數字電源設計與實(shí)現的若干技術(shù)問(wèn)題也一直是業(yè)內工程師和專(zhuān)家們討論的話(huà)題。本文以下將從幾方面來(lái)討論：

一、什么是數字電源,跟模擬電源最本質(zhì)的區別?

所謂數字化電源的本質(zhì)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(chǎn)生,這是數字電源的最本質(zhì)特征.那些擴充了8位、16位單片機來(lái)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(lài)模擬電源調制芯片的電源,只能說(shuō)它們長(cháng)了個(gè)數字電源的臉,但是沒(méi)有數字電源的“芯”。

二、數字電源實(shí)現的技術(shù)瓶頸問(wèn)題有哪些?

目前數字電源依然存在高速/高精度的ADC技術(shù)問(wèn)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(wèn)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(kāi)關(guān)電源,但是其信號輸入范圍一般是0~3.0/3.3V,工業(yè)現場(chǎng)通常的模擬輸入范圍正負10V卻沒(méi)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(zhù)名的模擬器件廠(chǎng)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(jiàn)到成功的產(chǎn)品應用紀錄,這其中的問(wèn)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(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運動(dòng)控制領(lǐng)域的當家花旦TMS320F2812為例,如果電源設備的開(kāi)關(guān)頻率達到300KHz,在150MHz的系統頻率下,留給軟件工程師的任務(wù)是在500個(gè)DSP指令周期內完成ADC輸入數據處理、電源PID函數調節等實(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,那么計數器采用UP-DOWN方式計數在計數周期值處同步觸發(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調節任務(wù)相當艱巨!

如果說(shuō)ADC問(wèn)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(lái)完成,那么最后一個(gè)高速/高精度的PWM輸出問(wèn)題,也就是高速數字PWM的分辨率問(wèn)題,就只能靠提供DSP/ARM/FPGA的國際大廠(chǎng)商解決了。其實(shí)數字PWM的分辨率在開(kāi)關(guān)電源的中低頻范圍內不成問(wèn)題(這也是TI的C28XDSP能在電機驅動(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、高精度數字開(kāi)關(guān)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(huì )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(shuō),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(chǎng)就是模擬電源難以實(shí)現的一些區域,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在已經(jīng)有十幾年了,它相對于SPWM算法(可以用模擬方案實(shí)現,國內很多公司也有用DSP實(shí)現)的優(yōu)勢國內的文獻和技術(shù)報告也很多,這就是數字技術(shù)存在的地方。而國內在這方面成熟的產(chǎn)品基本沒(méi)有,市場(chǎng)一直被西門(mén)子、ABB這樣的國外大公司壟斷著(zhù)。

要說(shuō)到數字電源相對模擬電源的優(yōu)勢在哪?我覺(jué)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(xiàn)調整,這就意味著(zhù)電源的動(dòng)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(shí)還能保證一定的性能。數字電源的通訊優(yōu)勢使電源設備具有多樣化的遠程控制方式,這會(huì )給設備的運行、監察帶來(lái)很多好處。

還有一點(diǎn)個(gè)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(shù)的發(fā)展太快,快的有點(diǎn)讓人喘不過(guò)氣。幾年前單片機是單片機,DSP是DSP,界線(xiàn)好像挺清楚,現在32位的ARM也好,DSP也好,都是改進(jìn)型的哈佛結構,構架的差別越來(lái)越模糊,性能越來(lái)越強,價(jià)格卻越來(lái)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(huì )守在模擬方案里么?

四、價(jià)格問(wèn)題

成本控制,電源設備的性?xún)r(jià)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(jià)格讓它一直局限在一些特殊的高端應用里。感謝這些年來(lái)電子技術(shù)的快速進(jìn)步,讓數字控制芯片性能不斷飛躍,但價(jià)格不停的下跌,數字電源開(kāi)始慢慢滲透占領(lǐng)傳統模擬電源的應用領(lǐng)域,而且發(fā)展越來(lái)越快。有朋友說(shuō),數字芯片的價(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。但是提醒一下數字器件的降價(jià)方式算是有兩種,一種是傳統的方式,就是一個(gè)型號的器件價(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)方式我認為是數字器件特有,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)設計者,對數字器件要保持相當程度的技術(shù)關(guān)注。什么時(shí)候開(kāi)始評估一個(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(lài)于高技術(shù)產(chǎn)品公司的研發(fā)部門(mén)負責人,是必須要有這樣的技術(shù)眼光的。