电源中的数字控制为工业4.0，物联网应用增添价值

2020-05-30

电源中的数字控制可能意味着不同的事情，从状态/警报的简单数字信号发送和传统模拟控制器的开/关控制（图1）到简单的微控制器增加的更复杂的功能，一直到使用数字信号处理器（DSP）全面实现反馈环路补偿（图2）。最新技术允许在开发和调试过程中灵活地配置电源的特性和性能，并在最终应用中动态配置。

1.该图表示具有简单数字接口的模拟电源。

2.所示为DSP控制的数字电源的框图

尽管DSP芯片的成本要高于专用模拟控制器，但价格却在下降，性能也在不断提高，因此其收益越来越引人注目。对于具有更高价值的产品的更高功率而言尤其如此，在这种情况下，系统的性能提升更为明显，部件成本也不再是问题。

电源设计中的DSP确实需要了解频域中的控制环路稳定性及其在时域中以有效代码实现的知识。但是，人们已经了解了该技术，主流电源制造商正在接受该技术。

但是，需要投资以技能和时间来开发，验证和记录固件，以实现可靠而强大的解决方案。尽管如此，该代码仍可重用，并且可以设计通用硬件平台，并可以对其进行快速软件配置以用于多个应用程序-生产中的真正好处，然后以上市时间和单位成本的节约方式传递给用户。

数字信号处理：功能和优点

电源控制和监视的全数字实现的主要优点是灵活性和针对不同应用调整性能和特性的能力，而这需要传统模拟控制器对硬件进行更改。数字控制回路（图3）还具有不受环境变化和零件值随公差和寿命变化的影响的优点。这样可以更精确地定义性能。

3.控制回路和备用带宽的简化示例。

此外，DSP芯片可以响应系统性能变量。示例包括检测负载特性并优化控制环路以获得很好负载瞬态响应，或动态降低输出电压以减少待机模式下的负载功耗。

输出电压的调节范围可以扩展到很宽的范围，对于更一般的应用，或者根本不知道最终的系统电压，甚至可以从0到105/110％。电流极限同样可以调节，不仅可以调节到“拐点”值，还可以调节其在过载或短路时的特性，可能是“恒定电流”闭锁或“打ic”模式。这在现代高效谐振拓扑中非常重要，在现代拓扑中，所需的多个开关和环路补偿方案难以用传统的模拟控制器来实现。

除了控制反馈环路之外，在数字电源中，还很容易包含许多其他可编程功能，这些功能具有系统优势，需要在模拟实现中进行硬件更改。例如，启动/关闭斜坡速率和多个电源的排序可以通过不同的方案（例如“比率”或“同步”）进行设置。使能输入和信号输出的极性可以任意切换。

可以监视和发出故障和状态条件，例如输入欠压，输出欠压/过压，输出过流和过热。所有阈值都可以调整，必要时可以动态调整。例如，如果“实时”将输出电压调高，则过压检测阈值也可以调高。

此外，可以在发出信号和结果动作发生变化之前，以可变的延迟来编程对警告的响应。可能只涉及在指定的时间间隔内以指定的重试次数记录事件的发生或停机，或者针对更严重的事件（例如持续的输出过压）立即闭锁。DSP芯片中的非易失性存储器不仅可以用于控制算法和响应特性的查找表，还可以记录其他信息，例如模型和构建标准，序列号，运行时间以及温度记录的事件日志和故障/警告。

具有DSP功能的最新微控制器具有这种功能，因为它们足够快，可以在每个开关周期采样输出电压，在几百纳秒内执行模数转换，执行反馈控制算法，并且仍然具有足够的功能。带宽，用于较慢的速度控制和信令。为了实现灵活性和向后兼容性，内置的模数转换器（ADC）还可以提供模拟控制输入，例如0至5 V或0至10 V的电压设置。

此外，通常在连接器引脚上以及通过通信总线都可以使用单独的控件和信号。可以从外部访问总线以进行系统控制，也可以从内部访问总线以供服务工程师使用。

广阔世界中的数字电源

具有数字控制和信号发送功能的电源在“智能工厂”应用中自成一体。在这里，过程硬件以IoT配置进行互连，以实时最大化生产能力和效率。

“边缘”智能与中央监控和整体控制相结合，不仅可以实时调整参数以提高过程效率，而且还可以记录数据以汇总显示历史上的故障和瞬态事件。反过来，这可以预测未来的性能并设计预防性维护方案，以实现最长的正常运行时间。

报告电源负载也可以用作能源使用情况的指示，以及在什么时候提供有关负载均衡和成本节省的有价值的信息。最重要的是，在自动化测试中，数字控制电源可以代替专用的实验室可编程电源，以进一步节省成本，或者可以轻松地对电源电压的自动“余量”进行编程，以解决设备老化问题。

尽管与DSP芯片的典型通信接口是使用PMBus命令的I 2 C，但数字电源通常还包括更适合于工业环境的RS-232 / RS-485和DeviceNet / EtherCAT接口。

通常，电源供应商将提供硬件和图形用户界面（GUI），以轻松设置电源并监视其性能（图4）。

4.这是XP Power的HPT系列数字电源的GUI。

独立应用

电源的数字控制仍然可以使不需要外部通信的应用受益，并且动态调整性能不会带来任何优势。潜在的是，电源供应商可以提供一种从标准平台进行数字配置的解决方案，否则该解决方案必须是定制产品，从而节省了用户时间以及大量的认证和安全认证成本。如果最终应用程序确实由于例如产品升级而发生更改，则可以通过通信接口通过简单的固件更改来重新配置电源，从而再次节省了可观的成本并延长了电源的使用寿命。

综上所述，尽管模拟控制仍将在简单和低功耗应用中占据一席之地，但数字控制电源（尤其是更高功率的电源）具有许多优势：更大的集成系统中的能耗降低，从而增加了功能和灵活性，并可能节省成本延长产品寿命。