談數(shù)字電源設計與實現(xiàn)技術

套用一句話開場:數(shù)字化電源的浪潮已在眼前!但是關于數(shù)字電源設計與實現(xiàn)的若干技術問題并不只是所謂高端人士和專家們討論的議題.我們普通的工程技術人員也在這探討一下:

一、什么是數(shù)字電源,跟模擬電源最本質的區(qū)別?

本人認為,所謂數(shù)字化電源的本質在于電源對輸出電流/電壓的PWM調節(jié)是由數(shù)字芯片按照一定的數(shù)字控制方式和算法產(chǎn)生,這是數(shù)字電源的最本質特征.那些擴充了8位、16位單片機來提供數(shù)字輸入輸出操作界面、遠程通訊接口但是電源的PWM調節(jié)還是依賴模擬電源調制芯片的電源,只能說它們長了個數(shù)字電源的臉,但是沒有數(shù)字電源的“芯”。

二、數(shù)字電源實現(xiàn)的技術瓶頸問題有哪些?

本人認為,目前數(shù)字電源依然存在高速/高精度的ADC技術問題(數(shù)字電源反饋輸入);高速/高精度的電源PID調節(jié)或者其他算法的PWM調節(jié);高速/高精度的PWM輸出問題(數(shù)字電源DAC輸出)。

很多的32位DSP/ARM片內的高速10位、12位ADC,作為高速ADC采集可用于高頻開關電源,但是其信號輸入范圍一般是0~3.0/3.3V,工業(yè)現(xiàn)場通常的模擬輸入范圍正負10V卻沒有任何一款DSP或者ARM片內ADC能解決,只能在外端加入信號調理電路.ADI等少數(shù)幾家著名的模擬器件廠商的產(chǎn)品目錄中雖然有完全符合高速、高精度(16bit~18bit)、輸入信號范圍正負5V到正負10V的ADC產(chǎn)品,但是在中國大陸卻極少見到成功的產(chǎn)品應用紀錄,這其中的問題恐怕只有正在調試這些器件的工程師們心里面清楚。

高精度的電源PID調節(jié)或者其他算法的PWM調節(jié)在目前流行的32位DSP或者ARM處理器看來并不是個問題,但是如果要加上高速兩個字,很多軟件工程師恐怕就要皺眉頭了。以TI運動控制領域的當家花旦TMS320F2812為例,如果電源設備的開關頻率達到300KHz,在150MHz的系統(tǒng)頻率下,留給軟件工程師的任務是在500個DSP指令周期內完成ADC輸入數(shù)據(jù)處理、電源PID函數(shù)調節(jié)等實時性要求最為苛刻的任務。如果要想避開電力電子器件在周期開通/關斷時造成的諧波,ADC在器件開通的中間時刻采樣,那么計數(shù)器采用UP-DOWN方式計數(shù)在計數(shù)周期值處同步觸發(fā)ADC采樣,這個時候軟件工程師的可利用DSP指令周期就只剩下可憐的250個了,電源PWM調節(jié)任務相當艱巨!

如果說ADC問題可以外擴高速、高精度器件解決,電源PWM調節(jié)可以選用更高速度的DSP/ARM/FPGA來完成,那么最后一個高速/高精度的PWM輸出問題,也就是高速數(shù)字PWM的分辨率問題,就只能靠提供DSP/ARM/FPGA的國際大廠商解決了。其實數(shù)字PWM的分辨率在開關電源的中低頻范圍內不成問題(這也是TI的C28X DSP能在電機驅動、變頻器等領域大行其道的一個重要原因);但是到了高頻開關電源,或者高精度電源領域,這個問題馬上就變得很突出了。為什么高頻、高精度數(shù)字開關電源國內依然是一片空白,大家用數(shù)字PWM分辨率的計算公式算一算會很清楚。

三、數(shù)字化到底有什么好處?為什么要搞數(shù)字化?有什么地方是模擬方法做不到的嗎?

很多人說,我對電源的要求很低,不需要它有那么高的指標和特性——這種要求不高的應用目前還是數(shù)字電源的禁區(qū)。

那么數(shù)字電源總不能為數(shù)字化而數(shù)字化,它存在的需求市場就是模擬電源難以實現(xiàn)的一些區(qū)域,比方說采用SVPWM算法的大功率高壓變頻器?？臻g矢量算法自從提出到現(xiàn)在已經(jīng)有十幾年了,它相對于SPWM算法(可以用模擬方案實現(xiàn),國內很多公司也有用DSP實現(xiàn))的優(yōu)勢國內的文獻和技術報告也很多,這就是數(shù)字技術存在的地方。而國內在這方面成熟的產(chǎn)品基本沒有,市場一直被西門子、ABB這樣的國外大公司壟斷著。

要說到數(shù)字電源相對模擬電源的優(yōu)勢在哪?我覺得在于數(shù)字器件本身的靈活性。數(shù)字器件控制的電源內部參數(shù)可以在線調整,這就意味著電源的動態(tài)特性是可變的,能順應負載在相當大的范圍內變化同時還能保證一定的性能。數(shù)字電源的通訊優(yōu)勢使電源設備具有多樣化的遠程控制方式,這會給設備的運行、監(jiān)察帶來很多好處。

還有一點說起來好像挺遠,但我認為應該是數(shù)字電源對模擬電源最致命的威脅:數(shù)字技術的發(fā)展太快,快的有點讓人喘不過氣。幾年前單片機是單片機,DSP是DSP,界線好像挺清楚,現(xiàn)在32位的ARM也好,DSP也好,都是改進型的哈佛結構,構架的差別越來越模糊,性能越來越強,價格卻越來越低。幾年后,當?shù)陀?$卻集成了高速、高精度ADC、DAC、PWM輸出的高性能數(shù)字器件放在你面前,你還會守在模擬方案里么?

四、價格問題!

成本控制,電源設備的性價比永遠是設計者必須遵守的原則。數(shù)字電源現(xiàn)早在十幾年前就出現(xiàn)了,只是因為高高在上的價格讓它一直局限在一些特殊的高端應用里。感謝這些年來電子技術的快速進步,讓數(shù)字控制芯片性能不斷飛躍,但價格不停的下跌,數(shù)字電源開始慢慢滲透占領傳統(tǒng)模擬電源的應用領域,而且發(fā)展越來越快。有朋友說,數(shù)字芯片的價格超過40我不會考慮,還有的朋友價格閾值要求更高,超過20都不考慮。但是提醒一下數(shù)字器件的降價方式算是有兩種,一種是傳統(tǒng)的方式,就是一個型號的器件價格慢慢下降,另一個是生產(chǎn)公司推出新型廉價的替代產(chǎn)品。這第二種變相降價方式我認為是數(shù)字器件特有,動作特別大,新產(chǎn)品價格出來跟同一內核的老產(chǎn)品價格比起來甚至能縮水到幾分之一。建議作為一個設計者,對數(shù)字器件要保持相當程度的技術關注。什么時候開始評估一個器件的性能,什么時候考慮把某個方案作為技術儲備,什么時候把方案作為正式的產(chǎn)品生產(chǎn)方案都要考慮到......依賴于高技術產(chǎn)品公司的研發(fā)部門負責人,是必須要有這樣的技術眼光的。