高手談數(shù)字電源設(shè)計
一、什么是數(shù)字電源,跟模擬電源最本質(zhì)的區(qū)別?
本人認為,所謂數(shù)字化電源的本質(zhì)在于電源對輸出電流/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(diào)節(jié)還是依賴模擬電源調(diào)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(shù)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(shù)問題(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(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(nèi)ADC能解決,只能在外端加入信號調(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(yīng)用紀(jì)錄,這其中的問題恐怕只有正在調(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(lǐng)域的當(dāng)家花旦TMS320F2812為例,如果電源設(shè)備的開關(guān)頻率達到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)等實時性要求最為苛刻的任務(wù)。如果要想避開電力電子器件在周期開通/關(guān)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(diào)節(jié)任務(wù)相當(dāng)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(diào)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(guān)電源的中低頻范圍內(nèi)不成問題(這也是TI的C28X DSP能在電機驅(qū)動、變頻器等領(lǐng)域大行其道的一個重要原因);但是到了高頻開關(guān)電源,或者高精度電源領(lǐng)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(guān)電源國內(nèi)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?
本人認為,所謂數(shù)字化電源的本質(zhì)在于電源對輸出電流/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(diào)節(jié)還是依賴模擬電源調(diào)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(shù)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(shù)問題(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(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(nèi)ADC能解決,只能在外端加入信號調(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(yīng)用紀(jì)錄,這其中的問題恐怕只有正在調(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(lǐng)域的當(dāng)家花旦TMS320F2812為例,如果電源設(shè)備的開關(guān)頻率達到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)等實時性要求最為苛刻的任務(wù)。如果要想避開電力電子器件在周期開通/關(guān)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(diào)節(jié)任務(wù)相當(dāng)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(diào)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(guān)電源的中低頻范圍內(nèi)不成問題(這也是TI的C28X DSP能在電機驅(qū)動、變頻器等領(lǐng)域大行其道的一個重要原因);但是到了高頻開關(guān)電源,或者高精度電源領(lǐng)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(guān)電源國內(nèi)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?
