物联网在中的应用_电源中的数字控制支持工业4.0、物联网和应用特定要求

数字信号处理( DSP )控制在电源和电源系统中的应用带来了巨大的益处。 从通信和控制到支持网络化的工厂和高效智能制造，被称为工业4.0、第四次工业革命或更广泛的物联网( IOT )，通过在终端设备内的通信和控制和切断，实现独立应用的灵活性和效率，在终端设备开发阶段供电

本节介绍将电源和电源系统集成到连接的应用程序和设备中时，真正的数字控制背景、可能性和优势。

背景

电源和电源系统中的数字控制大致可分为两种实现方式。 更一般的方法是在传统的模拟控制系统和外部世界之间建立数字接口，通过通信总线提供信号、报警和各种级别的控制。

带数字接口的模拟电源

简单、低成本的微控制器也在风扇转速控制、保护功能、警报检测等电力应用方面实现了多年的功能。

越来越多的厂商使用数字信号处理( DSP )通过微控制器进行电力系统控制，带来更高级的功能，大幅度提高灵活性，实现了用户可编程的特性和特征。

数字电源

确实，数字信号处理器的成本比现有模拟控制器高，但是随着时间的推移，能够实现整个数字信号处理器控制的微控制器的成本降低越来越成为吸引人的且优选的解决方案。 其提供了显着的优势，特别是随着额定功率的增加。 必要的混合域架构将电力仿真设计原理与离散时域或z域(不是频域或s域)的有效代码与控制电路的稳定性相结合，对主要电力制造商的产品设计和开发团队进行了充分的证明和理解。

开发、记录、验证和批准高效且可靠的固件需要大量的时间和资源来确保可靠的电源，但是初步投资可以实现数字电源的显着优势，在一系列产品和平台上重复使用固件并进行更改

数控电路的优点是对环境、温度、老化、零件公差的变化不敏感。 在制造点进行校准，可以进一步提高精度，实时监测电源系统的性能，调整参数，在工作点进行最佳性能调整，可以提高效率，减少功耗。

数字信号处理( DSP )的特点与优势

全数字电源提供无与伦比的灵活性和可调整性，以满足广泛的应用程序，而无需更改或调整传统模拟控制系统所要求的硬件。

数字信号处理器( DSP )控制电路根据需要调整转换器的操作模式以使输出电压和电流的调节范围为0-105-110%。 这些简化了恒流过载特性的实现，并且在现代谐振开关拓扑中，恒流过载特性复杂且昂贵，不必牺牲效率。 这需要在相同的功率转换阶段采用多个开关方式和控制算法来在需要的动作点实现最佳性能，这是非常复杂的任务。如果不能，在具有现有的固定硬件驱动和补偿方式的模拟控制方式中也是同样的。 这些广泛的控制可以作为可持续变化的电源来实现，以最大限度地提高系统灵活性和效率，或者在系统开发阶段优化应用程序的供应特性，而无需硬件更新。

在DSP中，作为改变传统控制系统硬件的另一个特性，也可以通过软件来确定启动斜坡时间、软启动特性和旋转速率。

用户可通过软件设定输入过电压/欠电压、输出过电压/欠电压、输出欠电流/过电流、温度警报和故障条件等警报等级和故障条件，以适应应用。 使用DSP，用户还可指定应用于单个警告或故障条件的响应的类型和延迟时间。 根据警告或故障情况，可能会有不同的选项，例如在稍微延迟操作后禁用、无限期继续、禁用和重试(包括重试次数和关闭之前的重试时间间隔)，或者在禁用和锁定时禁用和重新启动。 所有功能都由用户选择。

在数字控制系统中，用户还可以设置信号、警报和控制极性以满足系统的需要。 一个好例子是通过切换数字开关来禁用或启用远程开/关控制。

通过通信接口随时可以从电源系统获取信息，以用于报告和状态，包括型号、版本、序列号、正常工作时间、工作温度、故障/事件日志等。

数字电源应用的最新微控制器包括DSP功能，因此灵活性和用户控制级别是可能的，数字控制环路是交换周期的极小部分，可以按交换周期运行。 在以下简化实例中，对输出电压每开关周期取样一次。 典型的ADC转换时间是几百纳秒。

控制电路和备份带宽的简化示例

MCU可用于执行控制器的空闲带宽以执行其它任务或功能。 低优先级任务以低速循环运行，如果发生高优先级任务，则会发生中断。 例如，发生ADC中断并执行控制环路代码。

电源使用模数转换器( ADC )，数字电源的模拟控制通常也适用于使用传统0-5V或0-10V控制信号的系统，所有警报和控制都通过通常的连接和通信总线进行。

系统连接

随着互联、智能化工厂和物联网应用的兴起，通信和控制变得越来越重要，这些应用从电源系统的实时状态信息和调整和控制输入中受益，使实时调整成为可能，在最大限度提高效率的过程中正确的电源

数字电源产品可实时调整输出电压、电流、电力传输，最大限度地提高敏感过程和测试应用的系统效率，并报告警告、故障条件、电力传输信息、运行时间、温度数据和事件日志。

从典型的I2C/PMBUS和RS232/RS485串行总线到支持设施网络和以太网的接口解决方案，您可以使用数字接口和方法来满足不同的环境、应用程序和请求。

并非所有终端应用需要与外部世界通信，但是在终端设备内与电力系统的参数通信和协调的能力增强了功能和操作特性，并且可以通过将传统的固定输出电源需要的外部硬件控制替换掉来节约成本。 支持数字信号处理器的电源可以支持动态的输出电压、电流和电源输出请求。 这些要求通常与成本更高的实验室电源有关，可以在可接受的范围内直接从经济实惠的电源执行复杂的测试、退化和处理步骤。

独立应用程序

对于不需要外部或内部通信的终端设备，调整电源以适应应用程序，简化集成并消除特定于应用程序的解决方案(需要更改标准电源或定制电源解决方案)的需求仍然有好处。

输出电压、输出电流、功率输出、警告、警报、保护和控制可以在开发阶段进行调整、评价、修改和最终决定，在固件中创建自己的特性集，供电供应商在最终设备的生产阶段实施。 这些功能的重复性可以在同一标准产品中实现，与传统电源产品所需的硬件更改相比，节省了相当多的时间和成本。

使用模拟控制进行电压或电流调节的终端应用从报警和控制信号的警告和故障条件设置、响应和极性设置的重新确定能力中获益，可以完全定制或定制与EMC和法规遵从性授权相关的时间延迟、风险和成本

数字电源制造商通常提供图形用户界面( GUI )，以帮助定义用于此目的的要求并快速评估连接到应用程序的能力。 下面是一个典型的例子。

XP的HPT系列数字电源图形用户界面( GUI )

换句话说，大多数电源和电源系统通常具有更高功率(1kW+ )的应用，以实现DSP控制的许多显而易见的优点，从而节省了灵活性、时间和成本。 在简单、低功耗的应用中，可能过于复杂且成本高昂，标准现成模拟控制器很快上市，同时一般拓扑的收购成本也很低。