電源中的數字控制為工業4.0和物聯網應用增添價值

摘要

具有數字控制的電源在設備和系統級別上有許多好處。電源性能可以在安裝和運行中動態優化應用，更廣泛的系統控制和監測電源特性以實現高效集成。“互聯”制造業，如工業4.0或“第四次工業革命”，尤其受益于物聯網（IoT）。

本文解釋了電源中的數字控制是什么，以及獨立和連接應用程序中提供的好處。

背景

電源中的數字控制可能意味著不同的事情，從簡單的狀態/警報數字信號和傳統模擬控制器的開/關控制，通過簡單的微控制器添加更復雜的功能，一直到用數字信號處理器（DSP）完全實現反饋回路補償。最新技術允許在開發和調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配置。

具有簡單數字接口的模擬電源

DSP控制的數字電源

雖然數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，因此其優點越來越引人注目。這尤其適用于具有更高價值產品的更高功率，在這種情況下，系統性能改善更為明顯，而組件成本則不是問題所在。

在電源設計中，數字信號處理器（DSP）確實需要在頻域中了解控制回路的穩定性，以及如何在時域中以有效的代碼實現控制回路，但這些技術已經被理解，主流電源制造商正在接受這項技術。雖然需要在開發、驗證和記錄固件以實現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-這在生產中是一個真正的好處，可以將面世時間和單價成本經濟傳遞給使用人員。

數字信號處理的特點和優點

電源控制和監控的全數字實現的主要優點是靈活性和針對不同應用調整性能和特性的能力，這需要對傳統模擬控制器進行硬件更改。數字控制回路還具有對環境變化和組件值隨耐受性和年齡變化免疫的優點。這樣可以更精確地定義性能。DSP芯片還可以響應系統性能變量，例如檢測負載特性和優化控制回路以獲得最佳負載瞬態響應或動態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電壓根本不知道。電流限制同樣是可調的，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。這在現代高效諧振拓撲中是很重要的，在這種拓撲中，用傳統的模擬控制器來實現所需的多重開關和環路補償方案是不實際的復雜。

在數字電源中，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，這些功能具有系統優點，這將導致模擬實現中的硬件更改。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。故障和狀態可被監測和信號，如輸入欠壓、輸出欠壓/過壓、輸出過流和過溫。如有必要，可以動態調整所有閾值。例如，如果輸出電壓“動態”調整得更高，過電壓檢測閾值也可以調整得更高。

對警告的響應也可以在發出信號之前用可變延遲進行編程，并且所產生的動作也可以變化，可能只是記錄發生或關機的情況，并在指定的時間間隔內進行指定次數的重新嘗試，或者對于更嚴重的事件（例如持續輸出過電壓）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，在幾百納秒內執行A-D轉換，執行反饋控制算法，并且仍然有足夠的帶寬用于低速控制和發信。為了靈活性和向后兼容性，內置的A-D轉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控制，也可以從內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

世界各地的數字電源

具有數字控制和信號發送功能的電源在“智能工廠”應用中實現了自己的功能，在“智能工廠”中，工藝硬件以物聯網配置互連，以最大限度地提高生產能力和運行效率。邊緣智能、中央監控和整體控制的結合，不僅可以實時調整參數以提高過程效率，還可以記錄數據以聚合顯示歷史上的故障和瞬態事件。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約。數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，但數字電源通常也可以包括RS232/RS485和更適合工業環境的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控其性能。下面是一個典型的例子。

 XP的HPT系列數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調整性能的情況下，電源的數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，從標準平臺進行數字配置，否則就必須是一個定制產品，有效節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生了變化，例如由于產品升級，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，但數字控制電源，尤其是在高功率情況下，可以實現許多好處，包括增加功能性和靈活性，以及通過在更大的集成系統中降低能耗和延長產品壽命從而節省潛在成本。