开帖讨论：数字电源的设计与实现的技术问题，欢迎高手拍

只看该作者 · 2008-7-31 16:16

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！

只看该作者 · 2008-7-31 17:00

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

只看该作者 · 2008-7-31 17:38

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**，也有少数**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？

2万 · 2008-7-31 18:31

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

只看该作者 · 2008-7-31 19:43

我本人对学术期刊上的**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**——〉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。

只看该作者 · 2008-7-31 19:52

只看该作者 · 2008-8-1 09:45

双环我看的无差拍论文，无差拍搞懂了，还要加上ＰＩ．
高频的我觉得现阶段还是模拟的，数字的还不行．

只看该作者 · 2008-8-1 12:04

中小功率的逆变器、UPS国内很多家公司都用DSP做出来了。现在一个是高频变频器，数字器件实现挺困难；再一个是高压大功率变频器，别说数字方案，模拟方案国内也是空白。

只看该作者 · 2008-8-1 16:44

现在的论文还在讨论如何实现中小功率的逆变器的实现，完美正弦波我看到的是外国的，用谐波相互抵消的方法．而且还有一个课题是逆变器的并联．

只看该作者 · 2008-8-1 16:45

ｅｄｎ转：电力电子专业状况及职场发展

实际上浙大还有些老师在台达电子，阮新波老师去了华中科技大学，实际上还要学线性系统理论，也叫现代控制系统，和矩阵有关系．Fundamental of power electronics这本书要在网上下，没有中文版，电源网上有．还有邢岩老师，搞逆变器的并联，清华有她的专利．

如果你想从事具有前沿挑战性的朝阳行业，并且还不怕吃苦，希望苦尽甘来的可以学电力电子，不过这些东西学会了，的确很好玩．

以下为转：
老是看到好多新同学打听这个专业，N多人还在比较电力系统和电力电子与电力传动，哪个更好？哪个更有前(钱)途？马上就过年了，今天有点空，也想冒下泡，想跟对这一方向有点兴趣的兄弟姐妹简单聊一下总体情况。我也只是一名研发工程师，说得不对不全之处，请各位拍砖时手下留情。
　　
　　毫无疑问，电力系统是电气工程下面一个非常非常传统的专业，毕业后较大的可能进入国家电网或南方电网下属的各级电力公司，君不见这个坛子里好多人讲电力的高薪，因而也算是一个旱涝保收的铁饭碗；而电力电子与电力传动却是一个全新的专业，是电力、电力、与控制的交叉学科，涉及到电路拓扑、自动理论、模电数电综合知识，并且动手能力、实践经验在某种程度上决定了项目的成败。电力电子专业的同学毕业后一般进入企业或研究所，如世界顶尖的电力电子公司，如Emerson、GE、Simens、ABB、Philips、Oslang等，当然还有一堆国内的公司，一般从事开关电源、UPS、变频器、无功补偿、及有源滤波等等。总结一句话，如果你想有一个至少目前还不错的铁饭碗，就学电力系统；如果你想从事具有前沿挑战性的朝阳行业，并且还不怕吃苦，希望苦尽甘来的可以学电力电子与电力传动。如果学了电力系统后在电力公司3、5年后未混到一官半职，那时的薪水可能就不如从事电力电子工作的同学。
　　
　　电力电子与电力传动是一个全新的学科，国内的老师大多电机出身，很有可能不能提供实际的指导，但是导师的重要性在于能够给你提供广阔的研究资源，带领进入这个学科的大门。这个学科较强的国内较强校还是有的：第一个不可否认就是浙江大学，徐德鸿、钱照明、吕征宇教授等；第二个是西安交通大学，德高望重的王兆安老师、及他的两个高徒刘进军、杨旭；最后的一个是南京航空航天大学的严仰光及他的学生阮新波教授等。当然，国际上最牛的学校是美国弗吉尼亚大学的国家电力电子系统研究中心，最最最牛的Fred.Lee李泽***就在这里；当然，美国的科罗那多大学也不弱，特别是在电力电子的数字控制方向，著名电力电子学科教材Fundamental of power electronics的作者Erickson就是这里的领军人物。有志于想到国外从事电力电子研究的同学，可以申请这两所学校。
　　
　　但是，很遗撼的是，电力电子目前只是一门技术，而不能够称为一门科学的学科，那是因为尚未形成完整及精确的理论基础。因为如果没有深厚的理论基础，就不能称之为科学。这门学科目前主要是从事电路拓扑与应用技术的研究，目前的理论基础是线性控制方法与电路工程。但是，电力电子其实不应视作一个线性系统，因为功率器件是工作于开关状态的，也就是一个强病态非线性系统。因而，可以这么说，目前的电力电子系统基于线性控制理论是完全不够的，甚至在某些场合下可以导出一些错误的结论。
　　
　　电力电子技术目前有几个研究方向：高频开关电源技术：所有的信息系统与通信设备都需要使用开关电源，小到各种便携数码产品，还有现在时兴的各种平板电视，大到服务器系统、通信基站机房、及种种航空设施等；电力电子技术在电力系统中的应用：如各种谐波补偿、有源滤波装置等，还有不断发展的不间断电源设备（UPS），电动汽车的驱动与控制系统，电机的节能驱动方面如各种变频器（包括变频空调），在当前能源短缺的状况下，太阳能、风能及各种再生能源的应用，电力电子技术是最关键的技术要素。可以先从一些专业期刊了解一下这门学科，国内的有《中国电机工程学报》、《电工技术学报》、《电力电子技术》及《电工技术杂志》，国际上的有IEEE的《Power Electronics》、会议有IEEE的APEC、PESC等。
　　
　　根据多年的开关电源实际研发经验，我认为这一门方向的基础是：第一位的是控制理论；第二位的是电路知识；第三位也非常重要的模拟电子，当然如今电力电子的数字控制是一个非常重要的发展方向，单片机、DSP的数字控制技术也将占有非常重要的地位。但是现实的情况下，很多从事电力电子研发的人，很多的就学过一门“电力电子技术”就根本就不够，因为很难理解电力电子系统的控制环路设计；但是学控制的人也下手无门，因为很可能不知道如何结合控制与电路拓扑，甚至对电路的工作原理根本不明白。其实这一学科最缺乏的是多学科交叉人才，搞控制的很多不大懂电子电气理论；搞电子电气的又不明白控制基础不了解数字控制技术。
　　
　　另外，一个更重要的问题是，电力电子是一门实践性极强的学科，现在的大学老师或是毕业的学生，理论与实践脱节的程度实在是太严重了，且不必说究竟有没有了解一点点深入的基础理论。入手的第一步应该是仿制别人的产品，然后测量各点的实际工作波形，接着研究怎样利用控制、电路知识来解释各种实验现象。慢慢的，就有可能成为这行的高手。所以，如果兄弟姐妹能够忍受坐多年的冷板凳，相信在不远的将来有辉煌的一天。
　　
　　电力电子与运动控制技术可被看作是计算机技术后的第二次重大技术变革，它将极大地改变人类的能源与生活，但是由于目前基础理论的缺失，中国将极有可能尽快赶上世界发展水平的一个重要研究方向，相信在不久的将来，具有创新、敏锐的中国年青人将在这一学科占有一定的理论与技术地位。
　　
　　虽然理论基础也是非常簿弱，但我一直在努力。我是从事开关电源研发的普通工程师，但对这一行业非常感兴趣，欢迎同道中人有空多聊聊业界的技术状态及职场发展。

只看该作者 · 2008-8-1 19:17

我认为做数字变频器的软件，对软件工程师要求挺高的。工程师必须要对电源的数学模型有相当的了解，对整个系统的要求要有清醒地认识，才能合理的安排各个函数/程序模块。就说到上面讲的三相PWM整流/逆变器，国内做的中小功率的器件，现在依然是SPWM控制，为什么没能用SVPWM控制呢？因为可靠的SVPWM算法在DSP内实现难度挺大，数学模型要复杂得多。
楼上的帖子说的挺实在的，正是因为数字电源对理论与实践结合的要求特别高，所以额外增加了难度。

只看该作者 · 2008-8-1 19:38

数字变频器在中、大功率市场太诱人了。绿色环保、节能高效这是政策大力倾斜的方向，但是大容量高电压这个技术要求确实有难度。一旦把这些攻克了那数字电源的时代可真就来了。
像楼上提到的小功率应用场合国内也确实有公司正在研制，我知道的成都、北京、上海各有一家。像TI的TMS320F28015,TMS320F28016,UCD9501就特别适合这种全桥、半桥型拓扑的小功率电源，尤其是对电压纹波要求高的高频场合。这种课题技术难度不是特别大，但是对性价比（我个人认为最主要是成本）要求比较高，估计在有个一年半载他们也应该能拿出像样的产品了。到时候网站上肯定会有消息的，呵呵。

2万 · 2008-8-1 19:56

采购价格必需控制在电源系统成本的10-20%之间，否则卖不动。

只看该作者 · 2008-8-1 20:00

从成本的角度而言，小功率数字电源确实不好做，中大功率的数字电源对数字器件的压力小一些，更能显出技术优势。因为功率大的场合对数字器件的成本就不再敏感了。

只看该作者 · 2008-8-1 20:10

一个是几年前在网上讨论的一个帖子《国产变频器的死穴》，一些网友讲了很详细的情况和数据：http://www.**/bbs/d/11/2296.html
另外一个我从网上看到的统计数据，但是有多权威说不上，可以随便看看：
http://info.bpq.hc360.com/2008/06/0308585191.shtml

只看该作者 · 2008-8-1 20:31

低成本的数字电源DSC本人也强烈看好ST的STM32F10X系列，这种基于cortex-m3的ARM,最便宜的零售才二十冒头，但是标称的性能很强悍，性价比很高，大家有兴趣的话也可以了解一下。我在网上看到消息后马上下载了STM32F10X系列的大部分资料，因为手头上DSP的开发项目还没完，没工夫搞这个型号的ARM，但一直对它很关注。搞8位16位单片机的朋友也可以看看。

只看该作者 · 2008-8-1 20:49

本人看好CORTEX-M3的32位arm，现在ST和ATMEL都获得IP授权开始生产了。ST基于CORTEX-M3的STM32F10X系列的功能很全面，但是价格很低，最便宜的零售才20出头，性价比非常高。因为手头上DSP的开发项目还没完，没工夫玩这款ARM，但是对它一直很关注。搞8位，16位单片机的朋友有兴趣建议关注一下这一款32位的单片机，尤其是工业控制领域的朋友。

只看该作者 · 2008-8-1 20:57

王奉瑾发表于 2008-8-1 20:45 电源技术 ←返回版面

23楼：变频电源和伺服电源

变频电源量最大的应该是电梯应用

——这种认识？无语了。。。

只看该作者 · 2008-8-1 21:52

开帖讨论的目的是想跟诸位交流一下数字电源的设计与实现技术问题，大家从事数字电源设计中都遇到哪些问题，怎么解决，大家对数字电源存在的困难如何看待？

只看该作者 · 2008-8-1 22:44

开帖讨论：数字电源的设计与实现的技术问题，欢迎高手拍

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楼主说的是高频电源

确实，在中低频和一般的精度要求下基本上不存在什么问题

俺认为

对于算法的认识

搬个小小板凳，仰望高人高见，学习ing

逆变器的单环ｐｉ我搞出来了．

对于中低频的中小功率逆变器，现在的DSP完全可以胜任

逆变器做出来了，不等于性能好

ah

要把控制理论和算法在数字器件内用代码实现，这工作要求

呵呵，数字变频器的市场更大。

数字电源的DSC

数字电源的成本现在相对模拟电源还是要高，这一点我承认

要说到具体的市场数据有两个连接可以随便看一下

关于低成本的数字电源DSC

关于低成本数字电源DSC

呵呵，你要是这么认为的话我也就无话可说了。

如果你想了解一下，请在google上搜索“中国变频器市场”

不用吵了,证明逆变器无差拍吧.(1)怎么离散,得到后面的三个

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