1.開發(fā)的背景
近年來， 隨著DSP等電子零件的小型化、高速化，開關電源的控制部分正在向數(shù)字化方向發(fā)展。由于數(shù)字化，使開關電源的控制部分的智能化、零件的共通化、電源的動作狀態(tài)的遠距離監(jiān)測成為了可能。開關電源市場中，從質(zhì)量、交貨期等方面，標準電源正在成長壯大。然而，電源的使用方法因系統(tǒng)不同而有所不同，所以現(xiàn)有狀況是：對特制電源的需求很強烈。數(shù)字化控制開關電源集標準電源和特制電源的優(yōu)點于一身。
迄今，筆者們以周圍機能、輸出電壓控制等，信號部分的全部數(shù)字化“全數(shù)字化”為目標進行開發(fā)。全數(shù)字化控制在有幾個數(shù)字化的結(jié)構中最具擴張性、靈活性，能在高水平上實現(xiàn)上述優(yōu)點。
這篇論文首先比較研究普遍被接受的控制器的構成，提出全數(shù)字化領域的技術性課題，并且，針對DSP的全數(shù)字化控制電源試驗機，以試驗數(shù)據(jù)為基礎進行考察。
2.關于控制部分的數(shù)字化
2.1模擬和數(shù)字化
在數(shù)字化來臨之前，世界處于模擬時代。當時多數(shù)市場都是業(yè)界標準、單功能，處于基本性能、質(zhì)量（以電視為例，是好的畫面質(zhì)量和使用壽命等）的競爭時代。并且，由于在制品完成時才確定商品價值，所以顧客不會提高價格，這就是“自我(生產(chǎn)廠家)完結(jié)型”。這之后，隨著數(shù)字化的到來，競爭的領域發(fā)生了改變?；拘阅?、質(zhì)量是商品價值的源流，所以這個競爭還會繼續(xù)，但是，由標準向特制，由單功能向多功能發(fā)生了轉(zhuǎn)變，這時的商品價值就會讓顧客提高價格，轉(zhuǎn)變?yōu)榱恕邦櫩屯杲Y(jié)型”。擁有這個數(shù)字化的特征的典型的例子就是個人電腦。
開關電源的本質(zhì)是電力轉(zhuǎn)換器，基本性能、質(zhì)量的競爭以后仍將繼續(xù)。但這不是唯一重要的。電源的使用方法是由顧客決定的，因系統(tǒng)不同而各不相同。因此，現(xiàn)有的狀況就是：顧客有強烈的特制的要求。數(shù)字化所持有的“特制”、“多功能”、“顧客完結(jié)型”的特征正能解決這個問題。此外，還有依靠數(shù)字通信的數(shù)字化機器的融合，依靠數(shù)字化控制、信號處理的技術革新。因為應用了這些，就能期待性能、質(zhì)量的提升以及超越素有的既成概念的用途范圍的擴大。
2.2控制結(jié)構的比較
模擬控制方法適用于頻率高、電力小、功能少的開關電源。然而，要完全滿足顧客的要求是有難度的。因此，現(xiàn)在在電源系統(tǒng)設計過程中，在電源外部增加回路，或在一定程度上妥協(xié)于性能、質(zhì)量，使其最大程度發(fā)揮作用。這種努力努力證明應用數(shù)字化技術，在電源內(nèi)部應對，效率好。微型多用計算機和模擬控制的結(jié)構特征是：邏輯等的周邊機能和模擬控制部分的定數(shù)調(diào)整實現(xiàn)軟件化。然而，既然應用模擬IC，靈活性就是有限的。例如，如果要改換力部的拓撲（topology位相數(shù)學）就需要替換模擬IC，并且每次都有必要檢查周邊回路。與之相比，依靠DSP的全數(shù)字化控制結(jié)構中，PMW發(fā)電機能夠生成任意的電流，就沒有必要更換IC了。此外，全數(shù)字化容易使周圍部件集成化、小型化，因此很有用。
應答的高速性也是一個弱點，如果是開關的頻率為數(shù)百千赫的電源，與模擬相比，也能有毫不遜色的反應速度。更進一步說，控制方式應用了現(xiàn)代控制理論，因此會有超出模擬控制的特性。
目前，有反應、消費電量的問題，但考慮到近年來裝置的迅速發(fā)展，全數(shù)字化控制方式定能成為最佳的方式。
2.3全數(shù)字化控制的技術性課題
控制部分的全數(shù)字化存在兩大技術性問題。一是輸出電壓分解能的問題。其原因在于：數(shù)字PWM發(fā)電機應用了如圖2所示的計算器，這種構成情況下，出現(xiàn)了依據(jù)計數(shù)器時鐘Tclk的時間刻度。圖3表示輸出電壓分解能特性。這幅圖設計了3.3伏輸出電壓的電源式樣，一臺變頻器。Tclk是25ns(40兆赫茲的時鐘周期)。Vi是輸出電壓。根據(jù)此圖，輸出電壓分解能與輸入電壓及開關頻率數(shù)有很大關系，輸入電壓是48伏開關頻率數(shù)為40萬赫茲時，△vo(pls)為96毫伏。輸出電壓為3.3伏的電源，就有2.9℅的分解能，看出來這是很糟糕的。
另一個問題就是輸出電壓應對特性。歷來的模擬控制的開關電源，一個開關周期中承載波與操作量u的比值決定沖擊電流。因此，PWM的更新與開關周期Tswitching相連。與此相對，數(shù)字化控制的情況下，用A/D轉(zhuǎn)換器得出輸出電壓，進行演算，更新操作量需要時間。這個時間為控制時間Tcontrol。如圖4所示關于用承載波的流量值更新操作量u的系統(tǒng)。這種情況下，圖4(a)所示控制時間比開關周期短，這并不存在問題，但是，圖4(b)所示如果控制時間比開關周期長，因為電流幅度被更新的周期達到了開關周期的2倍以上，應對性能就會惡化。
考慮到這些問題，就有必要開發(fā)設計新制品。
3.智能控制的例子
由于全數(shù)字化，智能PWM控制就可能實現(xiàn)。利用這個，就有可能改善輸出電壓分解能的問題。為了清晰易懂地驗證這個問題，我們讓輸出電壓控制的基準電壓Vref平緩地浮動，觀察此時的輸出電壓對應波形。
圖5表示分解能改善前的全數(shù)字控制的輸出電壓對應波形。改善前，約有100毫伏的震動，這是因為PWM發(fā)電機的分解能低于輸出電壓的A/D轉(zhuǎn)換部分的分解能。圖6表示分解能改善后全數(shù)字控制的輸出電壓對應波形。采用獨自的控制手法PCP控制，32倍改善了PWM發(fā)電機的分解能，由于能夠優(yōu)于A/D轉(zhuǎn)換部的分解能，所以并沒有震動現(xiàn)象。
此外，應用近似的2自由度技術的Robust控制器，可能提升負荷急變特性。在力部與控制系統(tǒng)的周波數(shù)都相同的條件下，比較一下歷來的控制與控制。圖7表示歷來的模擬控制DC-DC轉(zhuǎn)換器下的負荷急變波形。以前，輸出時一被連接陶瓷電容等的ESP小電容，就有振動的傾向。與之相比較，根據(jù)圖8所示，Robust控制時，反應的高峰受到控制，即使輸出連接了陶瓷電容，也沒那么容易發(fā)生振動。通常，被連接到開關電源負荷的迂回電容容量值因系統(tǒng)不同而有所不同。由于應用了這個Robust控制技術，就不再依靠與負荷相連接的迂回電容的容量值了，能提供穩(wěn)定的負荷急變特性。
4.全數(shù)字控制電源試制機的開發(fā)
已經(jīng)生產(chǎn)了圖9所示的全數(shù)字控制絕緣DC-DC轉(zhuǎn)換器的試制機。這個試制機是應用DSP制成的?；痉绞绞禽斎腚妷?8伏、輸出為3.3伏25安，有一本書的四分之一那么大，與以往的模擬控制DC-DC轉(zhuǎn)換器相比，達到了足夠廣闊的范圍。
此外，圖10所示的裝置是非同期串行通信(SCI)，可能與PC通信。這個裝置由電源試制機和接口IC數(shù)件的周邊零件及PC構成。
為了實現(xiàn)PC與電源試制機間的通信，開發(fā)了圖11所示的軟件。應用了這個軟件，制品的模型名與串行號信息、電源試制機內(nèi)部的電壓、電流、溫度的實時信息就能在PC上表示出來。此外，用軟件上的TRM改變DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓指令值，電源試制機的輸出電壓就可變。今后，要考慮過電壓保護、過電流保護、加熱保護的值，以及增加輸出電壓的上升、下降等可變機能。
5.今后的展望
這次制作的試制機，因為DSP的功能還不充分，隨著任務的增加控制特性就會惡化。引進最新的DSP，致力于輸入全部指令的情況下的高度控制。此外，由于DSP的高速化正急劇發(fā)展，將會能夠執(zhí)行更多的任務。我們將再接再厲，研究開發(fā)更具價值的開關電源。
