LED照明开始导入数字电源技术 缩小体积及延长寿命

　　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。

　　例如，利用基于通信功能的监测器进行故障分析及再现试验时具有便捷性及可缩短开发周期等开发方面的好处，可通过数字自动校正解决部件不均等制造方面的好处，可利用通信功能进行远程监控及参数不会随年数发生变化等运用方面的好处，等等。

　　新电元工业在该领域率先采取了行动，例如从2004年开始量产数字电源、目前该公司的大部分电源产品均导入了数字电源等，该公司高度评价了数字电源的潜力，“数字控制非常深奥。本公司已经掌握了该技术，迄今为止切实感受到了很多好处，但我感觉，还有许多我们尚未注意到的数字控制的使用方法未被发掘出来”（新电元工业电装业务本部电装业务部第3设计部转换器设计组主任技师多田信裕）。

　　首先缩小尺寸提高效率

　　由于数字控制具有这么多优点，因此不同企业导入数字控制的目的大相径庭。有的企业的做法是有限地导入部分产品中，也有的企业为了最大限度地享受数字化的好处，本着多种目的将其导入了很多产品之中。

　　作为导入数字控制的好处，最显而易见而且在很多事例中通用的就是小型化及部件数量的削减。将原来安装在模拟电路上的过电流保护电路、防浪涌电流电路以及顺序启动电路等功能替换为DSP微控制器上的软件，可以削减安装面积。

　　例如，大型标准电源厂商TDK Lambda在2010年6月开始正式量产的300W输出功率前置电源“EFE 300”中就是上述第二种做法的代表。通过使用软件控制替换过电流保护电路等，与相同输出功率的模拟电源相比，尺寸缩小了约30％，重量减轻了约50％（图3）(3)。通过在轻负荷时切换控制方式，与采用模拟控制时相比，效率也提高了约5％。该产品主要用于产业设备、医疗设备以及测量仪器等。TDK Lambda以前就在定制产品方面引用过数字控制，但在标准电源方面此次还是首次实现数字控制的实用化。

(3)控制IC为美国爱特梅尔(Atmel) 的“AT90PWM2B”。主要是马达控制用微控制器，而非数字电源专用。PWM分辨率约为16ns。

　　作为延长寿命的方法

　　数字电源可以轻松导入在模拟电路控制中由于电路过于复杂而难以实现的高度控制。因此，想要在电源的主电路中采用特殊部件或者进行独自的控制方式时，不用等待专用的IC面世，只需改进DSP微控制器上的软件即可支持。

　　利用该优点的一个具有代表性的例子就是，从事LED照明业务的风险公司Clear Sodick开发的直管型LED照明器具及LED灯泡的电源电路。该电源电路没有使用通常使用的铝电解电容器，为了使用容量更小的积层陶瓷电容器（MLCC），采用了数字电源 注(4)。由Clear Sodick与原武藏工业大学（现为东京城市大学）的前教授、现任从事DSP技术咨询业务的DSP应用技术研究所董事长的曾祢元隆共同开发。已从2010年5月开始正式面向办公室及工厂等业务用途销售。电源电路由村田制作所制造。

注4）Clear Sodick的原公司名称为Clear。该公司计划以1万日元以下的价格销售40W的直管型LED照明（包括施工费）。LED灯泡也将作为商用产品销售，而非消费类产品。

 
图4：LED照明器具也采用数字电源

　　Clear Sodick通过改进数字控制，在LED照明器具的电源电路中采用积层陶瓷电容器替代电解电容器，延长了产品寿命（a，b）。LED元件由美国科锐生产，共采用了204个（a）。LED灯泡相当于60W的白炽灯，采用E26灯口。耗电量为5.6W（b）。

　　Clear Sodick在电源电路中采用MLCC的目的是为了延长电源的寿命。LED照明器具存在的课题是，尽管LED元件自身的寿命为4万小时以上，但在电源电路中用于平滑用途的铝电解电容器的寿命非常短。如果采用MLCC替换铝电解电容器的话，MLCC的寿命会比LED元件还要长很多，因此照明器具整体可轻松确保4万小时的寿命。尤其是在商用照明方面，希望避免因发生故障而频繁进行更换，因此“希望保证4万小时的寿命能成为差异化的关键”（Clear Sodick专务董事、制造开发负责人河江浩司）。

　　尽管MLCC寿命长，但与铝电解电容器相比，却存在着成本高、容量小等缺点。另外，等效串联电阻（ESR）只有铝电解电容器的1/10以下，因此控制环路的相位裕度等稳定条件也与采用铝电解电容器时不同。虽然Clear Sodick没有公开详情，但表示“通过改进控制，可以顺利使用容量较小的MLCC”。

 
图5：投影仪的镇流器电源采用数字控制

　　村田制作所在投影仪的镇流器电源中采用DSP微控制器控制流向灯的浪涌电流，延长了灯具的寿命（a，b）。照片由村田制作所提供。

　　Clear Sodick在数字电源的控制IC方面区分使用微芯科技和新日本无线的两种DSP微控制器。在灯泡型照明器具方面比较重视成本，因此采用微芯科技的产品。该公司没有公开开关频率和电源电路的主电路方式及控制方式等。而在直管型LED照明器具方面，其他公司的产品大多外置电源电路，但该公司却成功地将电源电路内置在了管内。

　　在为了延长产品寿命而采用数字控制的事例中，除了上面提到的Clear Sodick以外，还有村田制作所开发的投影仪镇流器电源，目前已从2008年7月开始面向投影仪厂商量产。在投影仪中，开始驱动灯时会出现较大的浪涌电流。这里存在的课题是，如果浪涌电流存在的时间较长，灯的寿命就会变短。另外，浪涌电流的特性因灯的种类而异，因此需要相应的控制。村田制作所为了按照每个灯提供最佳控制，采用了基于DSP微控制器的数字控制（图5）。

　　为支持车载用途实现数字化

　在模拟电源控制IC中，一般根据面前向型、逆向型、相位转换型、降压型等主电路方式（电路拓扑）以及电流模式控制和电压模式控制等控制方式，精细划分控制IC的种类。而数字电源的特点是，只要更换FET的栅极驱动，基本上无论何种主电路方式均能支持。

　　新电元工业充分利用了数字电源的这种灵活性。该公司于2000年前后率先着手开发了采用数字电源的产品，2004年将数字控制电源作为车载DC-DC转换器实现了实用化。本田面向美国推出的“雅阁混合动力车”、“思域混合动力车”以及燃料电池车等均采用了该电源，用于向12V系列的电装产品供应电力。

　　目前，除了上述产品外，用于无空转车型及电动助力方向盘（EPS）的DC-DC转换器等面向车载用途的大部分电源均采用的是数字控制，或者正在开发之中。“在车载用途以外的普通电源方面，通过从车载部门借鉴技术，数字控制也已经应用于LLC共振型电源、LED照明用电源以及功率因数校正电路（PFC）等。本公司积累了丰富的经验，甚至可以说在本公司‘数字电源已经成为普通技术’”（新电元工业的多田）。

　　新电元工业开发数字电源时最重视的是，即使是在组合特殊拓扑的电源电路时，也无需每次都开发专用控制IC。“如果是模拟控制的话，即使考虑采用新电源电路方式，但如果没有相应的控制IC，也无法实现商品化。如果新开发模拟电源控制IC需要投入数亿日元的资金，莫不如一举过渡到无论任何方式均可用同一IC支持的数字控制电源。我们于2000年做出了这个决定”（新电元工业的多田）。

　　在车载领域，SiC等性能高于当前MOSFET的开关元件备受期待，这些新开关元件在实现实用化时，如果采用数字控制的话便可迅速应对。

　　另外，车载用途的IC在可靠性和温度范围等方面，要求具有与普通用途IC不同的品质。2000年时，模拟电源控制IC还没有支持新电元工业要求的品质及标准的种类，这也是该公司决定向数字控制过渡的主要原因。目前，只根据相应用途适当地采用TI和新日本无线等的产品。