數字電源設計與技術實現
2012-07-31
一、什么是數字電源,跟模擬電源最本質的區別?
所謂數字化電源的本質在于電源對輸出電流/電壓的PWM調節是由數字芯片按照一定的數字控制方式和算法產生,這是數字電源的最本質特征. 那些擴充了8位、16位單片機來提供數字輸入輸出操作界面、遠程通訊接口但是電源的PWM調節還是依賴模擬電源調制芯片的電源,只能說它們長了個數字電源的臉,但是沒有數字電源的“芯”。
二、數字電源實現的技術瓶頸問題有哪些?
目前數字電源依然存在高速/高精度的ADC技術問題(數字電源反饋輸入);高速/高精度的電源PID調節或者其他算法的PWM調節;高速/高精度的PWM輸出問題(數字電源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,工業現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等少數幾家著名的模擬器件廠商的產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產品,但是在中國大陸卻極少見到成功的產品應用紀錄,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調節或者其他算法的PWM調節在目前流行的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輸入數據處理、電源PID函數調節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,那么計數器采用UP-DOWN方式計數在計數周期值處同步觸發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、高精度數字開關電源國內依然是一片空白,大家用數字PWM分辨率的計算公式算一算會很清楚。
三、數字化到底有什么好處?為什么要搞數字化?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字電源的禁區。
那么數字電源總不能為數字化而數字化,它存在的需求市場就是模擬電源難以實現的一些區域,比方說采用SVPWM算法的大功率高壓變頻器。空間矢量算法自從提出到現在已經有十幾年了, 它相對于SPWM算法(可以用模擬方案實現,國內很多公司也有用DSP實現)的優勢國內的文獻和技術報告也很多,這就是數字技術存在的地方。而國內在這方面成熟的產品基本沒有,市場一直被西門子、ABB這樣的國外大公司壟斷著。
要說到數字電源相對模擬電源的優勢在哪?我覺得在于數字器件本身的靈活性。數字器件控制的電源內部參數可以在線調整,這就意味著電源的動態特性是可變的, 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。數字電源的通訊優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、監察帶來很多好處。
還有一點個人認為應該是數字電源對模擬電源最致命的威脅:數字技術的發展太快,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,當低于1$卻集成了高速、高精度ADC、DAC、PWM輸出的高性能數字器件放在你面前,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。數字電源現早在十幾年前就出現了,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,讓數字控制芯片性能不斷飛躍,但價格不停的下跌,數字電源開始慢慢滲透占領傳統模擬電源的應用領域,而且發展越來越快。有朋友說,數字芯片的價格超過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。但是提醒一下數字器件的降價方式算是有兩種,一種是傳統的方式,就是一個型號的器件價格慢慢下降,另一個是生產公司推出新型廉價的替代產品。這第二種變相降價方式我認為是數字器件特有,動作特別大,新產品價格出來跟同一內核的老產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品生產方案都要考慮到......依賴于高技術產品公司的研發部門負責人,是必須要有這樣的技術眼光的。
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