淺談數(shù)字電源設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

數(shù)字化電源的浪潮已在眼前，而關(guān)于數(shù)字電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的若干技術(shù)問(wèn)題也一直是業(yè)內(nèi)工程師和專家們討論的話題。本文將從幾方面來(lái)討論：

一、什么是數(shù)字電源,跟模擬電源最本質(zhì)的區(qū)別?

所謂數(shù)字化電源的本質(zhì)在于電源對(duì)輸出電流/電壓的PWM調(diào)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(zhì)特征. 那些擴(kuò)充了8位、16位單片機(jī)來(lái)提供數(shù)字輸入輸出操作界面、遠(yuǎn)程通訊接口但是電源的PWM調(diào)節(jié)還是依賴模擬電源調(diào)制芯片的電源,只能說(shuō)它們長(zhǎng)了個(gè)數(shù)字電源的臉,但是沒(méi)有數(shù)字電源的“芯”。

二、數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)的技術(shù)瓶頸問(wèn)題有哪些?

目前數(shù)字電源依然存在高速/高精度的ADC技術(shù)問(wèn)題(數(shù)字電源反饋輸入);高速/高精度的電源PID調(diào)節(jié)或者其他算法的PWM調(diào)節(jié);高速/高精度的PWM輸出問(wèn)題(數(shù)字電源DAC輸出)。

很多的32位DSP/ARM片內(nèi)的高速10位、12位ADC,作為高速ADC采集可用于高頻開(kāi)關(guān)電源,但是其信號(hào)輸入范圍一般是0~3.0/3.3V,工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常的模擬輸入范圍正負(fù)10V卻沒(méi)有任何一款DSP或者ARM片內(nèi)ADC能解決,只能在外端加入信號(hào)調(diào)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(hào)范圍正負(fù)5V到正負(fù)10V的ADC產(chǎn)品,但是在中國(guó)大陸卻極少見(jiàn)到成功的產(chǎn)品應(yīng)用紀(jì)錄,這其中的問(wèn)題恐怕只有正在調(diào)試這些器件的工程師們心里面清楚。

高精度的電源PID調(diào)節(jié)或者其他算法的PWM調(diào)節(jié)在目前流行的32位DSP或者ARM處理器看來(lái)并不是個(gè)問(wèn)題,但是如果要加上高速兩個(gè)字,很多軟件工程師恐怕就要皺眉頭了。以TI運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的當(dāng)家花旦TMS320F2812為例,如果電源設(shè)備的開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到300KHz,在150MHz的系統(tǒng)頻率下,留給軟件工程師的任務(wù)是在500個(gè)DSP指令周期內(nèi)完成ADC輸入數(shù)據(jù)處理、電源PID函數(shù)調(diào)節(jié)等實(shí)時(shí)性要求最為苛刻的任務(wù)。如果要想避開(kāi)電力電子器件在周期開(kāi)通/關(guān)斷時(shí)造成的諧波,ADC在器件開(kāi)通的中間時(shí)刻采樣,那么計(jì)數(shù)器采用UP-DOWN方式計(jì)數(shù)在計(jì)數(shù)周期值處同步觸發(fā)ADC采樣,這個(gè)時(shí)候軟件工程師的可利用DSP指令周期就只剩下可憐的250個(gè)了,電源PWM調(diào)節(jié)任務(wù)相當(dāng)艱巨!

如果說(shuō)ADC問(wèn)題可以外擴(kuò)高速、高精度器件解決,電源PWM調(diào)節(jié)可以選用更高速度的DSP/ARM/FPGA來(lái)完成,那么最后一個(gè)高速/高精度的 PWM輸出問(wèn)題,也就是高速數(shù)字PWM的分辨率問(wèn)題,就只能靠提供DSP/ARM/FPGA的國(guó)際大廠商解決了。其實(shí)數(shù)字PWM的分辨率在開(kāi)關(guān)電源的中低頻范圍內(nèi)不成問(wèn)題(這也是TI的C28X DSP能在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、變頻器等領(lǐng)域大行其道的一個(gè)重要原因);但是到了高頻開(kāi)關(guān)電源,或者高精度電源領(lǐng)域,這個(gè)問(wèn)題馬上就變得很突出了。為什么高頻、高精度數(shù)字開(kāi)關(guān)電源國(guó)內(nèi)依然是一片空白,大家用數(shù)字PWM分辨率的計(jì)算公式算一算會(huì)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(shuō),我對(duì)電源的要求很低,不需要它有那么高的指標(biāo)和特性——這種要求不高的應(yīng)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(chǎng)就是模擬電源難以實(shí)現(xiàn)的一些區(qū)域,比方說(shuō)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(duì)于SPWM算法(可以用模擬方案實(shí)現(xiàn),國(guó)內(nèi)很多公司也有用DSP實(shí)現(xiàn))的優(yōu)勢(shì)國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)和技術(shù)報(bào)告也很多,這就是數(shù)字技術(shù)存在的地方。而國(guó)內(nèi)在這方面成熟的產(chǎn)品基本沒(méi)有,市場(chǎng)一直被西門(mén)子、ABB這樣的國(guó)外大公司壟斷著。

要說(shuō)到數(shù)字電源相對(duì)模擬電源的優(yōu)勢(shì)在哪?我覺(jué)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(nèi)部參數(shù)可以在線調(diào)整,這就意味著電源的動(dòng)態(tài)特性是可變的, 能順應(yīng)負(fù)載在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化同時(shí)還能保證一定的性能。數(shù)字電源的通訊優(yōu)勢(shì)使電源設(shè)備具有多樣化的遠(yuǎn)程控制方式,這會(huì)給設(shè)備的運(yùn)行、監(jiān)察帶來(lái)很多好處。

還有一點(diǎn)個(gè)人認(rèn)為應(yīng)該是數(shù)字電源對(duì)模擬電源最致命的威脅:數(shù)字技術(shù)的發(fā)展太快,快的有點(diǎn)讓人喘不過(guò)氣。幾年前單片機(jī)是單片機(jī),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(jìn)型的哈佛結(jié)構(gòu),構(gòu)架的差別越來(lái)越模糊,性能越來(lái)越強(qiáng),價(jià)格卻越來(lái)越低。幾年后,當(dāng)?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(huì)守在模擬方案里么?

四、價(jià)格問(wèn)題

成本控制,電源設(shè)備的性價(jià)比永遠(yuǎn)是設(shè)計(jì)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?yàn)楦吒咴谏系膬r(jià)格讓它一直局限在一些特殊的高端應(yīng)用里。感謝這些年來(lái)電子技術(shù)的快速進(jìn)步,讓數(shù)字控制芯片性能不斷飛躍,但價(jià)格不停的下跌,數(shù)字電源開(kāi)始慢慢滲透占領(lǐng)傳統(tǒng)模擬電源的應(yīng)用領(lǐng)域,而且發(fā)展越來(lái)越快。有朋友說(shuō),數(shù)字芯片的價(jià)格超過(guò)40我不會(huì)考慮,還有的朋友價(jià)格閾值要求更高,超過(guò)20都不考慮。但是提醒一下數(shù)字器件的降價(jià)方式算是有兩種,一種是傳統(tǒng)的方式,就是一個(gè)型號(hào)的器件價(jià)格慢慢下降,另一個(gè)是生產(chǎn)公司推出新型廉價(jià)的替代產(chǎn)品。這第二種變相降價(jià)方式我認(rèn)為是數(shù)字器件特有,動(dòng)作特別大,新產(chǎn)品價(jià)格出來(lái)跟同一內(nèi)核的老產(chǎn)品價(jià)格比起來(lái)甚至能縮水到幾分之一。建議作為一個(gè)設(shè)計(jì)者,對(duì)數(shù)字器件要保持相當(dāng)程度的技術(shù)關(guān)注。什么時(shí)候開(kāi)始評(píng)估一個(gè)器件的性能,什么時(shí)候考慮把某個(gè)方案作為技術(shù)儲(chǔ)備,什么時(shí)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(shù)產(chǎn)品公司的研發(fā)部門(mén)負(fù)責(zé)人,是必須要有這樣的技術(shù)眼光的。