數(shù)字信號處理(DSP)控制在電源和電源系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來了巨大的效益
從通信和控制到支持網(wǎng)絡(luò)化的工廠和高效的智能制造,被稱為工業(yè)4.0、第四次工業(yè)革命或更廣泛地作為物聯(lián)網(wǎng)(IOT),通過在終端設(shè)備內(nèi)的通信和控制和/或裁剪來實(shí)現(xiàn)在獨(dú)立應(yīng)用中的靈活性和效率,在終端設(shè)備開發(fā)階段提供電源,以確保高效集成和優(yōu)化性能特性。
在這里,我們將介紹在將電源和電源系統(tǒng)集成到連接和獨(dú)立的應(yīng)用程序和設(shè)備中時(shí),真正的數(shù)字控制所提供的背景、可能性和好處。
背景
電源和電源系統(tǒng)中的數(shù)字控制大致分為兩種實(shí)現(xiàn)方式。更常見的方法是在傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)和外部世界之間建立一個(gè)數(shù)字接口,通過通信總線提供信號和警報(bào)以及各種級別的控制。
帶數(shù)字接口的模擬電源
簡單、低成本的微控制器也已在電力應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了許多年的功能,如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制、保護(hù)功能和報(bào)警檢測。
越來越多的制造商正在使用數(shù)字信號處理(DSP)通過微控制器進(jìn)行電力系統(tǒng)控制,從而帶來更高級的功能,大大增強(qiáng)了靈活性,實(shí)現(xiàn)允許用戶可編程的特性和特征。
數(shù)字電源
毫無疑問,與現(xiàn)成的模擬控制器相比,數(shù)字信號處理器的成本更高,但隨著時(shí)間的推移,能夠?qū)崿F(xiàn)全數(shù)字信號處理器控制的微控制器的成本已經(jīng)降低,使得這成為一個(gè)越來越有吸引力和可取的解決方案,因?yàn)樗峁┝孙@著的好處,特別是隨著額定功率的增加。所需的混合域架構(gòu),將功率模擬設(shè)計(jì)原理與離散時(shí)間域或z域(而非頻率域或s域)中的有效代碼和控制回路的穩(wěn)定性相結(jié)合,已被主要電力制造商的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)團(tuán)隊(duì)充分證明和理解。
雖然開發(fā)、記錄、驗(yàn)證和批準(zhǔn)高效、可靠的固件需要大量的時(shí)間和資源來確保可靠的電源,一旦進(jìn)行了初步投資,就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源的顯著好處,并能夠在范圍廣泛的產(chǎn)品和平臺上重用固件,而改動相對較小。
數(shù)字控制回路的優(yōu)點(diǎn)是對環(huán)境、溫度、老化和部件公差的變化不敏感。它們可以在制造點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn),以進(jìn)一步提高精度,并且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電源系統(tǒng)的性能,并調(diào)整參數(shù),以便在工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化性能調(diào)整,從而提高效率和減少功率損耗。
數(shù)字信號處理(DSP)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)
全數(shù)字電源能夠提供無與倫比的靈活性和可調(diào)節(jié)性,以適應(yīng)廣泛的應(yīng)用,而不需要傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)所要求的硬件變化和適應(yīng)。
數(shù)字信號處理器(DSP)控制回路根據(jù)需要調(diào)整轉(zhuǎn)換器的工作模式,使輸出電壓和電流的調(diào)節(jié)范圍達(dá)到0-105-110%。它們簡化了恒流過載特性的實(shí)現(xiàn),在現(xiàn)代諧振開關(guān)拓?fù)渲?,恒流過載特性是復(fù)雜和昂貴的,而不需要犧牲效率。這就需要在同一功率轉(zhuǎn)換階段采用多種切換方案和控制算法,以在所需的工作點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最佳性能,這是一項(xiàng)極其復(fù)雜的任務(wù),如果不是不可能的話,在傳統(tǒng)的具有固定硬件驅(qū)動和補(bǔ)償方案的模擬控制方案中也是如此。這種寬范圍控制可以實(shí)現(xiàn)為持續(xù)可變的電源,以最大限度地提高系統(tǒng)靈活性和效率,或者在系統(tǒng)開發(fā)階段利用,以優(yōu)化應(yīng)用程序的供應(yīng)特性,而不需要硬件更新。
DSP還允許用戶在軟件中確定啟動斜坡時(shí)間、軟啟動特性和回轉(zhuǎn)率,這是導(dǎo)致傳統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件改變的另一個(gè)特性。
用戶可通過軟件設(shè)置輸入過壓/欠壓、輸出過壓/欠壓、輸出欠流/過流、溫度報(bào)警和故障條件等報(bào)警等級和故障條件,以適應(yīng)應(yīng)用。DSP的使用還允許用戶指定應(yīng)用于單個(gè)警告或故障條件的響應(yīng)類型和延遲時(shí)間。警告或故障條件下的選項(xiàng)可能會有所不同,例如持續(xù)操作一小段延遲,然后禁用、無限期繼續(xù)操作、禁用和重試(包括重試次數(shù)和關(guān)機(jī)前重試間隔時(shí)間)以及在確定或禁用和鎖定時(shí)禁用和恢復(fù),所有功能都由用戶來選擇。
數(shù)字控制系統(tǒng)還允許用戶設(shè)置信號、警報(bào)和控制的極性,以滿足系統(tǒng)需求。一個(gè)很好的例子是通過切換數(shù)字開關(guān),將遠(yuǎn)程開/關(guān)控制設(shè)置為禁用或啟用。
來自電源系統(tǒng)的信息可通過通信接口隨時(shí)獲取,以便報(bào)告和狀態(tài),如型號、版本、序列號、運(yùn)行時(shí)間、工作溫度和故障/事件日志。
這種靈活性和用戶控制的水平是可能的,因?yàn)閿?shù)字電源應(yīng)用的最新微控制器包含DSP功能,允許數(shù)字控制環(huán)路在一個(gè)切換周期的一小部分、每個(gè)切換周期內(nèi)執(zhí)行。在下面的簡化示例中,每個(gè)開關(guān)周期對輸出電壓采樣一次。典型的ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間是幾百納秒。