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高手谈数字电源设计

高手谈数字电源设计


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。



三、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?


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xiezhen
LV.7
2
2010-04-09 16:03
本话题系高水平的------顶！！！
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liaohu699
LV.6
3
2010-04-09 22:23
三、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?

输出可编程控制，远程数字通信控制。模拟能实现否？？？
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xiezhen
LV.7
4
2010-04-10 09:49
@liaohu699
三、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?输出可编程控制，远程数字通信控制。模拟能实现否？？？
其实我们生活的世界是模拟的，大自然给出的都是模拟量，模拟量能实现一切；问题在于人们太想用“省力，省时”的方法去搞定一切了；数字化的好处在于硬件几乎不用去改变就能对付大范围的系统，软件可以做成有针对性的模块，如：交流采样模块，频率跟踪模块，，，，，，控制系统似乎可以用搭积木的办法搞定。。。。。。
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log1
LV.8
5
2010-04-12 15:23
@liaohu699
三、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?输出可编程控制，远程数字通信控制。模拟能实现否？？？

三、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?



输出可编程控制，远程数字通信控制。模拟能实现否？？？


模拟可以实现。


 


我想了很久，没有想到有什么数字控制可以实现而模拟控制不能实现或难以实现或性能更差的。


会不会数字电源，就像曾经的数字功放一样，仅仅是一个概念炒作而已，最终销声匿迹！

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xiezhen
LV.7
6
2010-04-13 09:29
@log1
三、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?输出可编程控制，远程数字通信控制。模拟能实现否？？？模拟可以实现。 我想了很久，没有想到有什么数字控制可以实现而模拟控制不能实现或难以实现或性能更差的。会不会数字电源，就像曾经的数字功放一样，仅仅是一个概念炒作而已，最终销声匿迹！
比如矩阵式变换器或是矩阵脉冲群控制模式模拟量就不胜此任；再如：多任务并行处理时（通讯/监测/保护/控制/自珍断/锁相/交流检测/。。。。。。）。
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legine
LV.3
7
2010-04-13 09:47
**此帖已被管理员删除**
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log1
LV.8
8
2010-04-13 09:55
@xiezhen
比如矩阵式变换器或是矩阵脉冲群控制模式模拟量就不胜此任；再如：多任务并行处理时（通讯/监测/保护/控制/自珍断/锁相/交流检测/。。。。。。）。

你说的这些功能都不是数字电源的特有功能，数字电源的核心是数字控制的PWM，而不是监控。


用模拟PWM控制器+DSP（或MCU）等做监控，要实现这些功能，实在是很容易的事情，而其中的模拟PWM控制特性，会比当前大多数数字电源的PWM要好，监控功能则相当，成本也会低一点。

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log1
LV.8
9
2010-04-13 10:02
@log1
你说的这些功能都不是数字电源的特有功能，数字电源的核心是数字控制的PWM，而不是监控。用模拟PWM控制器+DSP（或MCU）等做监控，要实现这些功能，实在是很容易的事情，而其中的模拟PWM控制特性，会比当前大多数数字电源的PWM要好，监控功能则相当，成本也会低一点。

即使你用数字电源控制器实现了再多的监控功能，也不能说明数字电源比模拟控制PWM电源要好，因为这些监控功能并不是数字电源的特有功能。用模拟PWM+MCU监控同样可以做到。

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liaohu699
LV.6
10
2010-04-13 11:30
@log1
三、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?输出可编程控制，远程数字通信控制。模拟能实现否？？？模拟可以实现。 我想了很久，没有想到有什么数字控制可以实现而模拟控制不能实现或难以实现或性能更差的。会不会数字电源，就像曾经的数字功放一样，仅仅是一个概念炒作而已，最终销声匿迹！
数字功放也并没有销声匿迹吧！反而在应用方面已经比较广泛了？？？在很多场合都有它的身影才对！！！
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xiezhen
LV.7
11
2010-04-13 11:34
@log1
即使你用数字电源控制器实现了再多的监控功能，也不能说明数字电源比模拟控制PWM电源要好，因为这些监控功能并不是数字电源的特有功能。用模拟PWM+MCU监控同样可以做到。
问题的根本在于：PWM发生的机理是什么？如果它的产生来自于主回路电压或是电流，PWM的前沿与后沿受制于U-I的相角关系，同时，在不同的功率段与电压段有不同的控制模式（如此的目的：最佳的ZVS/ZCS及软起动关系等），数字化有明显长处。。。。。。其它的功能在于共生共有。。。
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liaohu699
LV.6
12
2010-04-13 11:56
@xiezhen
问题的根本在于：PWM发生的机理是什么？如果它的产生来自于主回路电压或是电流，PWM的前沿与后沿受制于U-I的相角关系，同时，在不同的功率段与电压段有不同的控制模式（如此的目的：最佳的ZVS/ZCS及软起动关系等），数字化有明显长处。。。。。。其它的功能在于共生共有。。。
有道理！顶一个！
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xiezhen
LV.7
13
2010-04-13 11:57
@xiezhen
问题的根本在于：PWM发生的机理是什么？如果它的产生来自于主回路电压或是电流，PWM的前沿与后沿受制于U-I的相角关系，同时，在不同的功率段与电压段有不同的控制模式（如此的目的：最佳的ZVS/ZCS及软起动关系等），数字化有明显长处。。。。。。其它的功能在于共生共有。。。

我们做的一款：全谐振式全桥数字控制器。


主要功能：数字锁相环，相角测量（ns级），波形变换，变频，U/I测量，CAN-BUS通信，模式切换等。。。。。。

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log1
LV.8
14
2010-04-15 13:46
@xiezhen
问题的根本在于：PWM发生的机理是什么？如果它的产生来自于主回路电压或是电流，PWM的前沿与后沿受制于U-I的相角关系，同时，在不同的功率段与电压段有不同的控制模式（如此的目的：最佳的ZVS/ZCS及软起动关系等），数字化有明显长处。。。。。。其它的功能在于共生共有。。。

"在不同的功率段与电压段有不同的控制模式"


这种应用在模拟PWM开关电源中早有应用，比如超宽输入或输出的开关电源中，一般电源不采用是因为没有必要采用，只要保证所有输入输出范围环路稳定，就没有必要采用。就比如说我家的电视机遥控器具有手电筒功能，也不能说这个遥控器很高科技，很划时代一样。


PWM核心功能是当输出偏离设定值时，调整输出脉宽。响应时间模拟PWM一般的都可以达到十微秒等级，极限甚至可以达到纳秒等级，数字PWM能达到吗？如果说能，需要什么样的代价？

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log1
LV.8
15
2010-04-15 13:49
@liaohu699
数字功放也并没有销声匿迹吧！反而在应用方面已经比较广泛了？？？在很多场合都有它的身影才对！！！
早期炒作的数字功放是用来代替主流的家用AV、HI-FI、专业音响系统，但现在在这几个要求较高领域，基本没有数字功放的存在了，仅仅在一些小型数码设备、电视机、MP3、手机等小功率、对音质要求不高的场合应用。
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log1
LV.8
16
2010-04-15 14:07
@xiezhen
问题的根本在于：PWM发生的机理是什么？如果它的产生来自于主回路电压或是电流，PWM的前沿与后沿受制于U-I的相角关系，同时，在不同的功率段与电压段有不同的控制模式（如此的目的：最佳的ZVS/ZCS及软起动关系等），数字化有明显长处。。。。。。其它的功能在于共生共有。。。

“PWM的前沿与后沿受制于U-I的相角关系”


“其它的功能在于共生共有”


不能理解这几句要表达的是什么？


我知道，数字电源产生了很多新的术语，这些术语以表达出来，感觉很高深，很唬人，大部分人都听不懂，所以很多人就感觉数字控制开关电源很了不起。


实际上数字开关电源和模拟PWM开关电源的核心功能比较在于：


模拟PWM：采用输出模拟量与基准模拟量比较以调整输出脉宽，优点是输出脉宽调节范围无限细化，无最小分辨率限制，响应时间仅受限于基本控制理论，即理论最快响应时间可以到1/2开关频率，实际应用中达到1/5开关频率非常容易。


数字控制PWM：对输出模拟量进行AD变化为数字量后与预设基准值比较以调节输出脉宽，其调节范围受ADC分辨率和PWM输出部分的限制，只能是分级的，而不是连续的，响应时间除受到模拟PWM相同限制外，还会受到ADC转换延时、PWM输出延时等的限制，一般会比模拟PWM慢至少一个数量级。


 


至于其他的：“数字锁相环，相角测量（ns级），波形变换，变频，U/I测量，CAN-BUS通信，模式切换等”


这些不是数字电源独有的功能，模拟PWM开关电源同样可以具备。而且我感觉这些东西很多根本就没有实际意义，根本就是拿来唬人的，就跟电视机遥控器加上手电筒功能一样。


 

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zhouboak
LV.8
17
2010-07-28 23:03
@legine
**此帖已被管理员删除**

路过

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luogang0300415
LV.3
18
2011-02-16 15:23
@liaohu699
三、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?输出可编程控制，远程数字通信控制。模拟能实现否？？？

数字电源就是实现了电源的控制和通讯,在大系统中应用有很广泛的前景.对系统的可靠性也有帮助.低成本就没有优势了.

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131zzgen
LV.2
19
2011-03-01 16:52

学习了。不过终有一天我们也能做出来，原来3842我们也不是看起来很陌生吗？最主要的是，做出自己的芯，这些一系列需要同步的技术支持跟不上，永远是望洋兴叹：等人家赚足了钱，我们才能豁然开朗-------原来是这么一回事

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xuxin041640
LV.2
20
2011-03-01 21:55

电源新手弱弱的问下：数字电源是不是一定都是PWM控制方式的？通过状态机控制的PSM和数字电源有什么区别啊？感觉PSM的控制思想就是数字的思想啊。

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