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高手談數字電源設計

高手談數字電源設計


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。



三、數字化到底有什么好處?為什么要搞數字化?有什么地方是模擬方法做不到的嗎?


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xiezhen
LV.7
2
2010-04-09 16:03
本話題系高水平的------頂?。?!
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liaohu699
LV.6
3
2010-04-09 22:23
三、數字化到底有什么好處?為什么要搞數字化?有什么地方是模擬方法做不到的嗎?

輸出可編程控制,遠程數字通信控制。模擬能實現否???
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xiezhen
LV.7
4
2010-04-10 09:49
@liaohu699
三、數字化到底有什么好處?為什么要搞數字化?有什么地方是模擬方法做不到的嗎?輸出可編程控制,遠程數字通信控制。模擬能實現否???
其實我們生活的世界是模擬的,大自然給出的都是模擬量,模擬量能實現一切;問題在于人們太想用“省力,省時”的方法去搞定一切了;數字化的好處在于硬件幾乎不用去改變就能對付大范圍的系統,軟件可以做成有針對性的模塊,如:交流采樣模塊,頻率跟蹤模塊,,,,,,控制系統似乎可以用搭積木的辦法搞定。。。。。。
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log1
LV.8
5
2010-04-12 15:23
@liaohu699
三、數字化到底有什么好處?為什么要搞數字化?有什么地方是模擬方法做不到的嗎?輸出可編程控制,遠程數字通信控制。模擬能實現否???

三、數字化到底有什么好處?為什么要搞數字化?有什么地方是模擬方法做不到的嗎?



輸出可編程控制,遠程數字通信控制。模擬能實現否???


模擬可以實現。


 


我想了很久,沒有想到有什么數字控制可以實現而模擬控制不能實現或難以實現或性能更差的。


會不會數字電源,就像曾經的數字功放一樣,僅僅是一個概念炒作而已,最終銷聲匿跡!

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xiezhen
LV.7
6
2010-04-13 09:29
@log1
三、數字化到底有什么好處?為什么要搞數字化?有什么地方是模擬方法做不到的嗎?輸出可編程控制,遠程數字通信控制。模擬能實現否???模擬可以實現。 我想了很久,沒有想到有什么數字控制可以實現而模擬控制不能實現或難以實現或性能更差的。會不會數字電源,就像曾經的數字功放一樣,僅僅是一個概念炒作而已,最終銷聲匿跡!
比如矩陣式變換器或是矩陣脈沖群控制模式模擬量就不勝此任;再如:多任務并行處理時(通訊/監測/保護/控制/自珍斷/鎖相/交流檢測/。。。。。。)。
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legine
LV.3
7
2010-04-13 09:47
**此帖已被管理員刪除**
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log1
LV.8
8
2010-04-13 09:55
@xiezhen
比如矩陣式變換器或是矩陣脈沖群控制模式模擬量就不勝此任;再如:多任務并行處理時(通訊/監測/保護/控制/自珍斷/鎖相/交流檢測/。。。。。。)。

你說的這些功能都不是數字電源的特有功能,數字電源的核心是數字控制的PWM,而不是監控。


用模擬PWM控制器+DSP(或MCU)等做監控,要實現這些功能,實在是很容易的事情,而其中的模擬PWM控制特性,會比當前大多數數字電源的PWM要好,監控功能則相當,成本也會低一點。

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log1
LV.8
9
2010-04-13 10:02
@log1
你說的這些功能都不是數字電源的特有功能,數字電源的核心是數字控制的PWM,而不是監控。用模擬PWM控制器+DSP(或MCU)等做監控,要實現這些功能,實在是很容易的事情,而其中的模擬PWM控制特性,會比當前大多數數字電源的PWM要好,監控功能則相當,成本也會低一點。

即使你用數字電源控制器實現了再多的監控功能,也不能說明數字電源比模擬控制PWM電源要好,因為這些監控功能并不是數字電源的特有功能。用模擬PWM+MCU監控同樣可以做到。

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liaohu699
LV.6
10
2010-04-13 11:30
@log1
三、數字化到底有什么好處?為什么要搞數字化?有什么地方是模擬方法做不到的嗎?輸出可編程控制,遠程數字通信控制。模擬能實現否???模擬可以實現。 我想了很久,沒有想到有什么數字控制可以實現而模擬控制不能實現或難以實現或性能更差的。會不會數字電源,就像曾經的數字功放一樣,僅僅是一個概念炒作而已,最終銷聲匿跡!
數字功放也并沒有銷聲匿跡吧!反而在應用方面已經比較廣泛了???在很多場合都有它的身影才對!!!
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xiezhen
LV.7
11
2010-04-13 11:34
@log1
即使你用數字電源控制器實現了再多的監控功能,也不能說明數字電源比模擬控制PWM電源要好,因為這些監控功能并不是數字電源的特有功能。用模擬PWM+MCU監控同樣可以做到。
問題的根本在于:PWM發生的機理是什么?如果它的產生來自于主回路電壓或是電流,PWM的前沿與后沿受制于U-I的相角關系,同時,在不同的功率段與電壓段有不同的控制模式(如此的目的:最佳的ZVS/ZCS及軟起動關系等),數字化有明顯長處。。。。。。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
問題的根本在于:PWM發生的機理是什么?如果它的產生來自于主回路電壓或是電流,PWM的前沿與后沿受制于U-I的相角關系,同時,在不同的功率段與電壓段有不同的控制模式(如此的目的:最佳的ZVS/ZCS及軟起動關系等),數字化有明顯長處。。。。。。其它的功能在于共生共有。。。
有道理!頂一個!
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xiezhen
LV.7
13
2010-04-13 11:57
@xiezhen
問題的根本在于:PWM發生的機理是什么?如果它的產生來自于主回路電壓或是電流,PWM的前沿與后沿受制于U-I的相角關系,同時,在不同的功率段與電壓段有不同的控制模式(如此的目的:最佳的ZVS/ZCS及軟起動關系等),數字化有明顯長處。。。。。。其它的功能在于共生共有。。。

我們做的一款:全諧振式全橋數字控制器。


主要功能:數字鎖相環,相角測量(ns級),波形變換,變頻,U/I測量,CAN-BUS通信,模式切換等。。。。。。

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log1
LV.8
14
2010-04-15 13:46
@xiezhen
問題的根本在于:PWM發生的機理是什么?如果它的產生來自于主回路電壓或是電流,PWM的前沿與后沿受制于U-I的相角關系,同時,在不同的功率段與電壓段有不同的控制模式(如此的目的:最佳的ZVS/ZCS及軟起動關系等),數字化有明顯長處。。。。。。其它的功能在于共生共有。。。

"在不同的功率段與電壓段有不同的控制模式"


這種應用在模擬PWM開關電源中早有應用,比如超寬輸入或輸出的開關電源中,一般電源不采用是因為沒有必要采用,只要保證所有輸入輸出范圍環路穩定,就沒有必要采用。就比如說我家的電視機遙控器具有手電筒功能,也不能說這個遙控器很高科技,很劃時代一樣。


PWM核心功能是當輸出偏離設定值時,調整輸出脈寬。響應時間模擬PWM一般的都可以達到十微秒等級,極限甚至可以達到納秒等級,數字PWM能達到嗎?如果說能,需要什么樣的代價?

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log1
LV.8
15
2010-04-15 13:49
@liaohu699
數字功放也并沒有銷聲匿跡吧!反而在應用方面已經比較廣泛了???在很多場合都有它的身影才對!??!
早期炒作的數字功放是用來代替主流的家用AV、HI-FI、專業音響系統,但現在在這幾個要求較高領域,基本沒有數字功放的存在了,僅僅在一些小型數碼設備、電視機、MP3、手機等小功率、對音質要求不高的場合應用。
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log1
LV.8
16
2010-04-15 14:07
@xiezhen
問題的根本在于:PWM發生的機理是什么?如果它的產生來自于主回路電壓或是電流,PWM的前沿與后沿受制于U-I的相角關系,同時,在不同的功率段與電壓段有不同的控制模式(如此的目的:最佳的ZVS/ZCS及軟起動關系等),數字化有明顯長處。。。。。。其它的功能在于共生共有。。。

“PWM的前沿與后沿受制于U-I的相角關系”


“其它的功能在于共生共有”


不能理解這幾句要表達的是什么?


我知道,數字電源產生了很多新的術語,這些術語以表達出來,感覺很高深,很唬人,大部分人都聽不懂,所以很多人就感覺數字控制開關電源很了不起。


實際上數字開關電源和模擬PWM開關電源的核心功能比較在于:


模擬PWM:采用輸出模擬量與基準模擬量比較以調整輸出脈寬,優點是輸出脈寬調節范圍無限細化,無最小分辨率限制,響應時間僅受限于基本控制理論,即理論最快響應時間可以到1/2開關頻率,實際應用中達到1/5開關頻率非常容易。


數字控制PWM:對輸出模擬量進行AD變化為數字量后與預設基準值比較以調節輸出脈寬,其調節范圍受ADC分辨率和PWM輸出部分的限制,只能是分級的,而不是連續的,響應時間除受到模擬PWM相同限制外,還會受到ADC轉換延時、PWM輸出延時等的限制,一般會比模擬PWM慢至少一個數量級。


 


至于其他的:“數字鎖相環,相角測量(ns級),波形變換,變頻,U/I測量,CAN-BUS通信,模式切換等”


這些不是數字電源獨有的功能,模擬PWM開關電源同樣可以具備。而且我感覺這些東西很多根本就沒有實際意義,根本就是拿來唬人的,就跟電視機遙控器加上手電筒功能一樣。


 

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zhouboak
LV.8
17
2010-07-28 23:03
@legine
**此帖已被管理員刪除**

路過

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2011-02-16 15:23
@liaohu699
三、數字化到底有什么好處?為什么要搞數字化?有什么地方是模擬方法做不到的嗎?輸出可編程控制,遠程數字通信控制。模擬能實現否???

數字電源就是實現了電源的控制和通訊,在大系統中應用有很廣泛的前景.對系統的可靠性也有幫助.低成本就沒有優勢了.

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

學習了。不過終有一天我們也能做出來,原來3842我們也不是看起來很陌生嗎?最主要的是,做出自己的芯,這些一系列需要同步的技術支持跟不上,永遠是望洋興嘆:等人家賺足了錢,我們才能豁然開朗-------原來是這么一回事

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

電源新手弱弱的問下:數字電源是不是一定都是PWM控制方式的?通過狀態機控制的PSM和數字電源有什么區別???感覺PSM的控制思想就是數字的思想啊。

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