數(shù)字電源設計與實現(xiàn)的技術問題

　　本文從數(shù)字電源的一些基本知識出發(fā)，介紹數(shù)字電源設計的一些技術瓶頸問題，同時介紹一下數(shù)字電源實現(xiàn)的方法。

　　一、什么是數(shù)字電源，跟模擬電源最本質的區(qū)別？

　　所謂數(shù)字化電源的本質在于電源對輸出電流/電壓的PWM調節(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調節(jié)還是依賴模擬電源調制芯片的電源，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)的技術瓶頸問題有哪些？

　　目前數(shù)字電源依然存在高速/高精度的ADC技術問題（數(shù)字電源反饋輸入）;高速/高精度的電源PID調節(jié)或者其他算法的PWM調節(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(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ADC能解決，只能在外端加入信號調理電路.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(jié)或者其他算法的PWM調節(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(tǒng)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(shù)據(jù)處理、電源PID函數(shù)調節(jié)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(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調節(jié)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(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(shù)字開關電源國內依然是一片空白，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？

　　很多人說，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(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，它存在的需求市場就是模擬電源難以實現(xiàn)的一些區(qū)域，比方說采用SVPWM算法的大功率高壓變頻器。空間矢量算法自從提出到現(xiàn)在已經(jīng)有十幾年了，它相對于SPWM算法（可以用模擬方案實現(xiàn)，國內很多公司也有用DSP實現(xiàn)）的優(yōu)勢國內的文獻和技術報告也很多，這就是數(shù)字技術存在的地方。而國內在這方面成熟的產(chǎn)品基本沒有，市場一直被西門子、ABB這樣的國外大公司壟斷著。

　　要說到數(shù)字電源相對模擬電源的優(yōu)勢在哪？我覺得在于數(shù)字器件本身的靈活性。數(shù)字器件控制的電源內部參數(shù)可以在線調整，這就意味著電源的動態(tài)特性是可變的，能順應負載在相當大的范圍內變化同時還能保證一定的性能。數(shù)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，這會給設備的運行、監(jiān)察帶來很多好處。

　　還有一點說起來好像挺遠，但我認為應該是數(shù)字電源對模擬電源最致命的威脅：數(shù)字技術的發(fā)展太快，快的有點讓人喘不過氣。幾年前單片機是單片機，DSP是DSP，界線好像挺清楚，現(xiàn)在32位的ARM也好，DSP也好，都是改進型的哈佛結構，構架的差別越來越模糊，性能越來越強，價格卻越來越低。幾年后，當?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，你還會守在模擬方案里么？

　　四、價格問題！

　　成本控制，電源設備的性價比永遠是設計者必須遵守的原則。數(shù)字電源現(xiàn)早在十幾年前就出現(xiàn)了，只是因為高高在上的價格讓它一直局限在一些特殊的高端應用里。感謝這些年來電子技術的快速進步，讓數(shù)字控制芯片性能不斷飛躍，但價格不停的下跌，數(shù)字電源開始慢慢滲透占領傳統(tǒng)模擬電源的應用領域，而且發(fā)展越來越快。有朋友說，數(shù)字芯片的價格超過40我不會考慮，還有的朋友價格閾值要求更高，超過20都不考慮。但是提醒一下數(shù)字器件的降價方式算是有兩種，一種是傳統(tǒng)的方式，就是一個型號的器件價格慢慢下降，另一個是生產(chǎn)公司推出新型廉價的替代產(chǎn)品。這第二種變相降價方式我認為是數(shù)字器件特有，動作特別大，新產(chǎn)品價格出來跟同一內核的老產(chǎn)品價格比起來甚至能縮水到幾分之一。建議作為一個設計者，對數(shù)字器件要保持相當程度的技術關注。什么時候開始*估一個器件的性能，什么時候考慮把某個方案作為技術儲備，什么時候把方案作為正式的產(chǎn)品生產(chǎn)方案都要考慮到。。。。。。依賴于高技術產(chǎn)品公司的研發(fā)部門負責人，是必須要有這樣的技術眼光的。