電源中的數(shù)字控制為工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)應用增添價值

摘要

具有數(shù)字控制的電源在設備和系統(tǒng)級別上有許多好處。電源性能可以在安裝和運行中動態(tài)優(yōu)化應用，更廣泛的系統(tǒng)控制和監(jiān)測電源特性以實現(xiàn)高效集成。“互聯(lián)”制造業(yè)，如工業(yè)4.0或“第四次工業(yè)革命”，尤其受益于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。

本文解釋了電源中的數(shù)字控制是什么，以及獨立和連接應用程序中提供的好處。

背景

電源中的數(shù)字控制可能意味著不同的事情，從簡單的狀態(tài)/警報數(shù)字信號和傳統(tǒng)模擬控制器的開/關控制，通過簡單的微控制器添加更復雜的功能，一直到用數(shù)字信號處理器（DSP）完全實現(xiàn)反饋回路補償。最新技術允許在開發(fā)和調(diào)試期間靈活配置電源的特性和性能，并在最終應用程序中動態(tài)配置。

具有簡單數(shù)字接口的模擬電源

DSP控制的數(shù)字電源

雖然數(shù)字信號處理器芯片比專用模擬控制器的成本更高，但價格在下降，性能也在提高，因此其優(yōu)點越來越引人注目。這尤其適用于具有更高價值產(chǎn)品的更高功率，在這種情況下，系統(tǒng)性能改善更為明顯，而組件成本則不是問題所在。

在電源設計中，數(shù)字信號處理器（DSP）確實需要在頻域中了解控制回路的穩(wěn)定性，以及如何在時域中以有效的代碼實現(xiàn)控制回路，但這些技術已經(jīng)被理解，主流電源制造商正在接受這項技術。雖然需要在開發(fā)、驗證和記錄固件以實現(xiàn)可靠和健壯的解決方案的技能和時間上進行投資，但代碼是可重用的，并且可以設計通用硬件平臺，以便為多個應用程序快速配置軟件-這在生產(chǎn)中是一個真正的好處，可以將面世時間和單價成本經(jīng)濟傳遞給使用人員。

數(shù)字信號處理的特點和優(yōu)點

電源控制和監(jiān)控的全數(shù)字實現(xiàn)的主要優(yōu)點是靈活性和針對不同應用調(diào)整性能和特性的能力，這需要對傳統(tǒng)模擬控制器進行硬件更改。數(shù)字控制回路還具有對環(huán)境變化和組件值隨耐受性和年齡變化免疫的優(yōu)點。這樣可以更精確地定義性能。DSP芯片還可以響應系統(tǒng)性能變量，例如檢測負載特性和優(yōu)化控制回路以獲得最佳負載瞬態(tài)響應或動態(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(diào)整可以擴展到更廣泛的范圍，甚至0-105/110%的更一般的應用或當最終的最佳系統(tǒng)電壓根本不知道。電流限制同樣是可調(diào)的，不僅在“膝”值，而且在過載或短路，可能是“恒定電流”閉鎖或“打嗝”模式下的特性。這在現(xiàn)代高效諧振拓撲中是很重要的，在這種拓撲中，用傳統(tǒng)的模擬控制器來實現(xiàn)所需的多重開關和環(huán)路補償方案是不實際的復雜。

在數(shù)字電源中，除了控制反饋回路外，還可以很容易地包括許多其他可編程功能，這些功能具有系統(tǒng)優(yōu)點，這將導致模擬實現(xiàn)中的硬件更改。例如，多個電源的啟動/關閉斜坡速率和順序可通過不同的方案設置，如“比率”或同時；啟用輸入和信號輸出的極性可隨意切換。故障和狀態(tài)可被監(jiān)測和信號，如輸入欠壓、輸出欠壓/過壓、輸出過流和過溫。如有必要，可以動態(tài)調(diào)整所有閾值。例如，如果輸出電壓“動態(tài)”調(diào)整得更高，過電壓檢測閾值也可以調(diào)整得更高。

對警告的響應也可以在發(fā)出信號之前用可變延遲進行編程，并且所產(chǎn)生的動作也可以變化，可能只是記錄發(fā)生或關機的情況，并在指定的時間間隔內(nèi)進行指定次數(shù)的重新嘗試，或者對于更嚴重的事件（例如持續(xù)輸出過電壓）立即關閉。DSP芯片中的非易失性存儲器不僅可用于控制算法和作為響應特性的查找表，還可用于記錄其他信息，例如模型和構建標準、序列號、運行時間以及溫度記錄和故障/警告的事件日志。

最新的具有DSP功能的微控制器允許這種程度的功能，因為它們足夠快，可以在每個開關周期采樣輸出電壓，在幾百納秒內(nèi)執(zhí)行A-D轉(zhuǎn)換，執(zhí)行反饋控制算法，并且仍然有足夠的帶寬用于低速控制和發(fā)信。為了靈活性和向后兼容性，內(nèi)置的A-D轉(zhuǎn)換器還可以提供模擬控制輸入，如0-5V或0-10V電壓設置。單獨的控制和信號通常也可以通過連接器引腳和通信總線獲得，這些總線可以從外部進行系統(tǒng)控制，也可以從內(nèi)部連接到電源服務工程師使用。

控制回路和備用帶寬的簡化示例

世界各地的數(shù)字電源

具有數(shù)字控制和信號發(fā)送功能的電源在“智能工廠”應用中實現(xiàn)了自己的功能，在“智能工廠”中，工藝硬件以物聯(lián)網(wǎng)配置互連，以最大限度地提高生產(chǎn)能力和運行效率。邊緣智能、中央監(jiān)控和整體控制的結(jié)合，不僅可以實時調(diào)整參數(shù)以提高過程效率，還可以記錄數(shù)據(jù)以聚合顯示歷史上的故障和瞬態(tài)事件。這反過來又可以預測未來的性能，并設計預防性維護方案以獲得最大的啟動時間。電源供應負荷的報告也可作為能源使用情況和時間的指示，提供有價值的信息，可用于負荷均衡和成本節(jié)約。數(shù)字控制電源也可用于取代自動化測試中專用的實驗室可編程電源，以進一步節(jié)省成本，或用于電源設備老化，在這種情況下，電源電壓的自動“裕度”很容易編程。

雖然使用PMBus^TM命令與DSP芯片的典型通信接口是I²C，但數(shù)字電源通常也可以包括RS232/RS485和更適合工業(yè)環(huán)境的DeviceNet/EtherCat接口。

電源供應商通常會提供硬件和圖形用戶界面（GUI），以便輕松設置電源并監(jiān)控其性能。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）

獨立應用程序

在不需要外部通信和動態(tài)調(diào)整性能的情況下，電源的數(shù)字控制仍然有利于應用。通常，電源供應商可以提供一個解決方案，從標準平臺進行數(shù)字配置，否則就必須是一個定制產(chǎn)品，有效節(jié)省用戶時間和廣泛的資格認證和安全認證成本。如果終端應用程序確實發(fā)生了變化，例如由于產(chǎn)品升級，則可以通過通信接口使用簡單的固件變化來重新配置電源，從而再次節(jié)省可觀的成本并延長電源的使用壽命。

綜上所述，盡管模擬控制仍將在簡單和低功耗應用中占有一席之地，但數(shù)字控制電源，尤其是在高功率情況下，可以實現(xiàn)許多好處，包括增加功能性和靈活性，以及通過在更大的集成系統(tǒng)中降低能耗和延長產(chǎn)品壽命從而節(jié)省潛在成本。