摘要：数字开关电源的控制性强，详细设计好数字开关电源的电路，同时做好配置工作，有助于提高数字开关电源设计的准确性，避免在行业中出现问题。本文将分析数字开关电源技术，结合具体设计案例探讨具体应用，以期保障数字电源设计的可靠性。
关键词：数字开关电源；电路；控制；设计
1模拟和数字开关电源对比
虽然目前数字开关电源有了长足的发展，但是市场上主流的电源仍是采用的模拟技术来实现的。因为模拟开关电源发展时间比较久，所以相关的技术、采用的元器件以及工艺等都比较成熟，结构设计方面已经趋于稳定，且成本较低。
数字开关电源由于相较于模拟开关电源具有很大优势，故最近成为开关电源的一个重要发展方向，两者电路结构相比一个比较大的区别是，模拟开关电源的PWM信号，是在误差放大器、斜坡补偿等电路的作用下产生的，这些电路是纯粹的模拟电路，而数字开关电源的PWM信号，则是首先采样反馈电压然后经过数字电路的处理，产生的DPWM信号。
数字开关电源电路的主要组成部分为:（1）模数转换器(A/D)，作用是对输出电压采样；（2）数字补偿器，作用是确定开关占空比；（3）数字脉宽调制器(DPWM)，作用是输出PWM信号，控制开关管和同步整流管的开断。可以看出与模拟开关电源相比，比较大的区别就是利用了数字控制代替模拟控制，其中补偿器具有可编程功能和保护功能，这样就可以在不调节相同控制器硬件的无源器件的基础上，实现与不同的功率级电路配合使用，增加了电路的通用性。并且随着数字控制器发展，可以实现对于传统模拟电路来说不切实际的控制方案，比如精确匹配移相占空比可以使用专用的数字控制器实现简单稳定的电压调节模块(VRM)的控制；在变压器隔离的DC-DC转换器中，通过隔离的数字信号传输可用于解决与标准模拟方法相关的有限带宽和大增益变化；可以在不改变芯片中元器件的基础上，通过更新固件控制算法来满足新的参数要求。所以数字开关电源相较于模拟开关电源在可编程能力、算法控制、操作精度和可靠性、通用性方面都有较大的优势。但数字开关电源也存在自己的劣势，一个是采用了采用了模拟加数字混合的技术，需要合理设计电路来提高数模模数转换工程中的精度，一个是数字控制部分采用的DSP等模块相较于模拟开关电源成本高出许多。
2数字开关电源电路设计及其控制技术
2.1电路设计分析
数字开关电源的控制电路是核心的部分，电路要和硬件配置相互结合，确保数字开关电源工作过程的可靠性。现阶段数字开关电源电路设计采用数字化技术，实现数字化控制。数字开关电源电路采用高度集成化的设计方法，提高电路设计的精确性。
数字开关电源电路中的控制系统可以实时监测电路内的电流与电压，对比数字开关电源中预先设计的技术指标，分析电路中是否有电流异常或者电压异常的情况，避免发生电源事故，全面保护好数字开关电源的电路运行，同时还能方便人员监控数字开关电源的应用。在数字开关电源电路设计中还要专门设计可显示的电路，监督数字开关电源电路的运行，降低安全事故的发生机率。
2.2数字开关电源控制技术
（1）单片机控制
单片机对数字开关电源进行控制时，系统先进行输出信号的采样，将采样信号进行A/D转换，得到数字信号，然后对数字信号进行精确的运算和调节，而后将运算结果转换为模拟信号来驱动PWM控制芯片，从而间接的实现开关电源的数字化控制。单片机的数字开关电源控制只需要利用几个简单的单片机就可实现闭环控制，一方面设计成本低、控制方法清晰，且技术已相当成熟；另一方面拓扑电路结构复杂、数字转换的延时较长，从而引起系统动态性能和稳压精度较低。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆虽然通过在单片机上进行PWM输出的集成可以改善数字延迟的时间，但是在单片机的时钟频率范围内无法产生于开关电源工作频率相适应的PWM输出控制信号。
（2）数字芯片控制
采用高性能的数字控制芯片（如DSP）来进行开关电源系统的采样，然后进行A/D转换输出PWM控制信号，通过驱动放大DSP输出的PWM信号，然后将其作用于开关管。为提高系统的动态响应速度，改善输出电压的调整精度，应采用高运算速度、高频率的控制芯片，便于迅速地完成系统的控制算法，精确控制开关电源的数字逻辑。然而，高性能的数字芯片由于技术难度大、控制逻辑复杂、成本较高、性价比低，无法在开关电源领域得到广泛应用。数字电源的优势是模块集成化程度高、数字智能芯片可操作性强、通信功能易于实现等，凭借这些优势数字电源越来越受到当前市场的青睐，但不可否认，当前数字电源依然存在许多亟待解决的技术问题，比如控制周期长、相位延迟时间长、数字电源采样及量化精度低等。
3基于UCD3138的数字电源设计
UCD3138是一款高性能的数字电源芯片，此数字控制器在单一芯片解决方案内提供了高集成度和完美的灵活性，还是一款完全可编程的芯片。本设计使用UCD3138芯片设计了硬开关全桥同步整流变换器，并进行了优化设计，以此减少无源元件的数量，提高运算速度。
3.1原边开关器件设计
考虑电压电流、电路开关频率等因素，预留一定的安全裕量，选取全桥拓扑的4个开关管为耐压120V的N沟道MOS管；副边同步整流管使用两个的N沟道MOS管，型号与开关管相同，以降低导通损耗；又因输出电流较大，为减小输出电路的电压电流尖峰现象，在整流管处添加RC吸收电路。
3.2驱动电路设计
由于驱动电路和主电路相连，为防止主电路上的高压灌入到驱动电路上将驱动电路破坏，使电源模块无法正常工作，设计时，将驱动电路与原边电路进行一定绝缘保护，最终满足耐压和驱动稳定的要求。此设计MOSFET驱动电路采用驱动芯片，驱动芯片为UCC27211，是高速低侧双MOS驱动器，每个芯片可以驱动两片MOS管。
3.3数字控制环路设计
使用UCD3138设计数字控制环路时，根据数字电源环路控制的特点，将具备高速运算能力的环路外设配置经误差放大器用于输出数字脉宽调制（DPWM）信号来控制驱动全桥拓扑的电源模块的开关器件。此外模拟差分信号EAP和EAN经过前端模块中一个专用误差模数转换器（EADC）变换成数字信号，再经过数字PID补偿器调节后输出调制信号送到数字PWM模块，产生DPWN信号驱动开关管。数字电源模块的控制系统通过UCD3138芯片的ADC采样模块对输出电压进行采样，将模拟量转换成数字量后送入数字芯片的PID控制器，通过算法调整PWM波的占空比后，驱动全桥开关管，实现改变输出电压的目的。
随着社会行业的发展，市场中数字开关电源的占比逐渐增加，而且行业中数字开关电源的应用过程中比较注重性能指标，进而对数字开关电源设计提出了更高的要求。数字开关电源逐步取代了传统的电源，改进了传统电源的性能，设计中应强调数字开关电源的控制性能及安全性能，规范数字开关电源的设计过程，增强数字开关电源的设计与应用。
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论文作者:宗思邈
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
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