智能化數字電源的應用及其發展前景

樊兆寶，王京亮

（貴州梅嶺電源有限公司，貴州 遵義 563003）

0 引 言

隨著我國電子電路技術的高速發展，開關電源逐漸朝著智能化方向發展。智能化數字電源具有優異的監控功能，能夠結合實際應用需求靈活調整，適應性和智能性較強，應用前景十分廣闊。

1 智能化數字電源的發展

隨著我國科學技術的發展，開關電源逐漸朝著智能化方向推進，數字化技術與電源領域之間的融合創新出許多智能化、數字化產品。數字電源本身具備較好的監控性能，能夠為使用者提供更多的智能服務，提高設備的可操作性。例如，當智能化數字電源中的遠程故障診斷系統探測到設備出現故障時，無需維修人員親自進場處理，通過遠程故障診斷技術便可以實時分析故障問題并對其進行處理。相較于傳統電源，智能化數字電源在管理方面具有諸多優勢，既能夠滿足不同使用環境的需求，又能夠極大程度地提高電流保護效率，有效降低設備故障停機的概率[1]。

智能化數字電源主要包括微控制器和數字信息處理器，能夠結合電源實際運行狀況進行實時監測，并對其進行實時分析和自動化控制。智能化數字電源通過微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）實現自動化控制，具有較高的靈敏度，能夠有效確保電源的穩定性，并滿足不同復雜情況下的電源需求[2]。

從性能角度來看，智能化數字電源技術具有較高的集成度，能夠將大量分離的元器件組合到一起。通過模擬組件的方式能夠有效實現數字電源的實時管理，并且還能保護偏置電源。隨著時代的發展，智能化數字電源將會逐漸取代傳統模擬電源[3]。

2 智能化數字電源的特點

智能化數字電源是以微控制器為核心、以脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）控制器為對象的智能化開關電源系統。雖然傳統開關電源也是由微控制器進行控制，但是這種控制方式十分單一，只能實現控制電源的開與關。而智能化數字電源能夠滿足多種使用需求，實現智能化控制[4]。智能化數字電源既能夠實現開關電源的全部功能，也能夠發揮模擬組件的特點，例如應用金屬氧化層半導體場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）驅動器能夠實現偏置電源的管理。

從內部結構角度來看，智能化數字電源由分立式電子元器件整合而成，包含眾多芯片，充分體現出電源系統的高集成化特性[5]。智能化數字電源能夠充分發揮數字信號處理器的優勢，滿足特定環境下的技術指標要求。此外，利用智能化數字電源還能夠實現多相位控制、負載均流等功能，不僅能夠滿足使用需求，而且還能極大地提高工作效率[6]。通過各模塊的有機融合形成分布式數字電源系統，極大地提高了數字電源系統的可靠性[7]。

數字電源數字信息可由光盤或磁盤保存，能夠實現較長時間的數據保存。此外，數字電源具有較強的靈活性，可以實時更改相應參數，而不用添加電路元器件。不同溫度環境中，模擬電源輸出電壓的值有所不同，而數字電源對于外界環境溫度敏感較低，不存在模擬電源電壓漂移問題。相較于模擬電源，數字電源還具有較強的數據處理能力，技術人員通過程序編寫的方式可以精準控制開關管導通與關斷的時間，進而達到同步整流效果，減少開關管的開關消耗。

在物料成本方面，數字電源相對較高，模擬電源的物料成本較低；在溫度漂移方面，數字電源對于外界溫度敏感度較小，而模擬電源對于溫度敏感程度較大；在集成度方面，數字電源具有較高的集成度，而模擬電源的集成度較低。

通過模擬技術與數字技術的融合，極大地提高了智能化數字電源的適應性，能夠結合實際使用狀況靈活處理各種系統。此外，通過遠程診斷系統可以確保系統的安全可靠運行。隨著工藝的不斷變更，自動調節技術、自動診斷技術使得各項調試維護工作變得越來越輕松。智能化數字電源管理芯片可以實現同步信號下的并聯應用，能夠減少電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI），實現負載均流。數字控制具有較強的靈活性，能夠結合實際需求形成虛擬電源，確保負載系統處于最佳的功率轉換狀態。相比于傳統模擬電源存在數據誤差或者設備老化的現象，數字化電源對于外界溫度環境的需求不高，較為穩定。此外，數字電源還有其特有的運算特性，技術人員通過更新固件的方式就能夠調整拓撲結構、改變電源參數。

3 智能化數字電源應用分析

不同于模擬電源，智能化數字電源可以與大頻率高壓變頻器結合，利用數字元器件進行在線調整，確保電源具有實時變換的動態特性[8]。從市場需求角度來看，當前我國智能化數字電源填補了模擬電源領域的空白，例如數字器件控制電源內部參數能夠結合實際情況進行靈活調整等。通過應用智能化數字電源能夠使遠程控制方式更加多樣化，實現對電源和電流控制開關的智能控制[9]。

近年來，智能數字電源被各國學者不斷優化，例如有學者利用數字信號處理（Digital Singnal Processor，DSP）控制器對電源進行控制，并將其應用到車載轉換器上進行實驗。數字電源最初在高端產品領域發展，隨后才在主流市場領域滲透。此外，設計人員還結合智能化數字電源的特性為其配備了通信功能，以此實現動態可靠控制[10]。隨著DSP低價產品進入市場，有效解決了智能化數字電源成本過高的問題。電源控制IC在數字電源產品中的應用使得該設備的造價與模擬電源持平，有效拓寬電源控制的應用渠道。技術的發展推動產品的更新迭代，有效解決因自身經濟實力不足而難以達到預期需求的問題。數字電源DSP消耗的電能約為200 MW，倘若電源輸出功率較少，將難以適用。從開關頻率角度來看，智能化數字電源能夠對電壓和輸出電流進行監測，并且還能夠利用智能控件進行控制，以此消除數字控制延遲。

隨著我國半導體行業和集成電路行業的發展，數字控制器（Digital Motion Control，DMC）的尺寸越來越小，其工作效率不斷提升。通過軟件編程，技術人員可以實現各種數字電源的應用功能，其靈活性和可操作性為用戶提供了較大的操作空間，能夠根據實際需求調整電路參數。相較于傳統模擬開關電路，數字電源的核心控制部分大大簡化，并且具備可編程性等功能特性。

在數字電源實際應用過程中，其安全性、可靠性是技術人員需要重點考慮的問題，必須保障智能化數字電源應用安全可靠，從而充分發揮其真正作用。例如，在智能化數字開關電源設計過程中，技術人員可以利用變壓器滿足電氣隔離需求。由于變壓器分為工頻變壓器和高頻變壓器，因此技術人員還需要結合不同的變壓器類型進行靈活應用。

4 智能化數字電源發展面臨的問題與前景

雖然智能化數字電源具備眾多優勢，但也存在一定的問題。模擬控制能對信號狀態進行瞬時響應，技術人員要想對其采樣處理，則需要根據負載變化做出相應反饋，而智能化數字電源對于負載變化的反饋速率要低于模擬電源。智能化數字電源本身較為復雜，技術人員自身需要具備強大的編程能力，能夠結合實際需求對其綜合分析。原有電源設計主要以模擬設計為主，大多數企業無法有效發揮智能化數字電源的作用，從而制約智能化數字電源的發展。此外，數字電源在我國市場流通的時間有限，人們難以從多個維度分析其可靠性。從用戶角度來看，數字電源雖然得到廣泛發展，但目前數字電源的成本要比模擬電源高。只有在數字電源成本低于模擬電源成本且能提供模擬電源所不具備的功能時，用戶群體才會將數字電源作為優先選擇。

由于智能化電源的DSP電能消耗較多，因此它并不適用于輸出功率較小的電源。隨著時代的發展，電源設計需要結合當前我國市場需求，不斷優化原有DSP微控制器，以此提高效率，確保能夠滿足元器件對電壓和電流穩定性的要求，并且能夠對其進行實時監控。

5 結 論

綜上所述，隨著我國物聯網技術和互聯網技術的快速發展，傳統模擬技術已經不能滿足新的市場需求。智能化數字電源的興起使得我國電源系統朝著集成化、智能化方向發展，通過將微控制器與數字信號處理器進行融合充分發揮其有效作用，為通信電源領域的創新發展提供保障，未來需要進一步深入普及與應用。