實(shí)時(shí)控制技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)可靠且可擴(kuò)展的高壓設(shè)計(jì)

隨著功率水平需求的提升和現(xiàn)代電源系統(tǒng)的日趨復(fù)雜，對(duì)高壓系統(tǒng)的需求也發(fā)生了重大變化。為了有效滿足這些需求，有必要采用實(shí)時(shí) MCU 或數(shù)字電源控制器來(lái)控制先進(jìn)的電源拓?fù)?，通過這些出色的拓?fù)鋪?lái)同時(shí)滿足精細(xì)的規(guī)格和各種電源要求。本文將討論數(shù)字電源控制在高壓應(yīng)用中的一些優(yōu)勢(shì)，并演示其如何助力先進(jìn)電源系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。

提高系統(tǒng)可靠性并保護(hù)電力電子設(shè)備

可靠性對(duì)于確保高壓系統(tǒng)不間斷運(yùn)行至關(guān)重要。通過為電力電子設(shè)備提供可靠的過壓、過流和熱應(yīng)力保護(hù)，可以延長(zhǎng)元件的使用壽命、提高安全性、降低維護(hù)成本并更大限度減少停機(jī)時(shí)間，從而確保高效可靠的性能，避免意外故障。

過去廉價(jià)而簡(jiǎn)單的分立式模擬產(chǎn)品缺乏必要的靈活性和穩(wěn)健性，無(wú)法大規(guī)模投入使用，特別是在混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車、能源基礎(chǔ)設(shè)施和電力輸送等快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)Ω邏弘娏﹄娮釉O(shè)備的要求越來(lái)越高。

因此，數(shù)字電源在電源拓?fù)溥x擇、系統(tǒng)級(jí)功能和安全保護(hù)等方面的表現(xiàn)更為出色，同時(shí)更大限度減少了項(xiàng)目從原型階段進(jìn)入量產(chǎn)階段而需要分配的設(shè)計(jì)人員總數(shù)。

實(shí)時(shí) MCU 和數(shù)字隔離式電源控制器可以提高此類系統(tǒng)的可靠性。這些器件將更大限度降低檢測(cè)與操作之間的延遲，確保對(duì)負(fù)載變化和干擾做出快速準(zhǔn)確的響應(yīng)。這樣就能提高穩(wěn)定性，降低對(duì)瞬態(tài)事件的易感性，并提升整體性能。

MCU 和數(shù)字電源控制器還能快速檢測(cè)過流、過壓和過熱等故障，并觸發(fā)即時(shí)保護(hù)措施，從而為電力電子設(shè)備提供保護(hù)。這些器件能精確控制電源開關(guān)和調(diào)制方法，在安全范圍內(nèi)優(yōu)化 FET 的性能，并更大限度減少元件應(yīng)力。

夠同時(shí)控制多個(gè)功率級(jí)

現(xiàn)代高壓系統(tǒng)的功率水平和復(fù)雜性不斷提高，這往往意味著一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)要運(yùn)行多個(gè)功率級(jí)。因此，需要一個(gè)功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí) MCU 或數(shù)字控制器來(lái)同時(shí)控制所有這些器件。

一個(gè)示例是用于太陽(yáng)能應(yīng)用的微型逆變器。典型的微型逆變器系統(tǒng)涉及多個(gè)功率級(jí)，包括將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)換為高直流總線電壓并隨后將直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)交流電的直流/直流功率級(jí)。德州儀器的 C2000? 實(shí)時(shí) MCU 可以驅(qū)動(dòng)這些功率級(jí)，同時(shí)提供高級(jí)監(jiān)測(cè)和輔助控制功能?；贕aN的1.6kW雙向微型逆變器參考設(shè)計(jì)有一個(gè)能夠處理所有四個(gè)直流/直流升壓功率級(jí)的 TMS320F280039C MCU，以及一個(gè)轉(zhuǎn)換器-電感器-電感器-電感器-轉(zhuǎn)換器和一個(gè)單相圖騰柱功率因數(shù)校正器 (PFC)。新款 TMS320F28P550SJ 的計(jì)算能力更強(qiáng)，擁有多達(dá) 24 個(gè)脈寬調(diào)制通道和 39 個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道，因此能夠支持六塊甚至更多的光伏電池板。

德州儀器的數(shù)字電源控制器（如 UCD3138A）可用于同時(shí)控制多個(gè)功率級(jí)。一個(gè)示例是服務(wù)器 PSU 等交流/直流應(yīng)用中的功率因數(shù)校正 (PFC)。另一個(gè)示例是適用于 48V 或 12V 等電信電源的高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)多種器件型號(hào)來(lái)支持不同功率水平并滿足不同地區(qū)的需求，使用分立式模擬控制器的經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員必須重新計(jì)算、測(cè)試和驗(yàn)證他們的工作。使用數(shù)字電源控制器，只需一個(gè)器件即可控制整個(gè)系統(tǒng)，并且在不同的項(xiàng)目之間更改電壓和電流閾值等參數(shù)主要通過固件實(shí)現(xiàn)，因此可以節(jié)省設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的寶貴時(shí)間。此外，數(shù)字電源控制器提供額外的靈活性、通信能力和輔助控制功能。為了在運(yùn)行日益復(fù)雜的功率級(jí)時(shí)實(shí)現(xiàn)出色的可靠性和可擴(kuò)展性，數(shù)字電源控制器和實(shí)時(shí) MCU 為需要高壓 FET 的終端設(shè)備提供了多種選擇。

最大化軟件和硬件解決方案的投資

在當(dāng)今的高壓系統(tǒng)中，對(duì)冗余性、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性以及降低工程設(shè)計(jì)活動(dòng)外部依賴性的需求日益增長(zhǎng)。可擴(kuò)展的平臺(tái)應(yīng)通過兼容的硬件和軟件支持各種設(shè)計(jì)。德州儀器提供參考設(shè)計(jì)、評(píng)估模塊、調(diào)試器和程序等資源，幫助客戶在不同應(yīng)用中更快地評(píng)估數(shù)字電源控制器和 MCU，從而降低對(duì)定制電路板開發(fā)的需求。德州儀器還提供用于不同系統(tǒng)配置的軟件庫(kù)和固件示例，旨在加快原型設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)。Fusion Digital Power? Studio 等 GUI 工具能夠快速調(diào)整和優(yōu)化通常需要外部元件才能執(zhí)行的參數(shù)，并支持針對(duì)原型設(shè)計(jì)和量產(chǎn)需求進(jìn)行器件編程。UCD3138A 生態(tài)系統(tǒng)中提供的資源概況如圖 1 所示。

圖1 UCD3138A數(shù)字電源控制器生態(tài)系統(tǒng)

圖2展示了C2000實(shí)時(shí)MCU的生態(tài)系統(tǒng)，其中包括各種應(yīng)用、產(chǎn)品、硬件平臺(tái)、開發(fā)工具和軟件開發(fā)套件。

圖2 C2000實(shí)時(shí)MCU生態(tài)系統(tǒng)

數(shù)字電源控制器與實(shí)時(shí)MCU的不同應(yīng)用場(chǎng)合

適合使用數(shù)字電源控制器的場(chǎng)合：

●   在設(shè)計(jì)中需要數(shù)字技術(shù)的靈活性和輔助控制功能，而不需要完全定制電源控制律，同時(shí)希望利用具有專用反饋環(huán)路的數(shù)字電源外設(shè)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。

●   在應(yīng)用中更希望通過簡(jiǎn)單易用的 GUI 進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，而不是通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓碳_發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的。

●   更希望采用適合電源控制的 ARM 內(nèi)核，并通過雙存儲(chǔ)器組輕松進(jìn)行實(shí)時(shí)固件更新，從而實(shí)現(xiàn)零停機(jī)時(shí)間。

●   適合使用實(shí)時(shí)MCU的場(chǎng)合：

在設(shè)計(jì)中需要精確的自適應(yīng)控制和對(duì)系統(tǒng)狀況的快速響應(yīng)，例如在動(dòng)態(tài)并網(wǎng)逆變器或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。

●  在應(yīng)用中需要執(zhí)行復(fù)雜算法，例如先進(jìn)調(diào)制技術(shù)或預(yù)測(cè)性控制策略。

●   需要無(wú)縫集成外設(shè)、通信接口或復(fù)雜的系統(tǒng)診斷來(lái)實(shí)現(xiàn)全面的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制。

上述要點(diǎn)匯總于圖3中。

圖3 德州儀器電源控制器格局

結(jié)語(yǔ)

建設(shè)更可持續(xù)的未來(lái)取決于電動(dòng)汽車、雙向能量收集和存儲(chǔ)系統(tǒng)以及更高效的數(shù)據(jù)中心等高壓應(yīng)用的增長(zhǎng)，這些應(yīng)用需要先進(jìn)的多級(jí)保護(hù)方案才能充分發(fā)揮其潛力。

借助德州儀器的高壓實(shí)時(shí)控制技術(shù)產(chǎn)品系列，您可以靈活可靠地同時(shí)控制多個(gè)功率級(jí)，并通過配套的生態(tài)系統(tǒng)更大限度提高項(xiàng)目之間的知識(shí)產(chǎn)權(quán)利用率。