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电源中的数字控制支持工业4.0、物联网和应用特定要求

关键词:数字控制 物联网 电源系统

时间:2019-12-17 09:32:22       来源:XP Power

数字信号处理(DSP)控制在电源和电源系统中的应用带来了巨大的效益。从通信和控制到支持网络化的工厂和高效的智能制造,被称为工业4.0、第四次工业革命或更广泛地作为物联网(IOT),通过在终端设备内的通信和控制和/或裁剪来实现在独立应用中的灵活性和效率,在终端设备开发阶段提供电源,以确保高效集成和优化性能特性。

在这里,我们将介绍在将电源和电源系统集成到连接和独立的应用程序和设备中时,真正的数字控制所提供的背景、可能性和好处。

背景

电源和电源系统中的数字控制大致分为两种实现方式。更常见的方法是在传统的模拟控制系统和外部世界之间建立一个数字接口,通过通信总线提供信号和警报以及各种级别的控制。

带数字接口的模拟电源

简单、低成本的微控制器也已在电力应用中实现了许多年的功能,如风扇转速控制、保护功能和报警检测。

越来越多的制造商正在使用数字信号处理(DSP)通过微控制器进行电力系统控制,从而带来更高级的功能,大大增强了灵活性,实现允许用户可编程的特性和特征。

数字电源

毫无疑问,与现成的模拟控制器相比,数字信号处理器的成本更高,但随着时间的推移,能够实现全数字信号处理器控制的微控制器的成本已经降低,使得这成为一个越来越有吸引力和可取的解决方案,因为它提供了显著的好处,特别是随着额定功率的增加。所需的混合域架构,将功率模拟设计原理与离散时间域或z域(而非频率域或s域)中的有效代码和控制回路的稳定性相结合,已被主要电力制造商的产品设计和开发团队充分证明和理解。

虽然开发、记录、验证和批准高效、可靠的固件需要大量的时间和资源来确保可靠的电源,一旦进行了初步投资,就可以实现数字电源的显著好处,并能够在范围广泛的产品和平台上重用固件,而改动相对较小。

数字控制回路的优点是对环境、温度、老化和部件公差的变化不敏感。它们可以在制造点进行校准,以进一步提高精度,并且能够实时监测电源系统的性能,并调整参数,以便在工作点进行优化性能调整,从而提高效率和减少功率损耗。

数字信号处理(DSP)的特点和优点

全数字电源能够提供无与伦比的灵活性和可调节性,以适应广泛的应用,而不需要传统的模拟控制系统所要求的硬件变化和适应。

数字信号处理器(DSP)控制回路根据需要调整转换器的工作模式,使输出电压和电流的调节范围达到0-105-110%。它们简化了恒流过载特性的实现,在现代谐振开关拓扑中,恒流过载特性是复杂和昂贵的,而不需要牺牲效率。这就需要在同一功率转换阶段采用多种切换方案和控制算法,以在所需的工作点实现最佳性能,这是一项极其复杂的任务,如果不是不可能的话,在传统的具有固定硬件驱动和补偿方案的模拟控制方案中也是如此。这种宽范围控制可以实现为持续可变的电源,以最大限度地提高系统灵活性和效率,或者在系统开发阶段利用,以优化应用程序的供应特性,而不需要硬件更新。

DSP还允许用户在软件中确定启动斜坡时间、软启动特性和回转率,这是导致传统控制系统硬件改变的另一个特性。

用户可通过软件设置输入过压/欠压、输出过压/欠压、输出欠流/过流、温度报警和故障条件等报警等级和故障条件,以适应应用。DSP的使用还允许用户指定应用于单个警告或故障条件的响应类型和延迟时间。警告或故障条件下的选项可能会有所不同,例如持续操作一小段延迟,然后禁用、无限期继续操作、禁用和重试(包括重试次数和关机前重试间隔时间)以及在确定或禁用和锁定时禁用和恢复,所有功能都由用户来选择。

数字控制系统还允许用户设置信号、警报和控制的极性,以满足系统需求。一个很好的例子是通过切换数字开关,将远程开/关控制设置为禁用或启用。

来自电源系统的信息可通过通信接口随时获取,以便报告和状态,如型号、版本、序列号、运行时间、工作温度和故障/事件日志。

这种灵活性和用户控制的水平是可能的,因为数字电源应用的最新微控制器包含DSP功能,允许数字控制环路在一个切换周期的一小部分、每个切换周期内执行。在下面的简化示例中,每个开关周期对输出电压采样一次。典型的ADC转换时间是几百纳秒。

控制回路和备用带宽的简化示例

MCU不花费在执行控制器上的时间是空闲带宽,该空闲带宽可用于执行其他任务或功能。低优先级任务在一个慢循环中运行,并在高优先级任务发生时中断,例如ADC中断以运行控制循环代码。

通过在电源中使用模拟-数字转换器(ADC),数字电源的模拟控制通常也适用于使用传统的0-5V或0-10V控制信号的系统,所有报警和控制通常可以通过常规连接以及通过通讯总线。

系统连接

随着互联、智能工厂和物联网应用的兴起,通信和控制越来越重要,这些应用得益于电源系统的实时状态信息以及调整和控制输入,允许实时调整,以最大限度地提高效率的过程中受益于准确的电压和/或电流供应和调整这些能力,以适应环境和应用。

除了能够实时调整输出电压、电流和功率传输,以使敏感过程或测试应用中的系统效率最大化,数字电源产品能够报告警告、故障条件、功率传递信息、运行时间、温度数据和事件日志。

从常用的I2C/PMBUS和RS232/RS485串行总线到支持设备网和以太网的接口解决方案,有一系列数字接口和方案可供选择,以适应各种环境、应用和要求。

虽然并非所有的终端应用都需要与外部世界通信,在终端设备内与电力系统的参数进行通信和调整的能力可以增强功能和运行特性,并有可能通过替换传统固定输出电源所需的外部硬件控制来节省成本。支持数字信号处理器的电源可以支持对输出电压、电流和电源输出的动态要求,这些要求通常与成本更高的实验室电源相关,在允许公差的情况下,并且能够直接从成本效益高的电源执行复杂的测试、老化和处理程序。

独立应用程序

在不需要外部或内部通信的终端设备中,调整电源以适应应用、简化集成和消除需要修改标准或自定义电源解决方案的应用特定解决方案的需要仍然有好处。

输出电压、输出电流、功率输出、警告、警报、保护和控制可在开发阶段进行调整、评估、修改和最终确定,从而在固件中创建一组独特的特性,然后由电源供应商在最终设备生产阶段的制造点实施。这些特性的迭代可以在相同的标准产品上实现,与传统电源产品所需的硬件更改相比,节省了相当多的时间和成本。

采用模拟控制进行电压或电流调整的终端应用仍然受益于再次确定报警和控制信号的警告和故障条件设置、响应和极性设置的能力,而无需借助研发,EMC和安规批准需要涉及的具有时间延迟,风险,成本的特定应用或完全定制的电源解决方案。 

数字电源制造商通常提供图形用户界面(GUI),使用户能够为此目的定义需求,并能够快速评估连接应用程序的能力。下面是一个典型的例子。

XP的HPT系列数字电源的图形用户界面(GUI)

总之,在电源和电源系统的许多,通常是更高功率(1kW+)的应用中,实现DSP控制有许多明显的、可实现的优势,这得益于灵活性以及节省时间和成本。对于简单、低功耗的应用,它可能过于复杂且成本高昂,标准现成的模拟控制器能够快速上市,同时对于常用的拓扑结构的收购成本较低。

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