引言

進入21世紀以來，開關(guān)電源正朝著智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。新問世的數(shù)字電源以其優(yōu)良特性和完備的監(jiān)控功能，正引起人們的廣泛關(guān)注。數(shù)字電源提供了智能化的適應性與靈活性，具備直接監(jiān)控、遠程故障診斷、故障處理等電源管理功能，能滿足復雜的電源要求。

1 數(shù)字電源的發(fā)展趨勢

1.1 什么是數(shù)字電源

目前，數(shù)字電源有多種定義。

●定義一：通過數(shù)字接口控制的開關(guān)電源（它強調(diào)的是數(shù)字電源的“通信”功能）。

●定義二：具有數(shù)字控制功能的開關(guān)電源（它強調(diào)的是數(shù)字電源的“數(shù)控”功能）。

●定義三：具有數(shù)字監(jiān)測功能的開關(guān)電源（它強調(diào)的是數(shù)字電源對溫度等參數(shù)的“監(jiān)測”功能）。

上述三種定義的共同特點是“模擬開關(guān)電源→改造升級”，所強調(diào)的是“電源控制”，其控制對象主要是開關(guān)電源的外特性

●定義四：以數(shù)字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動器、PWM控制器等作為控制對象，能實現(xiàn)控制、管理和監(jiān)測功能的電源產(chǎn)品。它是通過設(shè)定開關(guān)電源的內(nèi)部參數(shù)來改變其外特性，并在“電源控制”的基礎(chǔ)上增加了“電源管理”。所謂電源管理是指將電源有效地分配給系統(tǒng)的不同組件，最大限度地降低損耗。數(shù)字電源的管理（如電源排序）必須全部采用數(shù)字技術(shù)。

●TI公司定義：數(shù)字電源IC是數(shù)字控制的電源管理IC，它能提供配置、監(jiān)視和監(jiān)控功能，并能擴展到全回路控制。

1.2 數(shù)字電源的分類

（1）標準的數(shù)字電源DPS（Digital Power Supply）

（2）廣義的數(shù)字電源

①數(shù)控電源DCP （Digital Control Power Supply）；

②可編程開關(guān)穩(wěn)壓器PSVR（Programmable Switching VoltageRegulator）；

③數(shù)控基準電壓源DCRV（Digital Control Reference VoltageSource）；

④數(shù)控電流源DCC（Digital Control Current Source）；

⑤ 特種數(shù)控電源（如可編程充電器、可編程電焊機電源、可

編程電源適配器）。

1.3 數(shù)字電源的發(fā)展趨勢

2005年，美國德州儀器公司（TI）率先推出數(shù)字電源產(chǎn)品，并提出了“融合數(shù)字電源”（Fusion DigitalPower）的解決方案。TI公司推出了第三代Fusion Digital Power控制器UCD9240以及全新插入式模塊，編程更加靈活、，進一步提高了電源系統(tǒng)管理的智能化程度。目前，國外著名芯片廠家飛思卡爾、愛立信、Atmel、Silicon等都在開發(fā)數(shù)字電源IC，數(shù)字電源正進入迅速發(fā)展的新時期。據(jù)Darnell Group公司預測，2008年數(shù)字電源控制器IC的價格將與現(xiàn)有的模擬產(chǎn)品基本持平。

目前盡管國外對數(shù)字電源的發(fā)展還有些爭議，但它畢竟代表了一項新技術(shù)。這如同20世紀70年代末穩(wěn)壓電源從線性電源改為開關(guān)電源時，曾遇到成本高、輸出噪音大等問題，但開關(guān)電源現(xiàn)已在許多領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)的線性電源。隨著科技的發(fā)展和市場需求的擴大，從模擬電源到數(shù)字電源的轉(zhuǎn)型速度會大大加快，數(shù)字電源具有良好的發(fā)展前景。

2 數(shù)字電源與模擬電源的性能比較及適用領(lǐng)域

2.1 數(shù)字電源與模擬電源的性能比較

需要說明兩點：

●第一，傳統(tǒng)意義的數(shù)控電源，只是調(diào)節(jié)輸出電壓或控制電源的啟動、關(guān)斷，并非真正意義的數(shù)字電源。

●第二，數(shù)字電源和模擬電源只是習慣稱謂，并無嚴格的數(shù)字、模擬之分。因為即使模擬開關(guān)電源，其PWM也包含了時鐘、門電路等數(shù)字電路；而數(shù)字電源則包含ADC、基準電壓源、功率器件等模擬電路。因此，將數(shù)字電源理解成純數(shù)字化并不準確。

2.2 數(shù)字電源的適用領(lǐng)域

●數(shù)字電源適合于控制參數(shù)較多、實時響應速度快、復雜的高性能電源系統(tǒng)，例如設(shè)計從AC線路到負載的高端電源系統(tǒng)。可廣泛用于移動通信設(shè)備、計算機服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)及不間斷電源（UPS）等。

●模擬電源適應于簡單易用、控制參數(shù)少、成本低的應用場合。

3 數(shù)字電源的基本構(gòu)成及電路設(shè)計

3.1 數(shù)字電源的基本構(gòu)成

TI公司數(shù)字電源的一種配置方案

（1）32位數(shù)字信號處理器（DSP）——UCD9501

內(nèi)部主要包含：

●100MHz的32位CPU

●時鐘振蕩器

●3個32位定時器

●看門狗電路

●內(nèi)部/外部中斷控制器

●SCI總線、SPI總線、CAN總線及總線接口

●12路PWM信號輸出

●系統(tǒng)控制器

●16通道12位ADC

●16K×16 Flash，6K×16 SARAM，1K×16ROM。

●它采用標準的3.3V輸入/輸出接口。

●利用Power PADTM HTSSOP和QFN軟件包可進行編程。

（2）數(shù)字電源驅(qū)動器——UCD7100

（3）PWM控制器——UCD8220

3.2 數(shù)字電源的電路設(shè)計

過流保護及關(guān)斷功能

過流保護電路的工作原理是當IO＞2.0A時，即可發(fā)出報警信號。當IO超過設(shè)定電流時，單片機立即輸出過流關(guān)斷信號（高電平），使UC3843B的誤差電壓變?yōu)榈碗娖剑P(guān)斷UC3843B的輸出；并使MOSFET截止，強行關(guān)斷開關(guān)電源的輸出，起到保護作用。一旦排除過流故障，單片機就發(fā)出低電平信號，使開關(guān)電源自動恢復正常工作狀態(tài)。過流關(guān)斷閾值電流可通過鍵盤設(shè)定。設(shè)定范圍是2.0～3.0A。

4 可編程開關(guān)穩(wěn)壓器的電路設(shè)計

●可調(diào)式開關(guān)式穩(wěn)壓器是通過手動調(diào)節(jié)電阻值來改變輸出電壓的，不僅調(diào)節(jié)精度低，而且使用不夠方便。

● 用數(shù)字電位器代替可調(diào)電阻，可構(gòu)成由計算機控制的可編程開關(guān)穩(wěn)壓器。

4.1 數(shù)字電位器的基本工作原理及數(shù)學模型

●數(shù)字電位器（Digital Potentiometer）亦稱數(shù)控電位器

（Digitally Controlled Potentiometers，DCP），是一種頗具發(fā)展前景的新型電子器件，在許多領(lǐng)域可取代傳統(tǒng)的機械電位器，廣泛用于儀器儀表、計算機及通信設(shè)備、家用電器、工業(yè)控制、線性及開關(guān)穩(wěn)壓器等領(lǐng)域。

●數(shù)字電位器的等效電路

數(shù)字電位器屬于集成化的三端可變電阻器件。

●數(shù)字電位器的原理示意圖

●數(shù)字電位器的數(shù)學模型

●數(shù)字電位器的特點

★（1）數(shù)字電位器可等效于三端可編程電阻。

★（2）互補電阻kR和（1－k）R是輸入代碼的函數(shù)。

★（3）數(shù)字電位器可視為能輸出電阻值的一種特殊的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。

★（4）數(shù)字電位器的輸出電阻可轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。

“將模擬電源放到總線上”的設(shè)計思想

模擬電源與數(shù)字電源有很大區(qū)別。例如，數(shù)字電源帶接口電路，可直接連到總線上，由DSP或單片機進行控制；而模擬電源沒有接口電路，不能接到總線上。但只要給模擬電源配上數(shù)字電位器，利用數(shù)字電位器的接口將模擬電源連接到計算機總線上，即可通過計算機來控制模擬電源的參數(shù)，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)或控制，這就是“將模擬電源放到總線上”的設(shè)計思想。“將模擬電源放到總線上”的示意圖如圖9所示。

圖中的公共汽車（bus）就相當于帶數(shù)字電位器的總線接口。

4.2 可編程開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)化設(shè)計

由數(shù)字電位器和開關(guān)穩(wěn)壓器構(gòu)成的可編程開關(guān)穩(wěn)壓器（方案之一）

由數(shù)字電位器和開關(guān)穩(wěn)壓器構(gòu)成的可編程開關(guān)穩(wěn)壓器（方案之二、方案之三）

多路輸出式開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計方案

4.3 提高開關(guān)穩(wěn)壓器調(diào)壓精度的方法

（方法之一）

圖17 將X9241級聯(lián)后構(gòu)成8001抽頭數(shù)字電位器的電路

采用串聯(lián)、并聯(lián)方法并配合必要的程序設(shè)計，就能大幅度提高數(shù)字電位器的分辨率。例如，使用一片四路64抽頭數(shù)字電位器X9241，即可構(gòu)成一個具有極高分辨率的8001抽頭數(shù)字電位器，其分辨率高達（1/8000）×100％＝0.0125％。可使調(diào)壓精度大大提高。

（方法之二）

DS3906為低電阻、小步長的三路64抽頭非易失性數(shù)字電位器，給它配上外部電阻后能獲得1Ω甚至0.1Ω的小步長。

5 精密數(shù)控基準電壓源的設(shè)計

● 基準電壓源是一種用來作為電壓標準的高穩(wěn)定度電壓源。目前，它已被廣泛用于數(shù)字儀表、智能儀器和測試系統(tǒng)中，是一種頗有發(fā)展前景的新型特種電源集成電路。

●基準電壓源的特點可概括為四個字：穩(wěn)、準、簡、便。

“穩(wěn)”——電壓穩(wěn)定度高，不受環(huán)境溫度變化的影響；

“準”——能通過外部元件（例如精密多圈電位器或精密分壓電阻）作精細調(diào)整，獲得高準確度的基準電壓值；

“簡”——外圍電路非常簡單；

“便”——使用靈活、方便。

●在自動控制領(lǐng)域經(jīng)常需要一種輸出可調(diào)的精密數(shù)控基準電壓源，用來控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，要求基準電壓源的步進量很小（例如0.5mV），而電壓調(diào)節(jié)范圍很寬（如0～2.0000V）。數(shù)控基準電壓源的特點就是可通過單片機或微處理器的鍵盤來精確設(shè)定或調(diào)節(jié)基準電壓，并且在基準電壓與輸入數(shù)據(jù)（即設(shè)定值）之間存在著嚴格的對應關(guān)系。

●設(shè)計精密基準電壓源有兩種方案：

第一種方案是用數(shù)字電位器來代替電阻分壓器，直接對基準電壓進行調(diào)節(jié)，其缺點是受數(shù)字電位器內(nèi)部抽頭數(shù)量的限制（目前生產(chǎn)的數(shù)字電位器內(nèi)部最多有1024個抽頭），以及數(shù)字電位器內(nèi)部電阻單元的誤差及滑動端電阻的影響，調(diào)節(jié)精度還不可能達到很高；

第二種方案是采用內(nèi)含基準電壓源和電壓轉(zhuǎn)換器的高分辨率D/A轉(zhuǎn)換器，再配上單片機構(gòu)成精密基準電壓源，其優(yōu)點是電路簡單，很容易滿足設(shè)計要求。

5.1 D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）的選擇

●由MAX5130A與MSP430F149單片機可構(gòu)成精密數(shù)控基準電壓源。其輸出基準電壓的范圍是0～4.0955V，步進量為0.5mV，總共可獲得8192種不同的基準電壓值。輸出基準電壓的溫度系數(shù)為16×10 /℃。通過單片機還可對基準電壓進行編程，使輸出的基準電壓按照一定的規(guī)律發(fā)生變化（例如從1.000V開始，每隔1分鐘步進0.5mV，一直升高到2.5000V，然后逐漸減低），以滿足過程控制的需要。

●MAX5130A是美國MAXIM公司生產(chǎn)的13位D/A轉(zhuǎn)換器（簡稱DAC），可廣泛用于工業(yè)過程控制、自動測試設(shè)備（ATE）、數(shù)字偏移量及增益調(diào)整及單片機控制系統(tǒng)中。

●MAX5130A內(nèi)含精密帶隙基準電壓源及電壓轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部基準電壓為2.5V，滿量程輸出為＋4.0955V，分辨力為13bit，內(nèi)部電壓溫度系數(shù)低至3×10 /℃。

1.25V帶隙基準電壓首先經(jīng)過緩沖放大器放大，獲得2.5V基準電壓；最后通過輸出放大器放大，滿量程時的輸出電壓為4.0955V（標稱值，允許變化范圍是4.0463～4.1447V）。利用

端可對基準電壓進行微調(diào)，使之達到標稱值

5.2 精密數(shù)控基準電壓源的電路設(shè)計

●整機電路由10部分組成：

①16位單片機（IC1，MSP430F149）；

②D/A轉(zhuǎn)換器（IC2，MAX5130A）；

③輸出緩沖器（IC3，AD8031）；

④串行靜態(tài)譯碼驅(qū)動電路（IC4～ IC9，6片CD4094）；

⑤顯示器及狀態(tài)指示電路（LED1～LED9）；

⑥4×4鍵盤；

⑦晶振電路（JT）；

⑧上電自動復位及手動復位電路；

⑨具有下載和在線仿真功能的邊界掃描（JTAG）插座；

⑩＋3.3V穩(wěn)壓電源。

精密數(shù)控基準電壓源的電路框圖

6 精密數(shù)控恒流電源的設(shè)計

6.1 設(shè)計方案

●恒流源亦稱穩(wěn)流源，它能向負載提供恒定的電流。理想的恒流源，其輸出電流值應絕對不發(fā)生變化。但實際的恒流源只能在一定的范圍內(nèi)（包括溫度范圍、輸入電壓范圍、負載變化范圍），保持輸出電流的穩(wěn)定性。換言之，此時電流變化量很小，以至于可忽略不計。

●以AT89C51單片機為控制中心的精密數(shù)控恒流電源。

●采用DC/DC電源變換器與線性穩(wěn)壓器相結(jié)合的復合式穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)，既減小了輸出紋波電流，又降低了系統(tǒng)的功率消耗。

●系統(tǒng)采用12位D/A轉(zhuǎn)換器TLV5616實現(xiàn)輸出電流的設(shè)定，采用12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX187完成輸出電流的測量。單片機系統(tǒng)通過掃描鍵盤實現(xiàn)對輸出電流值的多種步進設(shè)定，并用LED數(shù)碼管同時顯示輸出電流設(shè)定值和實際測量值。

6.2 精密數(shù)控恒流電源的電路設(shè)計

單片機接收鍵盤的輸入數(shù)據(jù)，將設(shè)定的電流值通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為控制電壓，并將設(shè)定電流在顯示器上顯示；輸出電流通過A/D轉(zhuǎn)換器后也送入單片機，由單片機進行處理后送入顯示器顯示，顯示器同時顯示電流設(shè)定值和測量值，以便進行對比和調(diào)試。

電源主電路的設(shè)計

采用開關(guān)電源（DC/DC變換器）和線性調(diào)整晶體管相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。

電流控制電路的設(shè)計

12位D/A轉(zhuǎn)換器TLV5616將設(shè)定電流值轉(zhuǎn)換為給定電壓，該電壓經(jīng)IC1b反相衰減后送到IC1（+）端，給定電壓的最大值為4.096V，其中，4.000V對應于2000mA。電流源的輸出電流通過0.55Ω的取樣電阻產(chǎn)生取樣電壓，經(jīng)RP1調(diào)節(jié)校準后也送到IC1（+）端，這兩個電壓的差值經(jīng)過IC1比較放大后送到電子濾波器的控制端，用于調(diào)整電子濾波器的輸出電壓，從而實現(xiàn)輸出電流的穩(wěn)定。IC1與外圍元件組成PI（比例積分）調(diào)節(jié)器。

7 結(jié)語

數(shù)字電源是21世紀正在冉冉升起的一顆“能源之星”。我們相信，數(shù)字電源及各種數(shù)控電源的廣泛應用，必將取得更加豐碩的成果。