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数字电源不再“纸上谈兵”,规模应用仍面临挑战

2008-04-19来源: 电子工程专辑关键字:嵌入式  数字信号处理器  电源系统  采样系统
      当前,很多嵌入式控制设计人员正在将8位或16位MCU设计进行升级。为了帮助他们实现向32位数字信号控制器(DSC)的过渡,TI最新推出四款新型TMS320F280x数字信号控制器(已经实现量产),并首次将高性能F28xx系列芯片价格拉到3美元左右。与此同时,Microchip也发布了最新的DSC产品。但是与TI从高端应用切入不同,Microchip的产品主要针对低端或简单级别数字电源,价格2.99美元起,对某些具体应用而言也颇具成本优势。

  两大半导体巨头相继推出的低成本DSC使数字电源的应用不再是“纸上谈兵”,但是从目前的情况来看,由于绝大多数开关电源都是采用传统的模拟电路,数字控制电源作为一种新兴技术还处于摸索阶段,从设计人员切换到产品定义,再到广泛应用,数字电源的规模应用仍需要一个过程。

两大低成本DSC方案比较 

  TI最新的TMS320F280x产品不仅具备32位DSP性能,而且实现了与MCU相似的外设集成,方便易用,主要面向数字电源、马达控制以及智能传感器控制等应用。

TI的TMS320F280x结构图


  四款新品都采用F280x的设计,均可实现32位宽度的数据处理,每秒375万次采样的12位模数转换器(ADC)、正交编码器(QEP)接口,最新专利的150微微秒(ps)分辨率的的脉宽调制(PWM)输出通道,并具有CAN、I(SUP/)2(/SUP)C、UART、SPI等端口。通过对闪存和外设进行一定裁剪后,TMS320F28015/F28016的最低每千片批量单价仅为3.25 美元。TI上海应用开发中心工业和家电部经理于振宇介绍:“TI把集成大容量闪存、大量通信接口的高性能信号处理控制器拉到3美元价位,创造了F28xx系列产品的新纪录。价格达到了16位单片机水平,但性能不可同日而语。”

  作为电源转换行业领先的单片机和模拟控制产品供应商,Microchip日前也推出适用于通用、多回路开关电源(SMPS)和其它电源转换应用的16位DSC系列dsPIC。dsPIC30F1010和dsPIC30F2020/2023(dsPIC30F202X)DSC具备分辨率为1ns的PWM,以及可实现低延迟时间和高分辨率控制、每秒200万次采样的10位ADC。dsPIC有电压模式、电流模式两种控制方式,器件尺寸小,针对不同的应用有很好的性价比优势。

  “当前,由于缺乏有效的解决方案,对整个电源转换回路进行数字控制的应用发展缓慢。dsPIC DSC SMPS解决方案在某些应用实例中的成本和性能优势非常明显,如带多路输出、协调负载共享,热插拔能力、输出协调、集成功率因数校正或丰富故障处理的电源。”Microchip公司数字信号控制器部门战略市场总监Steve Marsh进一步强调:“Microchip是第一家能够真正做到数字电源控制的厂商,dsPIC系列DSC能帮助设计人员实现对产品的全面数字控制。”

DSP与MCU融合成为趋势,TI与Microchip欲争宠

  一边是DSP行业老大,一边是单片机(MCU)领域的佼佼者,两家半导体巨头都对数字电源应用前景非常乐观,分别从传统DSP和传统MCU角度切入,以融合DSP与MCU的解决方案进军数字电源领域。传统MCU做控制应用比较友好,但数字处理能力弱;传统DSP具有强大的计算处理能力,但由于缺乏做控制应用必需的片上闪存、数据接口、ADC等外设,其控制应用不是很友好。因而,DSP与MCU融合成为行业发展趋势。

  结合了两者的优点,DSP高性能与MCU易用性的完美融合是TI新型F280x产品的关键卖点。该系列产品有个特点,一方面是具有DSP的CPU,所以有强大的计算能力和数学计算速度,同时具有作控制应用所必须的外设和片上应用模拟模块。TI的于振宇相信DSP是必然趋势,他指出:“传统MCU工程师正在逐渐向DSP转移,DSP设计方便,而且模型建立后,其编程也很方便,加之其系统性、可移植性、可维护性的优势,未来向DSP转移是必然趋势。”

  但背靠MCU发家的Microchip认为MCU更受工程师青睐,Marsh称:“兼具DSP功能的MCU更贴近客户使用习惯。从客户需要来说,他们想要DSP提供给他们的功能,但并不想要DSP,或者只想要非常简单易用的DSP技术。”他接着补充道:“原来的产品是两个指令流,一个用于DSP,一个用于单片机,Microchip新推出的DSC是单指令流,在整个架构中,它使用C语言编译器,编码非常高效。”

模拟向数字切换,设计人员重新面临挑战

  随着电源系统的性能和功率的不断提高,实现该性能所必需的元件数量和成本也会随之增加,越来越多的控制需要通过具有成本效益的数字电路实现,未来在电源系统控制应用中将是模拟与数字共存。

  Marsh表示:“在DC/DC应用中,通常是在100瓦特以上的系统中会应用数字控制技术;而在AC/DC应用中,250瓦特以上的系统会应用数字技术,这样的应用经济性会更高一些。对于更为复杂的应用,如果客户想继续在系统上增加性能,就会更多地采用全面的数字技术,因为模拟的系统已经不能实现那么高的经济性了。”

  目前,由于绝大多数开关电源设计人员一直采用传统模拟电路,数字控制电源作为一种新兴技术还处于摸索过程中,需要建立起一套新的理论和方式方法。于振宇指出:“在电源系统数字化、智能化的趋势下,对电源的状态控制和了解要求也越来越高,模拟控制转到数字控制面临很多挑战。首先是响应速度或带宽,模拟控制对信号状态的反应是瞬时的,而数字控制电路是一个采样系统,涉及到延时问题,这就需要CPU、ADC等有很高的计算速度。第二,可靠性成为新的问题,设计人员已经习惯模拟设计可靠性,变成数字设计时如何提高并保证可靠性,他们不知道怎么面对。”为此,TI专门组建了由负责C2000产品和模拟电路设计的资深工程师组成的数字电源产品团队,并为设计人员提供多种参考设计平台,而不必从头做起。

  作为一项新技术,数字电源应用的规模启动到底需要什么样的芯片?尽管每家公司都宣称有“好”的产品,但从现实情况来看,规模应用还需要一个过程。据了解,目前几家中国通信电源厂商已开始采用TI产品投入量产,另有一些还处于产品研发阶段。但是尽管当前主要仍是一些大公司利用数字电路技术设计电源,但Marsh相信,随着更多的大公司逐渐把这项数字技术应用于电源设计中,小型公司看到其带来的好处后也会逐步开始采用。

关键字:嵌入式  数字信号处理器  电源系统  采样系统

编辑:吕海英 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/newproducts/others/200804/article_17820.html
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