数字开关电源技术的发展分析.pdf

总第1 7 5 期2 0 0 9 年第1 期舰船电子工程S h i pE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n gV 0 1 2 9N o 13 4数字开关电源技术的发展分析+刘志春苏震”李世诚袁文2(第二炮兵驻锦州地区专用保障装备军事代表室”锦州1 2 1 0 0 0)(第二炮兵司令部通信部2 北京1 0 0 0 8 5)摘要介绍数字开关电源的性能及其特点，简述数字开关电源、电源产品、应用，论述数字开关电源的发展分析。关键词数字开关电源；电源产品；发展分析中图分类号T N 9 7D e v e l o p m e n tA n a l y s i so ft h eD i g i t a lS w i t c h i n gP o w e rSu p p lyT e c h n o l o g yL i uZ h i c h u n l S uZ h e n l L iS h i c h e n 9 1 Y u a nW e n 2(M i l i t a r yR e s i d e n tR e p r e s e n t a t i u eB u r e a uo fS p e c i lS u p p o r tE q u i p m e n t so fS e c o n dA r t i l l e r yi nJ i n z h o u ，J i n z h o u1 2 1 0 0 0)(C o m m a n dC o m m u n i c a t i o n so fS e c o n dA r t i l l e r y z，B e i j i n g1 0 0 0 8 5)A b s t r a c tT h ea r t i c l eo nt h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fd i g i t a ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l y B r i e fd e s c r i p t i o no ft h ed i g i t a ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya n dp o w e rp r o d u c t sa n da p p l y，a n dd e v e l o p m e n ta n a l y s i so ft h ed i g i t a ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya r ed i s c u s s e d K e yw o r d sd i g i t a ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l y，p o w e rp r o d u c t s，d e v e l o p m e n ta n a l y s i sC l a s sN t t r n t m rT N 9 71引言2 数字开关电源数字开关电源提供了智能化的适应性与灵活性，具备直接监控、处理并适应系统条件的能力，能满足任何复杂的电源要求。此外，数字电源还可通过远程诊断来确保系统长期工作的可靠性，包括故障管理、过电流保护以及避免停机等 1 。数字电源具有高性能和高可靠性的特点，其设计非常灵活。随着I C 厂商不断推出新型号、性能更好的数字电源I C 产品以及用户对数字电源认识的深入，数字电源的应用将会得到普及。本文就数字开关电源的发展分析，作进一步的研究和探讨。近年来，许多相关的因素导致对数字电源管理的需求急剧上升。许多板卡设计人员已经转向开发中间总线电源结构，通过使用多个单板D C D C转换器来产生不同矽器件所需要的多样化的电源要求。这导致一个很明显的结果就是在产品的设计、生产测试及日常使用的过程中，配置、控制及监控这些电源将变得更加的复杂。光是控制上电下电时序就需要专门的可编程集成电路及大量的额外部件，更别说用于灵活的系统级控制和诊断所需要的配置或实时反馈设施。收稿日期：2 0 0 8 年8 月2 日，修回日期：2 0 0 8 年8 月3 1 日作者简介：刘志春，男，学士，高级工程师，研究方向：电子工程技术。万方数据Z 0 0 9 年第1 期舰船电子工程3 52 1 数字电源的含义数字电源的含义主要包括：一是通过数字接口控制模拟开关稳压器；二是用数字电路取代开关稳压器中的模拟电路L 2 。1)通过数字接口控制模拟开关稳压器。通过数字接口控制开关稳压器，包括通过1 2 C 或类似的数字总线控制输出电压、开关频率或多通道电源的排序，动、裕度控制、加电和断电排序等等都可以通过一个或多个数字信号控制。实际上，目前市场上的很多电源管理集成电路都以这种方式工作：通过数字接口控制模拟开关稳压器。2)用数字电路取代开关稳压器中的模拟电路。用数字电路彻底取代开关稳压器中的所有模拟电路。这样将使开关稳压器更容易设计、配置、稳定、调节和销售。通过编写几行简单的代码，一个核心数字电源集成电路就可以配置成升压稳压器、降压稳压器、负输出、S E P I C、反激式或正激式转换器。甚至用A D C 和D S P 取代误差放大器和脉冲宽度调制器的数字开关稳压器也仍然需要电压基准、电流检测电路和开关或F E T 驱动器。此外，电感器或变压器和电容器在实现数字电源时也是不能没有的。2 2 数字电源的特点数字电源系统的特点主要有：一是以数字信息构成智能化开关电源；二是模拟组件与数字组件优化组合；三是电源系统单片集成化；四是数字电源达到高技术指标。1)以数字信息构成智能化开关电源。以数字信号处理器(D S P)或微控制器(M C U)为核心，将数字电源驱动器及P W M 控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。传统的由微控制器(妒或弘C)控制的开关电源，一般只是控制电源的启动和关断，并非真正意义的数字电源。2)模拟组件与数字组件优化组合。采用“整合数字电源”(F u s i o nD i g i t a lP o w e r)技术，实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。例如，功率级所用的模拟组件一M O S F E T 驱动器，可以很方便地与数字电源控制器相连并实现各种保护及偏置电源管理，而P W M 控制器也属于数控模拟芯片。3)电源系统单片集成化。高集成度，实现了电源系统单片集成化(P o w e rs y s t e mo nc h i p)，将大量的分立式元器件整合到一个芯片或一组芯片中。4)数字电源达到高技术指标。能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，使所设计的数字电源达到高技术指标。例如，其脉宽调制(P W M)分辨力可达1 5 0 p s(1 0 1 2 s)的水平，这是传统开关电源所望尘莫及的。数字电源还能实现多相位控制、非线性控制、负载均流以及故障预测等功能，为研制绿色节能型开关电源提供了便利条件。2 3 数字电源产品目前，美国的数字电源技术发展很快，例如，美国德州仪器公司(T D g H 新型的数字电源；美国百万历数字电源(P X 7 5 2 2，P r i m a r i o n)；美国冬泽电商企业集团的电源技术研究；美国i W a t t 公司研制的i W 数字控制器；美国博世采用S T 的智能电源和高电压技术；美国冠军C P H 高频数字化等L 3 。1)美国德州仪器公司(T I)创新型的数字电源。2 0 0 5 年3 月，美国德州仪器公司(T I)宣布推出具有创新型的数字电源产品，不仅能显著提高电源系统的性能，还可大幅度延长其使用寿命。该公司还展示了F u s j o nD i g i t a lP o w e 解决方案，以证明数字电源系统能以极具竞争力的低成本，实现高性能指标及没计灵活性。该解决方案包括以下3 类芯片；U C D 7 K 系列数字电源驱动器(含U C D 7 1 0 0和U C D 7 2 0 1)；U C D 8 K 系列P W M 控制器(含U C D 8 6 2 0和U C D 8 2 2 0)；U C D 9 K 系列数字信号处理器(U C D 9 1 1 0 9 5 0 1)。2)美周百万历数字电源(P X 7 5 2 2，P r i m a r i o n)。P X 7 5 2 2 是一款电源转换和电源调节集成电路，可用于电信、数据通信、在线服务和存储市场上的同步D C D C 转换器中。P X7 5 2 2 可以调节两个独立的输出或者在单输出模式下调节两相输出。它同时支持D C R 和R D S o n 电流传感集成电路布局技术，输出电压范围宽，在0 5 V 到8 V 之间。这款可配置性极高的控制集成电路利用了P M B u s(T M)和芯上非易笋性存储器(N V M)来增强其可控制性和实时系统监控。对于双输出负载点应用，该参考设计结果表明，在不到2 平方英寸的面积上，5 V 电压下的效率达9 5，在3 3 V 电压下达9 4。具有数字温度补偿功能，可支持D C R 和R D-S o n 电流传感集成电路布局技术；兼容三相和非三相F E T 驱动器；实时电流、温度和输入电压传感遥万方数据3 6刘志春等：数字开关电源技术的发展分析总第1 7 5 期测技术；增强故障保护和用户配置错误操作报告功能；数字控制环路和有功电压定位(A V P)；对串行端口上的输出电压进行测定、修正和跟踪；可配置的P W M 发电机；预偏置负载启动；兼容P M B u s 的串行接口(6 0 核心P M B u s 指令库)；内部电压和温度定位；内部振荡器(不要求外部调用)。3)美国冬泽电商企业集团的电源技术研究。美国冬泽电商(A M E R I C AP()w E RE I。E C T R o N I C)企业集团从事电源技术研究和生产达几十年，在美洲现已发展成为世界领先的电源设备生产厂商之一。诸如A C 至D C 和D C 至D CS M P S 等传统电源产品均采用了一种模拟控制回路来对P W M 模块、集成电路(开关电源)和功率器件进行基本控制，并在这一基础上添加了由单片机执行的数字信号控制和通信功能。但是，在数字电源中，模拟控制回路被数字控制同路所取代，并且P W M 模块通常集成在执行高级控制和通信的同一颗单片机中。4)美国i W a t t 公司研制的i W 数字控制器。美国i W a t t 公司则走创新之路，它研制的i W 数字控制器，区别于模拟控制器，不采用P W M 技术，而是在芯片内置优化算法逻辑，不必用户另外编程，就可以直接应用控制器内部脉冲优化技术，实现数字控制的开关电源。i W 系列有不带P F C 的i W 2 2 0 1 及带P F C 的i W 2 2 0 2。它应用了一种“p u l s e T r a i n”专利技术，内含一个“功率脉冲发生器”(用于强电控制)和一个“检测脉冲发生器”(用于弱电数字处理)。控制器检测输入电压及负载的状态，不必外部编程，通过芯片内部最优化逻辑算法，产生“功率周期”、“传感周期”和“智能跳跃周期”等控制模式，决定开关管的通断。i W 系列芯片使用简单，目前已实现了2 0 0 W 的功率输出。5)美国博世采用S T 的智能电源和高电压技术。博世将采用S T 的智能电源和高电压技术。P A R I S 的长期合作伙伴，博世和意法半导体(S T)宣布了一项许可协议，根据该协议，博世将采用S T的智能电源和高电压技术，以设计和制造高度集成的汽车产品。在本协议条款中，博世称它将获得S T 授权的B C D 8(B i p o l a r-C M O S-D M O S)智能电源技术，据称该技术允许模拟、数字和电源电路被集成到一个单芯片上。它以0 1 8 微米技术为基础。S T 宣称，采用B C D 8 技术生产的芯片，其逻辑部分中的门密度证明“比以前的(B C D 6)技术高四倍。”尽管有更小的光刻，但仍保持与B C D 6 相同的功率性能，并且该技术所建立的多种优点(高电压能力、针对不利环境事件的保护、宽温度范围和汽车级的可靠性)得到了保持，这家总部位于日内瓦的公司进一步解释说。博世表示，它将把S T 的技术应用到包括引擎管理、传动控制、乘员保护、底盘系统和其它的应用。博世从S T 获得授权的H V C M O S 8 高电压C M o S 技术，通常用于像传感器接口和模拟处理这样的应用。6)美国冠军C P H 高频数字化。美国冠军C P H 高频数字化U P S1 0 K V A _ 2 0 K V A，其主要特点、性能、技术指标如下：(1)C P H 数字化U P S 特点全数字触摸屏大屏幕L C D 中文显示(3 2 0 X 2 4 0点阵)，U P S 工作模拟流程图；双变换真在线式设计，采用D S P 技术U P S 具有完善的保护功能和高可靠性；系统效率高，使用E C O 工作模式，效率高达9 8 以上；系统经过严格的短路测试及2 K V A高压绝缘测试；D S P 全数字控制技术，使控制精确、快速、可靠、稳定；具有P F C 整流，有效抑制了U P S对电网电源造成的谐波污染，提高了U P S 的输入功率因数o 9 7；可选择独立的电池检测包，可检测多达四组的单只电池的运行参数(最多1 6 0 只电池)，真正实现电池智能管理；强大的智能监控功能，提供R S 2 3 2、R S 4 2 2 干接点口、内置M o d e n 接口、电池检测接口，可选内置S N M P 卡及电池检测模块；灵活的并机技术适用于不同负载及系统，可单机，1+1 并机运行，也可进行多机(N+1)并机运行。(2)大屏幕触摸液晶显示屏监视器采用触摸屏技术，大屏幕中文显示(1 2 0X9 0 m m)，无开关按键，U P S 模拟流程显示，想看哪里点击哪里，操作方便快捷，可以清晰明了地从显示屏上读取数据信息、历史记录、告警状态等。(3)电池组智能检测和管理功能可提供实时的电池运行状态及电池放电的后备时间；在放电过程中U P S 的放电时间随负载变化自动测量显示；在电池检测时，对每只电池进行扫描，准确实时动态循环检测单体电池，采双向通讯方式，一对多连接每次循环可测量1 6 0 只单体电池(1 2 V)；测量出电池的容量及活性指标，准确定位失效电池发出告警信号，保证系统的供电可靠万方数据Z 0 0 9 年第1 期舰船电子工程3 7性。(选件)。(4)灵活的组网方案提供R S 2 3 2、R s 4 2 2、干接点、S N M P 卡、M o-d e m 等多种通信接口，满足T C P I P 协议，适应L A N、W A N 和I N T E R N E T 网络监控。(5)强大的实时监控功能U P S 供电环境监控系统，以国际领先的技术水平，开发了智能单机及网络一体化实时监控管理软件，为用户提供了专业、完善、实用、安全可靠的电源监控方案，使智能网络快速、可靠地管理E P S系统。U P S 集中监控管理软件为一体。2 4 数字电源的应用数字化开关电源可广泛用于遥测遥控。例如，导弹、卫星的发射控制；一体化的舰炮反导系统的控制；无人机的遥控，各种光电载荷的数字化控制(无人机投放箔条弹、红外诱饵弹、烟幕弹、智能炸弹、导弹等)；无线电、光纤、微波通信中的中继连接；网络中心战中的数字链连接等。1)俄罗斯P K-1 0 系统和S O M-5 0 红外激光混合诱饵弹以及S p e k t r-F“半杯”型激光测向告警系统一起，采用数字化开关电源，组成了智能型一体化软杀伤防御系统，能有效地对抗激光、红外和雷达制导的威胁。P K-1 0 系统包括1 0 个K T-2 1 6 发射装置、1 个控制台和诱饵干扰弹。每个发射装置由1 0 个1 2 0 m m 口径、仰角固定约4 5。的发射管组成，发射装置是可旋转的；简易控制台可控制4 个发射装置。2)法国“达盖”系统是近程速爆式无源光电干扰系统，它可以与多种侦察告警设备(雷达侦测设备及光学探测设备)配套，采用数字化开关电源，组成了智能型一体化的中、小型舰艇反导防御系统，以质心干扰方式对抗雷达末制导或红外被动寻的反舰导弹的攻击。该系统具有自动化程度高、反映速度快、假目标较为理想等优点，并且可以对抗不同方向的多批来袭目标。3)在计算机和通信领域，为了降低系统功耗提高电源效率，系统工作电压越来越低；另外，随着信息技术和微电子工艺技术的高速发展，器件的特征尺寸越来越小，集成电路的电源电压也越来越低。低电压器件的成本更低，性能更优，所以各大半导体公司都将3 3 V、2 5 V 等低电压集成电路作为推广重点，如高端的D S P、P I。D F P G A 产品已广泛采用3 3 V、2 5 V 甚至1 8 V、1 5 V 供电。例如，采用低压差线性稳压器(L D O)。低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本、最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少，通常只有一两个旁路电容。与传统的线性稳压器相比，它的最大优点是输入输出压差很低。如7 8 x x系列都要求输入电压要比输出电压高2 3 V 以上，否则不能正常工作。可是5 V 到3 3 V 的电压差只有1 7 V，所以7 8 x x 系列已经不能够满足3 3 V 或2 5 V 的电源没计要求。面对这类需求，许多电源芯片公司推出了L o wD r o p o u tR e g u l a t o r，即低压差线性稳压器。简称L D O。当系统中输入电压和输出电压接近时，L D 0 是最好的选择，可达到很高的效率。这种电源芯片的压差只有1 3 0 2 V，可以实现5 V 转3 3 V 2 5 V、3 3 V 转2 5 v 1 8 V 等要求。生产L D o 的公司很多，常见的有：M a x i m、L i n e a r(L T)、N a t i o n a lS e m i c o n d u c t o r、T I 等。3发展分析数字电源是一种新技术，其发展趋势：一是增强数字电源的功能，降低成本；二是注重科技创新L4|。1)增强数字电源的功能，降低成本。数字电源，不仅缩小了尺寸、其灵活性与适应性、可测试性都得到了增强，其诊断功能也得到了扩展。与使用所占空间较大的专有技术制造的模拟反馈回路相比，利用市场上现有的C M(r)S 技术实现数字反馈回路所需成本较少。由此看来，采用真正数字电源的解决方案整体成本比其他现有方案低得多。2)注重科技创新。科技人员要力求创新设计，使数字电源更趋完善。例如，科技人员在处理向导程序驱动的图形用户界面(G U I)时，可以获得各种系统级优点：通过实时遥测技术简化了系统级温度管理；通过实时遥测技术提高了在故障出现前事先预测的可靠性；通过在最终模块或者主板测试阶段完全自动化的检查和可变电阻器微调等功能提高可制造性。电源设计采用数字控制技术是大势所趋，更大集成度、更小尺寸、更高效率、更高安全可靠性、更快瞬时响应、更高灵活性，以及更低的成本也将成为数字电源的设计方向。4结语数字电源系统具有高集成度、高性价比、电源(下转第7 8 页)万方数据7 8付俊：U W B 技术在无线定位中的应用总第1 7 5 期何覆盖区域进行增加。每个定位单元中，主传感器配合其他传感器工作，并与单元内所有检测到位置的标签进行通讯。通过类似于移动通讯网络的蜂窝单元组合，能够做到较大面积区域的覆盖。同时，传感器也支持双向的标准射频通讯，允许动态改变标签的更新率，使交互式应用成为可能。图1 系统定位原理图示标签的位置通过标准以太网线或无线局域网，发送到定位引擎软件。定位引擎软件将数据进行综合，并通过A P I 接口传输到外部程序或U b i s e n s e 定位平台，实现空间信息的处理以及信息的可视化。由于标签能够在不同定位单元之间移动，定位平台能够自动在一个主传感器和下一个主传感器之间实现无缝切换。在建立系统时，需要对整体的多单元空间结构指定3 D 参考坐标系。当标签在参考坐标系内的多个单元中移动时，可视化模块能够实时显示标签位置。基于U W B 技术的U b i s e n s e7 0 0 0 定位系统的主要特点如下：精确可靠的实时定位有源射频标签适用于室内户外环境高精度，可以达到1 5 c m基座设施可互相替换高可靠性(两个感应器跟踪三维定位)动态更新率取决于标签的移动速度提供成熟的软件平台4发展前景未来定位技术的发展趋势是卫星导航技术与无线定位技术相结合，将G P S 定位技术与无线定位技术有机结合，发挥各自的优势，则既可以提供较好的精度和响应速度，又可以覆盖较广的范围，以实现精确的无缝定位。目前，制约U W B 技术发展的主要问题是其标准化工作还没有完成，一些技术问题需要不断完善。在定位方面，与当前流行的短距离无线通信技术相比，U W B 技术可以提供更高的定位精度和更快的传输速率，基于U W B 技术的U b i s e n s e7 0 0 0定位系统在典型应用中甚至可以实现1 5 c m 的3 D定位精度，这一优势是其它短距离无线通信技术无可比拟的。在军事需求和商业市场的推动下，U W B 技术将会进一步发展和成熟起来，其应用必将扩展到更多领域 6|。参考文献E 1 方红雨，崔逊学，刘綦无线传感器网络的定位问题综述 J 电脑与信息技术，2 0 0 5，1 2(1 3)：1 7 2 3 刘刚，张淑娥，邱巍巍超宽带无线通信技术及其应用 J 电力系统通信，2 0 0 5，2 6(1 2)：4 0 4 2 3 岳光荣，葛利嘉超宽带无线电综述r J 解放军理工大学学报(自然科学版)，2 0 0 2，3(2)：1 4 1 9E 4 吴绍华，张乃通室内信道环境下U W B 精确测距研究 J 。通信学报，2 0 0 7，2 8(4)：6 5 7 1 5 孙利民，李建中，陈渝等无线传感器网络 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 5 6 庞艳，乔镜U W B 无线定位技术探讨 J 电信快报，2 0 0 5，2 9(1 1)：4 9 5 1(上接第3 7 页)管理功能完善、外围电路简单、能面向用户设计等8 8显著优点，为实现智能化电源系统的优化设计创造 2 刘凤君开关电源与U P S 革命 J -电源技术应用，随着科技技术的不断研制和开发，数字电源将更 3 任卉数字电源方兴未艾T I 推第三代产品 J I!界-o g登登：兰苎竺耋怂鍪耋当器曼黔天和嘲嚣嚣i,怨I-1 1 1 1-1-黑：凳篇花，李觚h 嘶哪在明天，数字开关电源的应用和发展，将更为迫切。：三蒜电源研蔷：；：i 盖赢；j。荔毫享妊探测技菇万方数据