牛人談數字電源設計與實現的技術問題

一、什么是數字電源,跟模擬電源最本質的區別?

　　本人認為,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?

　　本人認為,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。