电源中的数字控制，对工业4.0和物联网应用的好处？-电子产品世界论坛

电源中的数字控制，对工业4.0和物联网应用的好处？

助工

2020-04-18 16:21:52 评分

具有数字控制的电源在设备和系统级别上有许多好处。电源性能可以在安装和运行中动态优化应用，更广泛的系统控制和监测电源特性以实现高效集成。“互联”制造业，如工业4.0或“第四次工业革命”，尤其受益于物联网（IoT）。本文解释了电源中的数字控制是什么，以及独立和连接应用程序中提供的好处。背景介绍电源中的数字控制可能意味着不同的事情，从简单的状态/警报数字信号和传统模拟控制器的开/关控制，通过简单的微控制器添加更复杂的功能，一直到用数字信号处理器（DSP）完全实现反馈回路补偿。最新技术允许在开发和调试期间灵活配置电源的特性和性能，并在最终应用程序中动态配置。

具有简单数字接口的模拟电源

DSP控制的数字电源虽然数字信号处理器芯片比专用模拟控制器的成本更高，但价格在下降，性能也在提高，因此其优点越来越引人注目。这尤其适用于具有更高价值产品的更高功率，在这种情况下，系统性能改善更为明显，而组件成本则不是问题所在。在电源设计中，数字信号处理器（DSP）确实需要在频域中了解控制回路的稳定性，以及如何在时域中以有效的代码实现控制回路，但这些技术已经被理解，主流电源制造商正在接受这项技术。虽然需要在开发、验证和记录固件以实现可靠和健壮的解决方案的技能和时间上进行投资，但代码是可重用的，并且可以设计通用硬件平台，以便为多个应用程序快速配置软件——这在生产中是一个真正的好处，可以将面世时间和单价成本经济传递给使用人员。数字信号处理的优点电源控制和监控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，这需要对传统模拟控制器进行硬件更改。数字控制回路还具有对环境变化和组件值随耐受性和年龄变化免疫的优点。这样可以更精确地定义性能。DSP芯片还可以响应系统性能变量，例如检测负载特性和优化控制回路以获得最佳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。输出电压的调整可以扩展到更广泛的范围，甚至0-105/110%的更一般的应用或当最终的最佳系统电压根本不知道时的应用。电流限制同样是可调的，不仅在“膝”值，而且在过载或短路，可能是“恒定电流”闭锁或“打嗝”模式下的特性。这在现代高效谐振拓扑中是很重要的，在这种拓扑中，用传统的模拟控制器来实现所需的多重开关和环路补偿方案是不实际的复杂。在数字电源中，除了控制反馈回路外，还可以很容易地包括许多其他可编程功能，这些功能具有系统优点，这将导致模拟实现中的硬件更改。例如，多个电源的启动/关闭斜坡速率和顺序可通过不同的方案设置，如“比率”或同时；启用输入和信号输出的极性可随意切换。故障和状态可被监测和信号，如输入欠压、输出欠压/过压、输出过流和过温。如有必要，可以动态调整所有阈值。例如，如果输出电压“动态”调整得更高，过电压检测阈值也可以调整得更高。对警告的响应也可以在发出信号之前用可变延迟进行编程，并且所产生的动作也可以变化，可能只是记录发生或关机的情况，并在指定的时间间隔内进行指定次数的重新尝试，或者对于更严重的事件（例如持续输出过电压）立即关闭。DSP芯片中的非易失性存储器不仅可用于控制算法和作为响应特性的查找表，还可用于记录其他信息，例如模型和构建标准、序列号、运行时间以及温度记录和故障/警告的事件日志。最新的具有DSP功能的微控制器允许这种程度的功能，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A-D转换，执行反馈控制算法，并且仍然有足够的带宽用于低速控制和发信。为了灵活性和向后兼容性，内置的A-D转换器还可以提供模拟控制输入，如0-5V或0-10V电压设置。单独的控制和信号通常也可以通过连接器引脚和通信总线获得，这些总线可以从外部进行系统控制，也可以从内部连接到电源服务工程师使用。

控制回路和备用带宽的简化示例世界各地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”应用中实现了自己的功能，在“智能工厂”中，工艺硬件以物联网配置互连，以最大限度地提高生产能力和运行效率。边缘智能、中央监控和整体控制的结合，不仅可以实时调整参数以提高过程效率，还可以记录数据以聚合显示历史上的故障和瞬态事件。这反过来又可以预测未来的性能，并设计预防性维护方案以获得最大的启动时间。电源供应负荷的报告也可作为能源使用情况和时间的指示，提供有价值的信息，可用于负荷均衡和成本节约。数字控制电源也可用于取代自动化测试中专用的实验室可编程电源，以进一步节省成本，或用于电源设备老化，在这种情况下，电源电压的自动“裕度”很容易编程。虽然使用PMBusTM命令与DSP芯片的典型通信接口是I 2C，但数字电源通常也可以包括RS232/RS485和更适合工业环境的DeviceNet/EtherCat接口。电源供应商通常会提供硬件和图形用户界面（GUI），以便轻松设置电源并监控其性能。下面是一个典型的例子。

XP的HPT系列数字电源的图形用户界面（GUI）独立应用程序在不需要外部通信和动态调整性能的情况下，电源的数字控制仍然有利于应用。通常，电源供应商可以提供一个解决方案，从标准平台进行数字配置，否则就必须是一个定制产品，有效节省用户时间和广泛的资格认证和安全认证成本。如果终端应用程序确实发生了变化，例如由于产品升级，则可以通过通信接口使用简单的固件变化来重新配置电源，从而再次节省可观的成本并延长电源的使用寿命。综上所述，尽管模拟控制仍将在简单和低功耗应用中占有一席之地，但数字控制电源，尤其是在高功率情况下，可以实现许多好处，包括增加功能性和灵活性，以及通过在更大的集成系统中降低能耗和延长产品寿命从而节省潜在成本。