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LED照明开始导入数字电源技术缩小体积及延长寿命

发布时间:2020-06-30 17:02:12 阅读: 来源:阳光板厂家

数字软件技术开始在此前曾是模拟技术一统天下的开关电源上广泛普及。LED照明、车载电源及产业设备等领域也纷纷开始导入数字控制型电源。通过添加通信功能或者将控制方式改变为动态控制等方法,在提高电源效率、缩小产品尺寸以及缩短开发时间等方面发挥了效果。长期以来一直是DSP课题的高成本问题,也随着价格与通用微控制器一样的低价产品问世而逐渐得到解决。

电源的数字控制有助于实现AC-DC电源和DC-DC转换器等的小型化及高效率化,大约5年前开始受到关注。这种“数字电源”的应用范围在最近一年来悄然扩大。

以前,数字电源只是导入于无停电电源装置(UPS)、通信产品、服务器以及太阳能电池用功率调节器等基础设施的部分产品中。但最近,LED照明器具、汽车、产业设备乃至部分消费类产品也开始采用数字电源(图1)。

低价位DSP的亮相成为契机

数字电源的应用范围能够扩大的最主要原因是,单价只有100多日元~数百日元的电源控制IC出现了用于数字电源的产品。数字电源控制IC的成本下降到了可与不足100日元的模拟电源控制IC相匹敌的程度。美国微芯科技(Microchip Technology)、美国德州仪器(TI)以及新日本无线等半导体厂商从2008年前后相继推出了数字电源专用的低价位控制IC。近来,大部分数字电源产品采用的都是这些企业的IC。

图1:数字控制电源的应用领域

在输出功率为100W以上、开关频率为1MHz以下的领域,采用DSP微控制器的数字控制电源开始普及。

以前,构成数字电源需要采用单价高达1000~数千日元的高性能DSP作为控制IC使用。这些IC的工作频率为100MHz以上,耗电量仅DSP就将近1W,用于通常的开关电源的控制则指标过剩。这是采用DSP的数字电源只在UPS等超过1kW的大型装置上才使用的主要原因。

不过,应部分先进电源厂商的要求,微芯科技和TI推出了配备数字电源所需功能,与通用微控制器价格一样便宜的DSP,也即“DSP微控制器”(1)。通过将1000日元以上的DSP成本大幅降到数百日元以下,基本解决了数字电源的最大瓶颈——控制IC成本高的问题。

(1)DSP微控制器=在普通的通用微控制器中融合DSP要素形成的产品。特点是通过硬件执行哈佛架构(Harvard Architecture)及循环控制功能等的。大约从10年前开始,日本国内外的半导体厂商就开始投放DSP微控制器。

图2:导入数字电源的好处

在电源的性能、开发以及运用等领域有很多好处,例如,缩小产品尺寸、削减部件数量以及通过导入高度控制提高效率等。

电源实现“智能化” 导入数字控制后,与目前的普通模拟控制电源相比,尺寸可缩小30%左右、部件数量削减20%左右、效率提高2~5%(图2),开关电源的基本性能得以提高。由于数字电源用控制IC的价格已经能够让人接受,所以今后应用范围有可能扩大到AC-DC电源、绝缘型DC-DC转换器以及非绝缘型DC-DC转换器等广泛领域的开关电源中。“每年都说数字电源‘今年会普及’,2010年才真正采用的产品多起来了”(日本TI营业技术本部、市场及应用技术统括部设计服务经理财津俊行)。

据美国功率电子产品相关调查公司Darnell Group预测,2014年数字电源IC供货量将扩大至目前2.5倍的123亿个,按供货金额换算将保持年均近30%的增长率。另外,可优化家庭内部能源利用效率的智能住宅(Smart House)等受到关注,也将加速数字电源的普及。通过在此前一直是模拟技术一统天下的电源上安装软件和通信功能,可以根据用途的不同实现“智能化”的数字电源所具有的巨大可能性。

以1MHz以下、100W以上的电源为对象

虽然数字控制已经容易导入,但并不是说可以应用于任意电源,在电力和开关频率方面还是有限制的。

数字电源的DSP微控制器自身就会消耗200mW左右的电力。因此,不太适合输出功率较小的电源。因为无法不顾及因DSP微控制器的电力而导致的效率降低。综合电源技术人员的意见来看,目前,输出功率为50~100W以上的电源为最佳对象。

除此之外,成本限制也非常严格,在很难发现数字电源多功能性(如配备通信功能等)价值的数字家电用电源方面,“数字电源的导入尚需时日”(从事液晶电视等消费类产品用电源业务的三垦电气)。

从开关频率方面来看,频率大约在1MHz以下的电源为最佳应用对象(图1)。在数字电源中,经由DSP微控制器上的A-D转换器监测输出电压和输出电流,利用软件控制电压和电流的稳定性。理由是,与利用运算放大器(误差放大器)连续检测输出电压和目标电压之差的模拟控制不同,数字控制会发生1μs左右的A-D转换时间、以及利用软件计算操作量的演算时间等数字控制特有的延迟。

图3:通过采用软件控制保护电路等,实现了小型化

TDK Lambda将过电流保护电路等模拟电路改用基于DSP微控制器的软件进行控制。在输出功率为300W的AC-DC电源中,与采用模拟控制相比,实现了约30%的小型化。照片由TDK Lambda提供。

小功率非绝缘型DC-DC转换器方面要求彻底实现小型化,例如电池驱动的便携产品用DC-DC转换器等,因此,开关频率为2M~8MHz。目前,该领域的电源很难采用基于DSP微控制器的数字控制。

不过,在数字电源中,利用基于专用逻辑电路的硬件而非基于DSP的软件来执行PI控制等控制演算时,可以支持超过1MHz的开关频率(图1)。原因是,该方式在将输出电压等进行A-D转换之前均与DSP方式相同,由于利用硬件的数字演算器实施PI控制,因此这部分的演算时间与DSP方式相比能够缩短。

利用专用逻辑电路的数字控制,在使PI控制的参数变更变得更加容易,以及支持多相构成等用途方面比模拟控制更有用(2)。但其控制方式受限,不像DSP方式那样灵活。在日本经营专用逻辑电路方式数字控制IC的代理店表示“几乎没有交易量”。如今,数字电源发生了变化,可以说今后用途有望扩大的是DSP方式。

(2)该方式在POL转换器、尤其是在面向个人电脑微处理器的VRM(voltageregulator module)等上已经实现了实用化。美国Intersil公司(该公司收购的Zilker Labs公司的产品)、美国芯科实验室(Silicon Laboratories)、德国英飞凌(该公司收购的Primarion公司的产品)、美国模拟器件以及美国CHiL Semiconductor等在从事该业务。

数字控制一决高低之处

在开关电源中导入基于DSP微控制器的数字控制的好处非常多(图2)。比较显著的特点是可提高效率等电源的基本性能,除此之外,回顾最近的事例,先行实现数字电源实用化的电源厂商除了在电源的基本性能方面以外,在开发方面、制造方面以及运用方面等均切实感受到了数字电源的诸多好处。

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