开帖讨论:数字电源的设计与实现的技术问题,欢迎高手拍
来源: 作者: 发布时间:2025-06-01 00:09:03 浏览量: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!高频电源体积小,用模拟方法实现的.16bit还要高速的AD,更难了.逆变器用dsp已经够了直流电源的系统的响应速度允许在毫秒级,但是在变频器的双环控制系统,比如电流内环/电压外环或者电流内环/转据外环系统,内环一般要比外环响应速度快十倍,如果器件开关频率高了,对系统响应要求自然会提高;在工控领域,DSP调节的目标包括电网输入端的功率因数(追求单位功率因数),交流逆变输出端的电流,或者负载的转距,这种常见的控制对象DSP/ARM的片内ADC一般能够胜任速度和精度的要求,但是在高精度特种电源(比如直流输出端电流纹波和稳定度要求1e-4甚至1e-5)和高频开关电源(500KHz到2MHz),上述问题就很突出了!说起控制算法来,PID算法算不上高深,但却是最实用的;其他的算法比如模糊控制,这东西实现起来却是DSP/ARM/FPGA的拿手好戏,但是我只在IEEE的学术杂志上看见有报道的,国内电工技术学报和电机工程学报上有一些仿真文章,也有少数文章宣称在电源上成功实现了模糊控制算法提高了系统响应性能,说实话,你信么?普通的应用,PFM比较好,调不过来再调脉宽,脉宽精度要求不高,有那么三、五级就够了,七、八级就很猛了我本人对学术期刊上的文章一向是用怀疑的态度来学习的,因为若干年下来接触到太多这样的情况:国内著名学术期刊上发表的文章——〉通过引用文献找到国外的引用全文(一般是IEEE的学报,比如Power Electronics,Industry applications,或者是年会比如IEEE-APEC,IEEE-PESC,IEEE-IAS等)——然后发现中文期刊的“学术成就”跟引用文献里的是多么的“相似”。
当然我在这里没有冒犯国内学术期刊的意思,只是指出现在国内的学术氛围不太好,抄袭风气太重。
要说信任,我只会相信那些在一个导师领导下一长溜学生、协作者常年研究某项领域内的实验数据。
因为在数字化运动控制领域,我认为没有五六年的时间是做不出什么像样的产品的。
最典型的是变频器/电机驱动的SVPWM算法,自从提出到现在有多少年了?算法在理论上很成熟了吧,国内有成熟的产品么?有哪家变频器厂商宣称在自己的产品上实现了SVPWM算法而且产品成熟稳定?说这些其实就跟开贴讨论扯远了,我不再罗索。
就算法的实现这个技术问题我其实很赞同楼上的观点:算法的实现是很关键的!DSP/ARM/FPGA有很强的算法实现能力,这一点任何人都不会否认,但数字器件要在我们这些工程技术人员手中实现各种算法,是对开发者提出的要求,这也是数字电源设计的难点之一。
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