電源中的數字控制為工業(yè)4.0，物聯(lián)網(wǎng)應用增添價(jià)值

2020-05-30

電源中的數字控制可能意味著(zhù)不同的事情，從狀態(tài)/警報的簡(jiǎn)單數字信號發(fā)送和傳統模擬控制器的開(kāi)/關(guān)控制（圖1）到簡(jiǎn)單的微控制器增加的更復雜的功能，一直到使用數字信號處理器（DSP）全面實(shí)現反饋環(huán)路補償（圖2）。最新技術(shù)允許在開(kāi)發(fā)和調試過(guò)程中靈活地配置電源的特性和性能，并在最終應用中動(dòng)態(tài)配置。

1.該圖表示具有簡(jiǎn)單數字接口的模擬電源。

2.所示為DSP控制的數字電源的框圖

盡管DSP芯片的成本要高于專(zhuān)用模擬控制器，但價(jià)格卻在下降，性能也在不斷提高，因此其收益越來(lái)越引人注目。對于具有更高價(jià)值的產(chǎn)品的更高功率而言尤其如此，在這種情況下，系統的性能提升更為明顯，部件成本也不再是問(wèn)題。

電源設計中的DSP確實(shí)需要了解頻域中的控制環(huán)路穩定性及其在時(shí)域中以有效代碼實(shí)現的知識。但是，人們已經(jīng)了解了該技術(shù)，主流電源制造商正在接受該技術(shù)。

但是，需要投資以技能和時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)，驗證和記錄固件，以實(shí)現可靠而強大的解決方案。盡管如此，該代碼仍可重用，并且可以設計通用硬件平臺，并可以對其進(jìn)行快速軟件配置以用于多個(gè)應用程序-生產(chǎn)中的真正好處，然后以上市時(shí)間和單位成本的節約方式傳遞給用戶(hù)。

數字信號處理：功能和優(yōu)點(diǎn)

電源控制和監視的全數字實(shí)現的主要優(yōu)點(diǎn)是靈活性和針對不同應用調整性能和特性的能力，而這需要傳統模擬控制器對硬件進(jìn)行更改。數字控制回路（圖3）還具有不受環(huán)境變化和零件值隨公差和壽命變化的影響的優(yōu)點(diǎn)。這樣可以更精確地定義性能。

3.控制回路和備用帶寬的簡(jiǎn)化示例。

此外，DSP芯片可以響應系統性能變量。示例包括檢測負載特性并優(yōu)化控制環(huán)路以獲得很好負載瞬態(tài)響應，或動(dòng)態(tài)降低輸出電壓以減少待機模式下的負載功耗。

輸出電壓的調節范圍可以擴展到很寬的范圍，對于更一般的應用，或者根本不知道最終的系統電壓，甚至可以從0到105/110％。電流極限同樣可以調節，不僅可以調節到“拐點(diǎn)”值，還可以調節其在過(guò)載或短路時(shí)的特性，可能是“恒定電流”閉鎖或“打ic”模式。這在現代高效諧振拓撲中非常重要，在現代拓撲中，所需的多個(gè)開(kāi)關(guān)和環(huán)路補償方案難以用傳統的模擬控制器來(lái)實(shí)現。

除了控制反饋環(huán)路之外，在數字電源中，還很容易包含許多其他可編程功能，這些功能具有系統優(yōu)勢，需要在模擬實(shí)現中進(jìn)行硬件更改。例如，啟動(dòng)/關(guān)閉斜坡速率和多個(gè)電源的排序可以通過(guò)不同的方案（例如“比率”或“同步”）進(jìn)行設置。使能輸入和信號輸出的極性可以任意切換。

可以監視和發(fā)出故障和狀態(tài)條件，例如輸入欠壓，輸出欠壓/過(guò)壓，輸出過(guò)流和過(guò)熱。所有閾值都可以調整，必要時(shí)可以動(dòng)態(tài)調整。例如，如果“實(shí)時(shí)”將輸出電壓調高，則過(guò)壓檢測閾值也可以調高。

此外，可以在發(fā)出信號和結果動(dòng)作發(fā)生變化之前，以可變的延遲來(lái)編程對警告的響應?？赡苤簧婕霸谥付ǖ臅r(shí)間間隔內以指定的重試次數記錄事件的發(fā)生或停機，或者針對更嚴重的事件（例如持續的輸出過(guò)壓）立即閉鎖。DSP芯片中的非易失性存儲器不僅可以用于控制算法和響應特性的查找表，還可以記錄其他信息，例如模型和構建標準，序列號，運行時(shí)間以及溫度記錄的事件日志和故障/警告。

具有DSP功能的最新微控制器具有這種功能，因為它們足夠快，可以在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期采樣輸出電壓，在幾百納秒內執行模數轉換，執行反饋控制算法，并且仍然具有足夠的功能。帶寬，用于較慢的速度控制和信令。為了實(shí)現靈活性和向后兼容性，內置的模數轉換器（ADC）還可以提供模擬控制輸入，例如0至5 V或0至10 V的電壓設置。

此外，通常在連接器引腳上以及通過(guò)通信總線(xiàn)都可以使用單獨的控件和信號?？梢詮耐獠吭L(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)以進(jìn)行系統控制，也可以從內部訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)以供服務(wù)工程師使用。

廣闊世界中的數字電源

具有數字控制和信號發(fā)送功能的電源在“智能工廠(chǎng)”應用中自成一體。在這里，過(guò)程硬件以IoT配置進(jìn)行互連，以實(shí)時(shí)最大化生產(chǎn)能力和效率。

“邊緣”智能與中央監控和整體控制相結合，不僅可以實(shí)時(shí)調整參數以提高過(guò)程效率，而且還可以記錄數據以匯總顯示歷史上的故障和瞬態(tài)事件。反過(guò)來(lái)，這可以預測未來(lái)的性能并設計預防性維護方案，以實(shí)現最長(cháng)的正常運行時(shí)間。

報告電源負載也可以用作能源使用情況的指示，以及在什么時(shí)候提供有關(guān)負載均衡和成本節省的有價(jià)值的信息。最重要的是，在自動(dòng)化測試中，數字控制電源可以代替專(zhuān)用的實(shí)驗室可編程電源，以進(jìn)一步節省成本，或者可以輕松地對電源電壓的自動(dòng)“余量”進(jìn)行編程，以解決設備老化問(wèn)題。

盡管與DSP芯片的典型通信接口是使用PMBus命令的I 2 C，但數字電源通常還包括更適合于工業(yè)環(huán)境的RS-232 / RS-485和DeviceNet / EtherCAT接口。

通常，電源供應商將提供硬件和圖形用戶(hù)界面（GUI），以輕松設置電源并監視其性能（圖4）。

4.這是XP Power的HPT系列數字電源的GUI。

獨立應用

電源的數字控制仍然可以使不需要外部通信的應用受益，并且動(dòng)態(tài)調整性能不會(huì )帶來(lái)任何優(yōu)勢。潛在的是，電源供應商可以提供一種從標準平臺進(jìn)行數字配置的解決方案，否則該解決方案必須是定制產(chǎn)品，從而節省了用戶(hù)時(shí)間以及大量的認證和安全認證成本。如果最終應用程序確實(shí)由于例如產(chǎn)品升級而發(fā)生更改，則可以通過(guò)通信接口通過(guò)簡(jiǎn)單的固件更改來(lái)重新配置電源，從而再次節省了可觀(guān)的成本并延長(cháng)了電源的使用壽命。

綜上所述，盡管模擬控制仍將在簡(jiǎn)單和低功耗應用中占據一席之地，但數字控制電源（尤其是更高功率的電源）具有許多優(yōu)勢：更大的集成系統中的能耗降低，從而增加了功能和靈活性，并可能節省成本延長(cháng)產(chǎn)品壽命。