LED照明開始導入數字電源技術 縮小體積及延長壽命

　　新電元工業在該領域率先采取了行動，例如從2004年開始量產數字電源、目前該公司的大部分電源產品均導入了數字電源等，該公司高度評價了數字電源的潛力，“數字控制非常深奧。本公司已經掌握了該技術，迄今為止切實感受到了很多好處，但我感覺，還有許多我們尚未注意到的數字控制的使用方法未被發掘出來”（新電元工業電裝業務本部電裝業務部第3設計部轉換器設計組主任技師多田信裕）。

　　首先縮小尺寸提高效率

　　由于數字控制具有這么多優點，因此不同企業導入數字控制的目的大相徑庭。有的企業的做法是有限地導入部分產品中，也有的企業為了最大限度地享受數字化的好處，本著多種目的將其導入了很多產品之中。

　　作為導入數字控制的好處，最顯而易見而且在很多事例中通用的就是小型化及部件數量的削減。將原來安裝在模擬電路上的過電流保護電路、防浪涌電流電路以及順序啟動電路等功能替換為DSP微控制器上的軟件，可以削減安裝面積。

　　例如，大型標準電源廠商TDK Lambda在2010年6月開始正式量產的300W輸出功率前置電源“EFE 300”中就是上述第二種做法的代表。通過使用軟件控制替換過電流保護電路等，與相同輸出功率的模擬電源相比，尺寸縮小了約30％，重量減輕了約50％（圖3）(3)。通過在輕負荷時切換控制方式，與采用模擬控制時相比，效率也提高了約5％。該產品主要用于產業設備、醫療設備以及測量儀器等。TDK Lambda以前就在定制產品方面引用過數字控制，但在標準電源方面此次還是首次實現數字控制的實用化。

(3)控制IC為美國愛特梅爾(Atmel) 的“AT90PWM2B”。主要是馬達控制用微控制器，而非數字電源專用。PWM分辨率約為16ns。

　　作為延長壽命的方法

　　數字電源可以輕松導入在模擬電路控制中由于電路過于復雜而難以實現的高度控制。因此，想要在電源的主電路中采用特殊部件或者進行獨自的控制方式時，不用等待專用的IC面世，只需改進DSP微控制器上的軟件即可支持。

　　利用該優點的一個具有代表性的例子就是，從事LED照明業務的風險公司Clear Sodick開發的直管型LED照明器具及LED燈泡的電源電路。該電源電路沒有使用通常使用的鋁電解電容器，為了使用容量更小的積層陶瓷電容器（MLCC），采用了數字電源 注(4)。由Clear Sodick與原武藏工業大學（現為東京城市大學）的前教授、現任從事DSP技術咨詢業務的DSP應用技術研究所董事長的曾禰元隆共同開發。已從2010年5月開始正式面向辦公室及工廠等業務用途銷售。電源電路由村田制作所制造。

注4）Clear Sodick的原公司名稱為Clear。該公司計劃以1萬日元以下的價格銷售40W的直管型LED照明（包括施工費）。LED燈泡也將作為商用產品銷售，而非消費類產品。

圖4：LED照明器具也采用數字電源

　　Clear Sodick通過改進數字控制，在LED照明器具的電源電路中采用積層陶瓷電容器替代電解電容器，延長了產品壽命（a，b）。LED元件由美國科銳生產，共采用了204個（a）。LED燈泡相當于60W的白熾燈，采用E26燈口。耗電量為5.6W（b）。

　　Clear Sodick在電源電路中采用MLCC的目的是為了延長電源的壽命。LED照明器具存在的課題是，盡管LED元件自身的壽命為4萬小時以上，但在電源電路中用于平滑用途的鋁電解電容器的壽命非常短。如果采用MLCC替換鋁電解電容器的話，MLCC的壽命會比LED元件還要長很多，因此照明器具整體可輕松確保4萬小時的壽命。尤其是在商用照明方面，希望避免因發生故障而頻繁進行更換，因此“希望保證4萬小時的壽命能成為差異化的關鍵”（Clear Sodick專務董事、制造開發負責人河江浩司）。

　　盡管MLCC壽命長，但與鋁電解電容器相比，卻存在著成本高、容量小等缺點。另外，等效串聯電阻（ESR）只有鋁電解電容器的1/10以下，因此控制環路的相位裕度等穩定條件也與采用鋁電解電容器時不同。雖然Clear Sodick沒有公開詳情，但表示“通過改進控制，可以順利使用容量較小的MLCC”。

圖5：投影儀的鎮流器電源采用數字控制

　　村田制作所在投影儀的鎮流器電源中采用DSP微控制器控制流向燈的浪涌電流，延長了燈具的壽命（a，b）。照片由村田制作所提供。

　　Clear Sodick在數字電源的控制IC方面區分使用微芯科技和新日本無線的兩種DSP微控制器。在燈泡型照明器具方面比較重視成本，因此采用微芯科技的產品。該公司沒有公開開關頻率和電源電路的主電路方式及控制方式等。而在直管型LED照明器具方面，其他公司的產品大多外置電源電路，但該公司卻成功地將電源電路內置在了管內。

　　在為了延長產品壽命而采用數字控制的事例中，除了上面提到的Clear Sodick以外，還有村田制作所開發的投影儀鎮流器電源，目前已從2008年7月開始面向投影儀廠商量產。在投影儀中，開始驅動燈時會出現較大的浪涌電流。這里存在的課題是，如果浪涌電流存在的時間較長，燈的壽命就會變短。另外，浪涌電流的特性因燈的種類而異，因此需要相應的控制。村田制作所為了按照每個燈提供最佳控制，采用了基于DSP微控制器的數字控制（圖5）。

　　為支持車載用途實現數字化

　在模擬電源控制IC中，一般根據面前向型、逆向型、相位轉換型、降壓型等主電路方式（電路拓撲）以及電流模式控制和電壓模式控制等控制方式，精細劃分控制IC的種類。而數字電源的特點是，只要更換FET的柵極驅動，基本上無論何種主電路方式均能支持。

　　新電元工業充分利用了數字電源的這種靈活性。該公司于2000年前后率先著手開發了采用數字電源的產品，2004年將數字控制電源作為車載DC-DC轉換器實現了實用化。本田面向美國推出的“雅閣混合動力車”、“思域混合動力車”以及燃料電池車等均采用了該電源，用于向12V系列的電裝產品供應電力。

　　目前，除了上述產品外，用于無空轉車型及電動助力方向盤（EPS）的DC-DC轉換器等面向車載用途的大部分電源均采用的是數字控制，或者正在開發之中。“在車載用途以外的普通電源方面，通過從車載部門借鑒技術，數字控制也已經應用于LLC共振型電源、LED照明用電源以及功率因數校正電路（PFC）等。本公司積累了豐富的經驗，甚至可以說在本公司‘數字電源已經成為普通技術’”（新電元工業的多田）。

　　新電元工業開發數字電源時最重視的是，即使是在組合特殊拓撲的電源電路時，也無需每次都開發專用控制IC。“如果是模擬控制的話，即使考慮采用新電源電路方式，但如果沒有相應的控制IC，也無法實現商品化。如果新開發模擬電源控制IC需要投入數億日元的資金，莫不如一舉過渡到無論任何方式均可用同一IC支持的數字控制電源。我們于2000年做出了這個決定”（新電元工業的多田）。

　　在車載領域，SiC等性能高于當前MOSFET的開關元件備受期待，這些新開關元件在實現實用化時，如果采用數字控制的話便可迅速應對。

　　另外，車載用途的IC在可靠性和溫度范圍等方面，要求具有與普通用途IC不同的品質。2000年時，模擬電源控制IC還沒有支持新電元工業要求的品質及標準的種類，這也是