電源中的數(shù)字控制為工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用增添價(jià)值

摘要

具有數(shù)字控制的電源在設(shè)備和系統(tǒng)級(jí)別上有許多好處。電源性能可以在安裝和運(yùn)行中動(dòng)態(tài)優(yōu)化應(yīng)用，更廣泛的系統(tǒng)控制和監(jiān)測電源特性以實(shí)現(xiàn)高效集成?！盎ヂ?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(dú)立和連接應(yīng)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(bào)數(shù)字信號(hào)和傳統(tǒng)模擬控制器的開/關(guān)控制，通過簡單的微控制器添加更復(fù)雜的功能，一直到用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）完全實(shí)現(xiàn)反饋回路補(bǔ)償。最新技術(shù)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(yīng)用程序中動(dòng)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(hào)處理器芯片比專用模擬控制器的成本更高，但價(jià)格在下降，性能也在提高，因此其優(yōu)點(diǎn)越來越引人注目。這尤其適用于具有更高價(jià)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(shè)計(jì)中，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）確實(shí)需要在頻域中了解控制回路的穩(wěn)定性，以及如何在時(shí)域中以有效的代碼實(shí)現(xiàn)控制回路，但這些技術(shù)已經(jīng)被理解，主流電源制造商正在接受這項(xiàng)技術(shù)。雖然需要在開發(fā)、驗(yàn)證和記錄固件以實(shí)現(xiàn)可靠和健壯的解決方案的技能和時(shí)間上進(jìn)行投資，但代碼是可重用的，并且可以設(shè)計(jì)通用硬件平臺(tái)，以便為多個(gè)應(yīng)用程序快速配置軟件-這在生產(chǎn)中是一個(gè)真正的好處，可以將面世時(shí)間和單價(jià)成本經(jīng)濟(jì)傳遞給使用人員。

數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

電源控制和監(jiān)控的全數(shù)字實(shí)現(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是靈活性和針對(duì)不同應(yīng)用調(diào)整性能和特性的能力，這需要對(duì)傳統(tǒng)模擬控制器進(jìn)行硬件更改。數(shù)字控制回路還具有對(duì)環(huán)境變化和組件值隨耐受性和年齡變化免疫的優(yōu)點(diǎn)。這樣可以更精確地定義性能。DSP芯片還可以響應(yīng)系統(tǒng)性能變量，例如檢測負(fù)載特性和優(yōu)化控制回路以獲得最佳負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)或動(dòng)態(tài)降低輸出電壓以減少待機(jī)模式下的負(fù)載功耗。

輸出電壓的調(diào)整可以擴(kuò)展到更廣泛的范圍，甚至0-105/110%的更一般的應(yīng)用或當(dāng)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?fù)渲惺呛苤匾?，在這種拓?fù)渲校脗鹘y(tǒng)的模擬控制器來實(shí)現(xiàn)所需的多重開關(guān)和環(huán)路補(bǔ)償方案是不實(shí)際的復(fù)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(diǎn)，這將導(dǎo)致模擬實(shí)現(xiàn)中的硬件更改。例如，多個(gè)電源的啟動(dòng)/關(guān)閉斜坡速率和順序可通過不同的方案設(shè)置，如“比率”或同時(shí)；啟用輸入和信號(hào)輸出的極性可隨意切換。故障和狀態(tài)可被監(jiān)測和信號(hào)，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(dòng)態(tài)調(diào)整所有閾值。例如，如果輸出電壓“動(dòng)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(duì)警告的響應(yīng)也可以在發(fā)出信號(hào)之前用可變延遲進(jìn)行編程，并且所產(chǎn)生的動(dòng)作也可以變化，可能只是記錄發(fā)生或關(guān)機(jī)的情況，并在指定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行指定次數(shù)的重新嘗試，或者對(duì)于更嚴(yán)重的事件（例如持續(xù)輸出過電壓）立即關(guān)閉。DSP芯片中的非易失性存儲(chǔ)器不僅可用于控制算法和作為響應(yīng)特性的查找表，還可用于記錄其他信息，例如模型和構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)、序列號(hào)、運(yùn)行時(shí)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?yàn)樗鼈冏銐蚩欤梢栽诿總€(gè)開關(guān)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(shè)置。單獨(dú)的控制和信號(hào)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(jìn)行系統(tǒng)控制，也可以從內(nèi)部連接到電源服務(wù)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(hào)發(fā)送功能的電源在“智能工廠”應(yīng)用中實(shí)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(yùn)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(shí)時(shí)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(yù)測未來的性能，并設(shè)計(jì)預(yù)防性維護(hù)方案以獲得最大的啟動(dòng)時(shí)間。電源供應(yīng)負(fù)荷的報(bào)告也可作為能源使用情況和時(shí)間的指示，提供有價(jià)值的信息，可用于負(fù)荷均衡和成本節(jié)約。數(shù)字控制電源也可用于取代自動(dòng)化測試中專用的實(shí)驗(yàn)室可編程電源，以進(jìn)一步節(jié)省成本，或用于電源設(shè)備老化，在這種情況下，電源電壓的自動(dòng)“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(yīng)商通常會(huì)提供硬件和圖形用戶界面（GUI），以便輕松設(shè)置電源并監(jiān)控其性能。下面是一個(gè)典型的例子。

 XP的HPT系列數(shù)字電源的圖形用戶界面（GUI）

獨(dú)立應(yīng)用程序

在不需要外部通信和動(dòng)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(yīng)用。通常，電源供應(yīng)商可以提供一個(gè)解決方案，從標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字配置，否則就必須是一個(gè)定制產(chǎn)品，有效節(jié)省用戶時(shí)間和廣泛的資格認(rèn)證和安全認(rèn)證成本。如果終端應(yīng)用程序確實(shí)發(fā)生了變化，例如由于產(chǎn)品升級(jí)，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(yīng)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(shí)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。