数字开关电源的设计

文/贾宝龙

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，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。

1　数字开关电源的硬件配置

1.1　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。本文以某数字开关电源为例，分析电路设计的方法。该案例中主电路采用全桥式的设计方法，控制方法选择了PWM，控制过程中配置了过流保护、过压保护以及软启动的方法。

数字开关电源电路设计的核心是ARM芯片中的M0516LAN，芯片采集数字开关电源中的电压信号与电流信号，之后自动传送到芯片中的A/D接口完成转换工作，接下来ARM处理器会接收信号并实行数据的计算与处理，从主电路中输出对应的PWM波形信号，此类信号在隔离驱动的作用下控制好数字开关电源的断开与接通，获取数字开关电源中的电压和电流。

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。

1.2　硬件配置

首先是电路结构和元件参数的设计，主要是预防数字开关电源中的共模干扰，提高电源结构的稳定性。数字开关电源的电路结构中存在差模电容和共模电容，为了消除电容中引起的干扰问题，需要在电路结构中安装差模噪声滤波器，专门用于预防差模噪声，金属膜电容的参数调整为0.1～1.0μF，电路结构中规定共模电容的容量参数不能超过规定的安全标准，可以设置为2200～4700pF。

然后是变换器的应用，变换器可以为数字开关电源提供有效的拓扑结构，其为电路硬件中的首选结构。变换器拓扑结构能够承受数字开关电源中的低压，降低可承受的压差，数字开关电源电路中安装了大量的电感元件，此类元件能够在变换器的作用下降低对主电路的瞬时高频冲击作用，而且变换器本身具有非常低的电磁干扰与射频干扰，符合数字开关电源硬件配置的要求。变换器配置时采用的是Boost电路，以变换器配置为主规定了元件的设计指标，如：

（1）电路输出直流电压为400V；

（2）电路输入交流电压是220V±20%；

（3）输出额定功率是600W；

（4）数字开关电源中的开关频率是80kHz；

（5）数字开关电源硬件的工作效率不能低于96%；

（6）电源系统中的功率因数不能低于0.99。

最后是数字开关电源设计中的辅助电源，辅助电源同样采用了数字化的控制电路，规定好辅助电源不同功率对应的功耗，其在工作状态下最大功率的标准值是420mW，辅助类型的元器件功耗不能超过3W。

2　数字开关电源的软件配置

本文以电容老化之前的充电预处理为例，分析该应用下数字开关电源的软件配置，数字开关电源工作时选用的是多段充电的方法，匹配好电流与档位，限定好电源系统中的电流，完成充电的过程。数字开关电源的软件有着较强的控制作用，从控制算法、主程序设计以及A/D中断子程序3个方面，分析数字开关电源的软件配置。

2.1　控制算法

该案例中数字开关电源中采用的是数字化PID控制，主要是因为PID控制具有可靠、稳定的作用，所以能够在简单的流程中完成有效的控制。PID在数字开关电源中已经逐步成熟，利用比例、积分和微分的方法控制数字开关电源的运行。PID控制算法中配置了不同类型的PID算式，常见的有增量式PID与位置式PID，按照数字开关电源的控制流程执行控制算法。

2.2　主程序设计

主程序在数字开关电源中负责系统的初始化，检测电源的开关机，之后进入到主程序循环的状态中，准备好中断处理。主程序中需要初始化设置常量、变量，同时设置好I/O口、A/D口和PWM输出口。数字开关电源主程序的应用流程为：开机→系统初始化→读取按键状态→进入相应工作模式→结束。

2.3　A/D中断子程序

A/D中断子程序在数字开关电源软件中负责读取AD转换的结果，在系统中利用AD转换结果条用PID调节子程序，之后再输出PWM波形，用于控制数字开关电源的设计。A/D中断子程序的工作模式为：AD中断服务程序入口→断电保护并关闭总中断→读取并保存输出电压、电流采样值→过压过流→调用PI子程序→恢复现场并中断返回→AD中断服务程序结束，其中过压电流环节可以断开PWM输出，重新回到读取并保存输出电压、电流采样值阶段。

3　结束语

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，同时做好硬件配置与软件配置的工作，提高数字开关电源设计的准确性，避免在行业中出现问题。数字开关电源设计的过程中一定要注意各项技术的应用，由此才能保障数字电源设计的可靠性。