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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(jià)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(bào)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(fù)雜的功能，一直到使用數(shù)字信號處理器（DSP）全面實(shí)現(xiàn)反饋環(huán)路補(bǔ)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(dòng)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(jià)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(jià)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(jì)中的DSP確實(shí)需要了解頻域中的控制環(huán)路穩(wěn)定性及其在時(shí)域中以有效代碼實(shí)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(shí)間來開發(fā)，驗(yàn)證和記錄固件，以實(shí)現(xiàn)可靠而強(qiáng)大的解決方案。盡管如此，該代碼仍可重用，并且可以設(shè)計(jì)通用硬件平臺，并可以對其進(jìn)行快速軟件配置以用于多個(gè)應(yīng)用程序-生產(chǎn)中的真正好處，然后以上市時(shí)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(diǎn)
電源控制和監(jiān)視的全數(shù)字實(shí)現(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)。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(fù)載特性并優(yōu)化控制環(huán)路以獲得很好負(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)節(jié)范圍可以擴(kuò)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(diǎn)”值，還可以調(diào)節(jié)其在過載或短路時(shí)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?fù)渲蟹浅Ｖ匾?，在現(xiàn)代拓?fù)渲?，所需的多個(gè)開關(guān)和環(huán)路補(bǔ)償方案難以用傳統(tǒng)的模擬控制器來實(shí)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(shí)現(xiàn)中進(jìn)行硬件更改。例如，啟動(dòng)/關(guān)閉斜坡速率和多個(gè)電源的排序可以通過不同的方案（例如“比率”或“同步”）進(jìn)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(shí)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整。例如，如果“實(shí)時(shí)”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(dòng)作發(fā)生變化之前，以可變的延遲來編程對警告的響應(yīng)?？赡苤簧婕霸谥付ǖ臅r(shí)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(jī)，或者針對更嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)，序列號，運(yùn)行時(shí)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?yàn)樗鼈冏銐蚩?，可以在每個(gè)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(shí)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(dú)的控件和信號?？梢詮耐獠吭L問總線以進(jìn)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(jìn)行互連，以實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(yù)測未來的性能并設(shè)計(jì)預(yù)防性維護(hù)方案，以實(shí)現(xiàn)最長的正常運(yùn)行時(shí)間。
報(bào)告電源負(fù)載也可以用作能源使用情況的指示，以及在什么時(shí)候提供有關(guān)負(fù)載均衡和成本節(jié)省的有價(jià)值的信息。最重要的是，在自動(dòng)化測試中，數(shù)字控制電源可以代替專用的實(shí)驗(yàn)室可編程電源，以進(jìn)一步節(jié)省成本，或者可以輕松地對電源電壓的自動(dòng)“余量”進(jìn)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(dú)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(dòng)態(tài)調(diào)整性能不會(huì)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(biāo)準(zhǔn)平臺進(jìn)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(shí)間以及大量的認(rèn)證和安全認(rèn)證成本。如果最終應(yīng)用程序確實(shí)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。