電源中的數(shù)字控制支持工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)和應(yīng)用特定要求

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/或裁剪來實現(xiàn)在獨立應(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)集成到連接和獨立的應(yīng)用程序和設(shè)備中時，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數(shù)字接口，通過通信總線提供信號和警報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)用中實現(xiàn)了許多年的功能，如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制、保護功能和報警檢測。

越來越多的制造商正在使用數(shù)字信號處理（DSP）通過微控制器進行電力系統(tǒng)控制，從而帶來更高級的功能，大大增強了靈活性，實現(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，使得這成為一個越來越有吸引力和可取的解決方案，因為它提供了顯著的好處，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)計原理與離散時間域或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)計和開發(fā)團隊充分證明和理解。

雖然開發(fā)、記錄、驗證和批準(zhǔn)高效、可靠的固件需要大量的時間和資源來確?？煽康碾娫?，一旦進行了初步投資，就可以實現(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。它們可以在制造點進行校準(zhǔn)，以進一步提高精度，并且能夠?qū)崟r監(jiān)測電源系統(tǒng)的性能，并調(diào)整參數(shù)，以便在工作點進行優(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）的特點和優(yōu)點

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)范圍達到0-105-110%。它們簡化了恒流過載特性的實現(xiàn)，在現(xiàn)代諧振開關(guān)拓撲中，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，以在所需的工作點實現(xiàn)最佳性能，這是一項極其復(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、溫度報警和故障條件等報警等級和故障條件，以適應(yīng)應(yīng)用。DSP的使用還允許用戶指定應(yīng)用于單個警告或故障條件的響應(yīng)類型和延遲時間。警告或故障條件下的選項可能會有所不同，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)機前重試間隔時間）以及在確定或禁用和鎖定時禁用和恢復(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、警報和控制的極性，以滿足系統(tǒng)需求。一個很好的例子是通過切換數(shù)字開關(guān)，將遠程開/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獲取，以便報告和狀態(tài)，如型號、版本、序列號、運行時間、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，因為數(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)路在一個切換周期的一小部分、每個切換周期內(nèi)執(zhí)行。在下面的簡化示例中，每個開關(guān)周期對輸出電壓采樣一次。典型的ADC轉(zhuǎn)換時間是幾百納秒。

控制回路和備用帶寬的簡化示例

MCU不花費在執(zhí)行控制器上的時間是空閑帶寬，該空閑帶寬可用于執(zhí)行其他任務(wù)或功能。低優(yōu)先級任務(wù)在一個慢循環(huán)中運行，并在高優(yōu)先級任務(wù)發(fā)生時中斷，例如ADC中斷以運行控制循環(huán)代碼。

通過在電源中使用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），數(shù)字電源的模擬控制通常也適用于使用傳統(tǒng)的0-5V或0-10V控制信號的系統(tǒng)，所有報警和控制通?？梢酝ㄟ^常規(guī)連接以及通過通訊總線。

系統(tǒng)連接

隨著互聯(lián)、智能工廠和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，通信和控制越來越重要，這些應(yīng)用得益于電源系統(tǒng)的實時狀態(tài)信息以及調(diào)整和控制輸入，允許實時調(diào)整，以最大限度地提高效率的過程中受益于準(zhǔn)確的電壓和/或電流供應(yīng)和調(diào)整這些能力，以適應(yīng)環(huán)境和應(yīng)用。

除了能夠?qū)崟r調(diào)整輸出電壓、電流和功率傳輸，以使敏感過程或測試應(yīng)用中的系統(tǒng)效率最大化，數(shù)字電源產(chǎn)品能夠報告警告、故障條件、功率傳遞信息、運行時間、溫度數(shù)據(jù)和事件日志。

從常用的I2C/PMBUS和RS232/RS485串行總線到支持設(shè)備網(wǎng)和以太網(wǎng)的接口解決方案，有一系列數(shù)字接口和方案可供選擇，以適應(yīng)各種環(huán)境、應(yīng)用和要求。

雖然并非所有的終端應(yīng)用都需要與外部世界通信，在終端設(shè)備內(nèi)與電力系統(tǒng)的參數(shù)進行通信和調(diào)整的能力可以增強功能和運行特性，并有可能通過替換傳統(tǒng)固定輸出電源所需的外部硬件控制來節(jié)省成本。支持數(shù)字信號處理器的電源可以支持對輸出電壓、電流和電源輸出的動態(tài)要求，這些要求通常與成本更高的實驗室電源相關(guān)，在允許公差的情況下，并且能夠直接從成本效益高的電源執(zhí)行復(fù)雜的測試、老化和處理程序。

獨立應(yīng)用程序

在不需要外部或內(nèi)部通信的終端設(shè)備中，調(diào)整電源以適應(yīng)應(yīng)用、簡化集成和消除需要修改標(biāo)準(zhǔn)或自定義電源解決方案的應(yīng)用特定解決方案的需要仍然有好處。

輸出電壓、輸出電流、功率輸出、警告、警報、保護和控制可在開發(fā)階段進行調(diào)整、評估、修改和最終確定，從而在固件中創(chuàng)建一組獨特的特性，然后由電源供應(yīng)商在最終設(shè)備生產(chǎn)階段的制造點實施。這些特性的迭代可以在相同的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品上實現(xiàn)，與傳統(tǒng)電源產(chǎn)品所需的硬件更改相比，節(jié)省了相當(dāng)多的時間和成本。

采用模擬控制進行電壓或電流調(diào)整的終端應(yīng)用仍然受益于再次確定報警和控制信號的警告和故障條件設(shè)置、響應(yīng)和極性設(shè)置的能力，而無需借助研發(fā)，EMC和安規(guī)批準(zhǔn)需要涉及的具有時間延遲，風(fēng)險，成本的特定應(yīng)用或完全定制的電源解決方案。

數(shù)字電源制造商通常提供圖形用戶界面（GUI），使用戶能夠為此目的定義需求，并能夠快速評估連接應(yīng)用程序的能力。下面是一個典型的例子。

XP的HPT系列數(shù)字電源的圖形用戶界面（GUI）

總之，在電源和電源系統(tǒng)的許多，通常是更高功率（1kW+）的應(yīng)用中，實現(xiàn)DSP控制有許多明顯的、可實現(xiàn)的優(yōu)勢，這得益于靈活性以及節(jié)省時間和成本。對于簡單、低功耗的應(yīng)用，它可能過于復(fù)雜且成本高昂，標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成的模擬控制器能夠快速上市，同時對于常用的拓撲結(jié)構(gòu)的收購成本較低。

　　Gary Bocock： 2019年8月