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電源中的數(shù)字控制為工業(yè)4.0，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用增添價值
電源中的數(shù)字控制可能意味著不同的事情，從狀態(tài)/警報的簡單數(shù)字信號發(fā)送和傳統(tǒng)模擬控制器的開/關(guān)控制（圖1）到簡單的微控制器增加的更復雜的功能，一直到使用數(shù)字信號處理器（DSP）全面實現(xiàn)反饋環(huán)路補償（圖2）。最新技術(shù)允許在開發(fā)和調(diào)試過程中靈活地配置電源的特性和性能，并在最終應(yīng)用中動態(tài)配置。
1.該圖表示具有簡單數(shù)字接口的模擬電源。
2.所示為DSP控制的數(shù)字電源的框圖
盡管DSP芯片的成本要高于專用模擬控制器，但價格卻在下降，性能也在不斷提高，因此其收益越來越引人注目。對于具有更高價值的產(chǎn)品的更高功率而言尤其如此，在這種情況下，系統(tǒng)的性能提升更為明顯，部件成本也不再是問題。
電源設(shè)計中的DSP確實需要了解頻域中的控制環(huán)路穩(wěn)定性及其在時域中以有效代碼實現(xiàn)的知識。但是，人們已經(jīng)了解了該技術(shù)，主流電源制造商正在接受該技術(shù)。
但是，需要投資以技能和時間來開發(fā)，驗證和記錄固件，以實現(xiàn)可靠而強大的解決方案。盡管如此，該代碼仍可重用，并且可以設(shè)計通用硬件平臺，并可以對其進行快速軟件配置以用于多個應(yīng)用程序-生產(chǎn)中的真正好處，然后以上市時間和單位成本的節(jié)約方式傳遞給用戶。
數(shù)字信號處理：功能和優(yōu)點
電源控制和監(jiān)視的全數(shù)字實現(xiàn)的主要優(yōu)點是靈活性和針對不同應(yīng)用調(diào)整性能和特性的能力，而這需要傳統(tǒng)模擬控制器對硬件進行更改。數(shù)字控制回路（圖3）還具有不受環(huán)境變化和零件值隨公差和壽命變化的影響的優(yōu)點。這樣可以更精確地定義性能。
3.控制回路和備用帶寬的簡化示例。
此外，DSP芯片可以響應(yīng)系統(tǒng)性能變量。示例包括檢測負載特性并優(yōu)化控制環(huán)路以獲得很好負載瞬態(tài)響應(yīng)，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)節(jié)范圍可以擴展到很寬的范圍，對于更一般的應(yīng)用，或者根本不知道最終的系統(tǒng)電壓，甚至可以從0到105/110％。電流極限同樣可以調(diào)節(jié)，不僅可以調(diào)節(jié)到“拐點”值，還可以調(diào)節(jié)其在過載或短路時的特性，可能是“恒定電流”閉鎖或“打ic”模式。這在現(xiàn)代高效諧振拓撲中非常重要，在現(xiàn)代拓撲中，所需的多個開關(guān)和環(huán)路補償方案難以用傳統(tǒng)的模擬控制器來實現(xiàn)。
除了控制反饋環(huán)路之外，在數(shù)字電源中，還很容易包含許多其他可編程功能，這些功能具有系統(tǒng)優(yōu)勢，需要在模擬實現(xiàn)中進行硬件更改。例如，啟動/關(guān)閉斜坡速率和多個電源的排序可以通過不同的方案（例如“比率”或“同步”）進行設(shè)置。使能輸入和信號輸出的極性可以任意切換。
可以監(jiān)視和發(fā)出故障和狀態(tài)條件，例如輸入欠壓，輸出欠壓/過壓，輸出過流和過熱。所有閾值都可以調(diào)整，必要時可以動態(tài)調(diào)整。例如，如果“實時”將輸出電壓調(diào)高，則過壓檢測閾值也可以調(diào)高。
此外，可以在發(fā)出信號和結(jié)果動作發(fā)生變化之前，以可變的延遲來編程對警告的響應(yīng)。可能只涉及在指定的時間間隔內(nèi)以指定的重試次數(shù)記錄事件的發(fā)生或停機，或者針對更嚴重的事件（例如持續(xù)的輸出過壓）立即閉鎖。DSP芯片中的非易失性存儲器不僅可以用于控制算法和響應(yīng)特性的查找表，還可以記錄其他信息，例如模型和構(gòu)建標準，序列號，運行時間以及溫度記錄的事件日志和故障/警告。
具有DSP功能的最新微控制器具有這種功能，因為它們足夠快，可以在每個開關(guān)周期采樣輸出電壓，在幾百納秒內(nèi)執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，執(zhí)行反饋控制算法，并且仍然具有足夠的功能。帶寬，用于較慢的速度控制和信令。為了實現(xiàn)靈活性和向后兼容性，內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）還可以提供模擬控制輸入，例如0至5 V或0至10 V的電壓設(shè)置。
此外，通常在連接器引腳上以及通過通信總線都可以使用單獨的控件和信號。可以從外部訪問總線以進行系統(tǒng)控制，也可以從內(nèi)部訪問總線以供服務(wù)工程師使用。
廣闊世界中的數(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(yīng)用中自成一體。在這里，過程硬件以IoT配置進行互連，以實時最大化生產(chǎn)能力和效率。
“邊緣”智能與中央監(jiān)控和整體控制相結(jié)合，不僅可以實時調(diào)整參數(shù)以提高過程效率，而且還可以記錄數(shù)據(jù)以匯總顯示歷史上的故障和瞬態(tài)事件。反過來，這可以預測未來的性能并設(shè)計預防性維護方案，以實現(xiàn)最長的正常運行時間。
報告電源負載也可以用作能源使用情況的指示，以及在什么時候提供有關(guān)負載均衡和成本節(jié)省的有價值的信息。最重要的是，在自動化測試中，數(shù)字控制電源可以代替專用的實驗室可編程電源，以進一步節(jié)省成本，或者可以輕松地對電源電壓的自動“余量”進行編程，以解決設(shè)備老化問題。
盡管與DSP芯片的典型通信接口是使用PMBus命令的I 2 C，但數(shù)字電源通常還包括更適合于工業(yè)環(huán)境的RS-232 / RS-485和DeviceNet / EtherCAT接口。
通常，電源供應(yīng)商將提供硬件和圖形用戶界面（GUI），以輕松設(shè)置電源并監(jiān)視其性能（圖4）。
4.這是XP Power的HPT系列數(shù)字電源的GUI。
獨立應(yīng)用
電源的數(shù)字控制仍然可以使不需要外部通信的應(yīng)用受益，并且動態(tài)調(diào)整性能不會帶來任何優(yōu)勢。潛在的是，電源供應(yīng)商可以提供一種從標準平臺進行數(shù)字配置的解決方案，否則該解決方案必須是定制產(chǎn)品，從而節(jié)省了用戶時間以及大量的認證和安全認證成本。如果最終應(yīng)用程序確實由于例如產(chǎn)品升級而發(fā)生更改，則可以通過通信接口通過簡單的固件更改來重新配置電源，從而再次節(jié)省了可觀的成本并延長了電源的使用壽命。
綜上所述，盡管模擬控制仍將在簡單和低功耗應(yīng)用中占據(jù)一席之地，但數(shù)字控制電源（尤其是更高功率的電源）具有許多優(yōu)勢：更大的集成系統(tǒng)中的能耗降低，從而增加了功能和靈活性，并可能節(jié)省成本延長產(chǎn)品壽命。