谈数字电源设计与实现技术

套用一句话开场:数字化电源的浪潮已在眼前!但是关于数字电源设计与实现的若干技术问题并不只是所谓高端人士和专家们讨论的议题.我们普通的工程技术人员也在这探讨一下:

一、什么是数字电源,跟模拟电源最本质的区别?

本人认为,所谓数字化电源的本质在于电源对输出电流/电压的PWM调节是由数字芯片按照一定的数字控制方式和算法产生,这是数字电源的最本质特征.那些扩充了8位、16位单片机来提供数字输入输出操作界面、远程通讯接口但是电源的PWM调节还是依赖模拟电源调制芯片的电源,只能说它们长了个数字电源的脸,但是没有数字电源的“芯”。

二、数字电源实现的技术瓶颈问题有哪些?

本人认为,目前数字电源依然存在高速/高精度的ADC技术问题(数字电源反馈输入);高速/高精度的电源PID调节或者其他算法的PWM调节;高速/高精度的PWM输出问题(数字电源DAC输出)。

很多的32位DSP/ARM片内的高速10位、12位ADC,作为高速ADC采集可用于高频开关电源,但是其信号输入范围一般是0~3.0/3.3V,工业现场通常的模拟输入范围正负10V却没有任何一款DSP或者ARM片内ADC能解决,只能在外端加入信号调理电路.ADI等少数几家著名的模拟器件厂商的产品目录中虽然有完全符合高速、高精度(16bit~18bit)、输入信号范围正负5V到正负10V的ADC产品,但是在中国大陆却极少见到成功的产品应用纪录,这其中的问题恐怕只有正在调试这些器件的工程师们心里面清楚。

高精度的电源PID调节或者其他算法的PWM调节在目前流行的32位DSP或者ARM处理器看来并不是个问题,但是如果要加上高速两个字,很多软件工程师恐怕就要皱眉头了。以TI运动控制领域的当家花旦TMS320F2812为例,如果电源设备的开关频率达到300KHz,在150MHz的系统频率下,留给软件工程师的任务是在500个DSP指令周期内完成ADC输入数据处理、电源PID函数调节等实时性要求最为苛刻的任务。如果要想避开电力电子器件在周期开通/关断时造成的谐波,ADC在器件开通的中间时刻采样,那么计数器采用UP-DOWN方式计数在计数周期值处同步触发ADC采样,这个时候软件工程师的可利用DSP指令周期就只剩下可怜的250个了,电源PWM调节任务相当艰巨!

如果说ADC问题可以外扩高速、高精度器件解决,电源PWM调节可以选用更高速度的DSP/ARM/FPGA来完成,那么最后一个高速/高精度的PWM输出问题,也就是高速数字PWM的分辨率问题,就只能靠提供DSP/ARM/FPGA的国际大厂商解决了。其实数字PWM的分辨率在开关电源的中低频范围内不成问题(这也是TI的C28X DSP能在电机驱动、变频器等领域大行其道的一个重要原因);但是到了高频开关电源,或者高精度电源领域,这个问题马上就变得很突出了。为什么高频、高精度数字开关电源国内依然是一片空白,大家用数字PWM分辨率的计算公式算一算会很清楚。

三、数字化到底有什么好处?为什么要搞数字化?有什么地方是模拟方法做不到的吗?

很多人说,我对电源的要求很低,不需要它有那么高的指标和特性——这种要求不高的应用目前还是数字电源的禁区。

那么数字电源总不能为数字化而数字化,它存在的需求市场就是模拟电源难以实现的一些区域,比方说采用SVPWM算法的大功率高压变频器。空间矢量算法自从提出到现在已经有十几年了,它相对于SPWM算法(可以用模拟方案实现,国内很多公司也有用DSP实现)的优势国内的文献和技术报告也很多,这就是数字技术存在的地方。而国内在这方面成熟的产品基本没有,市场一直被西门子、ABB这样的国外大公司垄断着。

要说到数字电源相对模拟电源的优势在哪?我觉得在于数字器件本身的灵活性。数字器件控制的电源内部参数可以在线调整,这就意味着电源的动态特性是可变的,能顺应负载在相当大的范围内变化同时还能保证一定的性能。数字电源的通讯优势使电源设备具有多样化的远程控制方式,这会给设备的运行、监察带来很多好处。

还有一点说起来好像挺远,但我认为应该是数字电源对模拟电源最致命的威胁:数字技术的发展太快,快的有点让人喘不过气。几年前单片机是单片机,DSP是DSP,界线好像挺清楚,现在32位的ARM也好,DSP也好,都是改进型的哈佛结构,构架的差别越来越模糊,性能越来越强,价格却越来越低。几年后,当低于1$却集成了高速、高精度ADC、DAC、PWM输出的高性能数字器件放在你面前,你还会守在模拟方案里么?

四、价格问题!

成本控制,电源设备的性价比永远是设计者必须遵守的原则。数字电源现早在十几年前就出现了,只是因为高高在上的价格让它一直局限在一些特殊的高端应用里。感谢这些年来电子技术的快速进步,让数字控制芯片性能不断飞跃,但价格不停的下跌,数字电源开始慢慢渗透占领传统模拟电源的应用领域,而且发展越来越快。有朋友说,数字芯片的价格超过40我不会考虑,还有的朋友价格阈值要求更高,超过20都不考虑。但是提醒一下数字器件的降价方式算是有两种,一种是传统的方式,就是一个型号的器件价格慢慢下降,另一个是生产公司推出新型廉价的替代产品。这第二种变相降价方式我认为是数字器件特有,动作特别大,新产品价格出来跟同一内核的老产品价格比起来甚至能缩水到几分之一。建议作为一个设计者,对数字器件要保持相当程度的技术关注。什么时候开始评估一个器件的性能,什么时候考虑把某个方案作为技术储备,什么时候把方案作为正式的产品生产方案都要考虑到......依赖于高技术产品公司的研发部门负责人,是必须要有这样的技术眼光的。