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.
上述是本人关于数字电源设计的一点看法,欢迎各位高手批评指点,共同交流一下感受!本人正从事数字电源设计,很希望能同广大同行交流!
专题讨论:数字电源的设计与实现的技术问题,欢迎高手拍砖!
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@sarcophile
我最近没事也在想这个问题.AD应该不需要太高速和太高精度,应该不是瓶颈;运算速度也不需要像lz分析的那么高要求,因为工作频率和反馈环调节时间不是同一码事;比较麻烦的就是pwm输出,需要高精度高速度,这个的确比较难,但也可以凑合我在考虑的最重要的问题是: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$却集成了高速、高精度ADC、DAC、PWM输出的高性能数字器件放在你面前,你还会守在模拟方案里么?
那么数字电源总不能为数字化而数字化,它存在的需求市场就是模拟电源难以实现的一些区域,比方说采用SVPWM算法的大功率高压变频器.空间矢量算法自从提出到现在已经有十几年了,它相对于SPWM算法(可以用模拟方案实现,国内很多公司也有用DSP实现)的优势国内的文献和技术报告也很多,这就是数字技术存在的地方.而国内在这方面成熟的产品基本没有,市场一直被西门子、ABB这样的国外大公司垄断着.
要说到数字电源相对模拟电源的优势在哪?我觉得在于数字器件本身的灵活性.数字器件控制的电源内部参数可以在线调整,这就意味着电源的动态特性是可变的,能顺应负载在相当大的范围内变化同时还能保证一定的性能.数字电源的通讯优势使电源设备具有多样化的远程控制方式,这会给设备的运行、监察带来很多好处.
还有一点说起来好像挺远,但我认为应该是数字电源对模拟电源最致命的威胁:数字技术的发展太快,快的有点让人喘不过气.几年前单片机是单片机,DSP是DSP,界线好像挺清楚,现在32位的ARM也好,DSP也好,都是改进型的哈佛结构,构架的差别越来越模糊,性能越来越强,价格却越来越低.几年后,当低于1$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?
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@alex_china
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$却集成了高速、高精度ADC、DAC、PWM输出的高性能数字器件放在你面前,你还会守在模拟方案里么?
数字电源的优势还是很明显的,可以简化外围电路并且由于软件的加入,调试修改变的容易,这样可以采用不同的算法来处理控制回路已达到想要的效果.不过就目前处理器的速度来说处理高频电源还是有差距的,依cpu发展的速度来看相信不久的将来就不再是问题了.
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@amekoxu
说实在的,我不太清楚这个数字电源是怎么定义的朋友做的一个电动工具电池充电器,带液晶显示屏,可显示充电曲线,电池电压等参数的.没用现在的PWMIC来做电源部分,用一块单片机软件编程实现PWM的,因为给电池充电状态多,检测多,还要做PWM,软件工程师非常辛苦.整个做下来,主要是累到软件工程师了,硬件的调试相对简单些.如果单纯说用MCU来实现PWM,看起来似乎并不是多么困难的事情,通过软件来检测,可以实现零电压零电流开启关断,绝对软开关.还可以实现很多保护功能.整个来看,如果这就是数字电源的话,重大变化就是软件工程师的参与大大增多了.
数字方法做移相全桥或LLC这类拓扑比较好
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@littlecarl
建议做数字电源的友友们都聊一聊自己的想法,自己手头的案子!把数字电源开发过程中的难题都发上来,群策群力!
成本控制,电源设备的性价比永远是设计者必须遵守的原则.数字电源现早在十几年前就出现了,只是因为高高在上的价格让它一直局限在一些特殊的高端应用里.感谢这些年来电子技术的快速进步,让数字控制芯片性能不断飞跃,但价格不停的下跌,数字电源开始慢慢渗透占领传统模拟电源的应用领域,而且发展原来越快.有朋友说,数字芯片的价格超过40我不会考虑,还有的朋友价格阈值要求更高,超过20都不考虑.但是提醒一下数字器件的降价方式算是有两种,一种是传统的方式,就是一个型号的器件价格慢慢下降,另一个是生产公司推出新型廉价的替代产品.这第二种变相降价方式我认为是数字器件特有,动作特别大,新产品价格出来跟同一内核的老产品价格比起来甚至能缩水到几分之一.建议作为一个设计者,对数字器件要保持相当程度的技术关注.什么时候开始评估一个器件的性能,什么时候考虑把某个方案作为技术储备,什么时候把方案作为正式的产品生产方案都要考虑到.依赖于高技术产品公司的研发部门负责人,是必须要有这样的技术眼光的.
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@alex_china
很多人说,我对电源的要求很低,不需要它有那么高的指标和特性——这种要求不高的应用目前还是数字电源的禁区.那么数字电源总不能为数字化而数字化,它存在的需求市场就是模拟电源难以实现的一些区域,比方说采用SVPWM算法的大功率高压变频器.空间矢量算法自从提出到现在已经有十几年了,它相对于SPWM算法(可以用模拟方案实现,国内很多公司也有用DSP实现)的优势国内的文献和技术报告也很多,这就是数字技术存在的地方.而国内在这方面成熟的产品基本没有,市场一直被西门子、ABB这样的国外大公司垄断着.要说到数字电源相对模拟电源的优势在哪?我觉得在于数字器件本身的灵活性.数字器件控制的电源内部参数可以在线调整,这就意味着电源的动态特性是可变的,能顺应负载在相当大的范围内变化同时还能保证一定的性能.数字电源的通讯优势使电源设备具有多样化的远程控制方式,这会给设备的运行、监察带来很多好处.还有一点说起来好像挺远,但我认为应该是数字电源对模拟电源最致命的威胁:数字技术的发展太快,快的有点让人喘不过气.几年前单片机是单片机,DSP是DSP,界线好像挺清楚,现在32位的ARM也好,DSP也好,都是改进型的哈佛结构,构架的差别越来越模糊,性能越来越强,价格却越来越低.几年后,当低于1$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?
数字control是发展很快啊,但是模拟同样发展也是很快啊,但就控制而言,要达到同样的bandwidth,模拟电路的价格在十年内一定是比数字低的(可以看看每年那些新模拟功放推出的速度,也很吓人的啊). 同意数字电源还是用在大点的功率好,因为除了control loop,数子还给我们很多好处,我研究生的时候做过几个数字电源,感觉还是有很多问题的(当然承认自己比较菜 -_-! ).比方说,我感觉是在提高待机还有轻载效率(5% to 20% load)的时候数字做起来比较方便(没声,而且开关频率想怎么调就怎么调,有点PFM的味道) ,但是...最头痛的就是transient response
数字电源还有很做好处啦,我刚才贴了一份参考的.以后再贴一封自己写得的IEEE(比较菜,见笑了,哇哈哈哈哈...)
数字电源还有很做好处啦,我刚才贴了一份参考的.以后再贴一封自己写得的IEEE(比较菜,见笑了,哇哈哈哈哈...)
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@yryapollo
数字control是发展很快啊,但是模拟同样发展也是很快啊,但就控制而言,要达到同样的bandwidth,模拟电路的价格在十年内一定是比数字低的(可以看看每年那些新模拟功放推出的速度,也很吓人的啊).同意数字电源还是用在大点的功率好,因为除了controlloop,数子还给我们很多好处,我研究生的时候做过几个数字电源,感觉还是有很多问题的(当然承认自己比较菜-_-!).比方说,我感觉是在提高待机还有轻载效率(5%to20%load)的时候数字做起来比较方便(没声,而且开关频率想怎么调就怎么调,有点PFM的味道),但是...最头痛的就是transientresponse数字电源还有很做好处啦,我刚才贴了一份参考的.以后再贴一封自己写得的IEEE(比较菜,见笑了,哇哈哈哈哈...)
不错的,真正数字的做的还是少啊,尤其是低功率,但将来肯定会多起来
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@alex_china
现在TI的TMS320F28015/6零售价格也就是30RMB左右,要是用量大的话就更便宜了.我觉得用它们做中等功率的数字电源成本已经在可以接受的范围内了.
忽然间看到一个帖子询问“大功率BUCK电路”的问题,进去一看楼主说的“大功率”仅仅是个400瓦的电路,这个功率范围在我眼里顶多也就是个很小的中等功率的电源——联想到数字电源的成本于是发现一个问题——大家对小功率/中等功率/大功率电源的功率范围是怎么定义的?
通常我个人观点是把二三百瓦的电源划归到小电源里;1千瓦左右的算是中等功率的,10千瓦以上算大功率.
大家通常是怎么看这个问题的?
通常我个人观点是把二三百瓦的电源划归到小电源里;1千瓦左右的算是中等功率的,10千瓦以上算大功率.
大家通常是怎么看这个问题的?
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@alex_china
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,而且发展原来越快.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.
兄台为什么用这么多型号的dsp????
我用的2808,挺好的,基本功能都实现了,你的呢??
进展的怎么样?
我用的2808,挺好的,基本功能都实现了,你的呢??
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