LED照明开始导入数字电源技术 缩小体积及延长寿命

　　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