数字电源设计与实现问题解析

　　一、什么是数字电源，跟模拟电源最本质的区别？

　　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？

　　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(＄16.0312)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？

　　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？

　　四、价格问题！

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