在輸出功率為300W的AC-DC電源中，與采用模擬控制相比，實現了約30％的小型化。照片由TDK Lambda提供。

　　小功率非絕緣型DC-DC轉換器方面要求徹底實現小型化，例如電池驅動的便攜產品用DC-DC轉換器等，因此，開關頻率為2M～8MHz。目前，該領域的電源很難采用基于DSP微控制器的數字控制。

　　不過，在數字電源中，利用基于專用邏輯電路的硬件而非基于DSP的軟件來執行PI控制等控制演算時，可以支持超過1MHz的開關頻率（圖1）。原因是，該方式在將輸出電壓等進行A-D轉換之前均與DSP方式相同，由于利用硬件的數字演算器實施PI控制，因此這部分的演算時間與DSP方式相比能夠縮短。

　　利用專用邏輯電路的數字控制，在使PI控制的參數變更變得更加容易，以及支持多相構成等用途方面比模擬控制更有用(2)。但其控制方式受限，不像DSP方式那樣靈活。在日本經營專用邏輯電路方式數字控制IC的代理店表示“幾乎沒有交易量”。如今，數字電源發生了變化，可以說今后用途有望擴大的是DSP方式。

(2)該方式在POL轉換器、尤其是在面向個人電腦微處理器的VRM（voltageregulator module）等上已經實現了實用化。美國Intersil公司（該公司收購的Zilker Labs公司的產品）、美國芯科實驗室（Silicon Laboratories）、德國英飛凌（該公司收購的Primarion公司的產品）、美國模擬器件以及美國CHiL Semiconductor等在從事該業務。

　　數字控制一決高低之處

　　在開關電源中導入基于DSP微控制器的數字控制的好處非常多（圖2）。比較顯著的特點是可提高效率等電源的基本性能，除此之外，回顧最近的事例，先行實現數字電源實用化的電源廠商除了在電源的基本性能方面以外，在開發方面、制造方面以及運用方面等均切實感受到了數字電源的諸多好處。

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