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软件定义电源让用户可控

2023-03-02 14:45:46 Caleb Lander 阅读:
传统上,AC/DC电源设计只能针对特定负载和线路条件进行优化。这源于在常用固定频率下的经典模拟控制和简单脉宽调制技术,这些限制通常会导致在极端工作范围内产生更高的元器件应力。

传统上,AC/DC电源设计只能针对特定负载和线路条件进行优化。这源于在常用固定频率下的经典模拟控制和简单脉宽调制技术,这些限制通常会导致在极端工作范围内产生更高的元器件应力。电源供应器(PSU)的数据手册通常显示会在低输入电压下发生严重降额,并会将输出限制为固定值,最多可以对其调整±10%。可调至零输出电压的操作和真正、准确的恒流输出,通常仅限于昂贵的实验室用品,这些用品也不必做得特别紧凑或高效。同样,设计中会将控制回路响应、过载反应和故障检测阈值等特性与任何控制和监控信号电平、功能和极性一起“融入”进来。其结果是用户不得不在可用的电源周围工作,找到最佳折衷方案,然后为不同的产品储备各种类型的电源。bnjednc

对于既定的终端产品,升级和更改可能仅限于电源允许的范围——即使需要对输出电压进行小幅调整,也可能需要对电源系统设计进行重大重新规范。许多应用还特别要求PSU以某种方式可变,LED恒流负载通常需要可调光,或者电解过程的输出电压可能需要可编程以确定反应速率。在这些情况下,解决方案通常是昂贵的定制设计。bnjednc

客户不应期望电源将决定他们的最终产品可以实现什么,因此PSU供应商一直试图使他们的产品尽可能多才多艺。然而,过去可用的技术迫使人们在价格或其他一些性能参数(例如尺寸或效率)方面做出权衡。现在,由于许多充分的理由,高功率密度成为主要指令,权衡可能是不可接受的。bnjednc

“数字”和真正的数字电源转换

当“数字”电源第一次出现时,它们似乎承诺了“软件控制”电源的灵活性,但第一批产品只是具有连接分立电子设备和模拟控制器的数字接口。这样只能更容易地访问有关产品行为的信息,而不能提高其多功能性。在过去几年中,设计技术和半导体技术的进步提高了效率和功率密度,因此线路和负载变化所引起的降额问题得到了缓解。例如,采用宽禁带半导体的“图腾柱无桥PFC”级可实现超过99%的峰值效率,即使在低压线路下也能达到约97.5%,因此线路整流和PFC不再是降额“瓶颈”,进而用户可以使用此技术从PSU获取全部功率,并且这适用于全球任何线路电压。“相移全桥”等现代隔离式转换器级还能够以高效率提供宽输出工作范围,并能够精确控制恒流操作,从而打造更通用的产品(图1)。bnjednc

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图1:采用无桥PFC级、相移全桥转换器、同步输出整流和宽禁带开关的真正数字控制的典型现代高效AC/DC简图。bnjednc

上述转换拓扑对最佳性能有着复杂的控制要求,而这已通过真正的数字控制实现,其中对所有开关的驱动由软件算法生成,而这又是以现在低成本但高性能的控制器,例如Arm Cortex系列所实现的。现在在软件控制下,可以动态更改许多参数以满足应用要求:可以降低频率;将PFC相位“切掉”以获得更好的轻载效率;可以“即时”更改输出电压,实现“动态电压调整”,以减少空闲时的负载功耗;可以针对特定负载电阻和并联电容优化回路补偿以获得最佳瞬态响应,等等。现代转换拓扑也适用于双向工作,这成为了一种通过真正的数字控制,无需更改硬件即可实现配置的现实选择,甚至可以动态进行,这适用于电动汽车充电和将能量“回馈”到电网等应用。bnjednc

通过数字控制,对输出电压和电流水平以及定时/延迟、阈值和极性的监视和控制特性进行配置变得微不足道。串行通信总线易于实施,因此用户可以根据需要通过制造商所提供的GUI进行转换器设置,或对各种设置进行试验,并在优化后要求制造商提供预装这些设置的产品。使用适当的控制器,甚至可以根据需要在应用的使用中动态更改功能。bnjednc

串行接口通常是采用PMBus协议的I2C,但也可以选择RS232或RS485、CANopen、MODBUS或SCPI等总线,以便实现充分的灵活性。对于需要它的用户,模拟控制输入通常也是可选的,例如,0至5V的线性编程输出电压或电流(图2)。bnjednc

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图2:数字PSU通常仍允许通过A/D接口进行模拟编程。bnjednc

案例研究

数字控制是如何提供巨大好处的,我们来看一个例子,在某个应用中,某电化学合成设备制造商发现他们现有的PSU与全球电源不兼容,因为其在低AC标称值下需要降额。它还在功能和可控性方面受到限制,需要用到不方便而又昂贵的外部硬件,以及要对PSU进行修改。XP Power公司的HPA1K5提供了更好的解决方案,这是一款基于DSP平台的1,500W PSU,在单相80~264VAC下运行,对输出额定值的影响几乎为零,并适用于任何市场。数字控制消除了外部电路和对PSU硬件的修改,并增加了一些功能,包括最重要的是,如果系统使能信号出现故障,则可以安全关机。当用户通过提供的GUI验证后,XP Power在产品发货前对这些设置进行了出厂配置。通过连接到信用卡大小的单板计算机,客户就能够利用PSU I2C总线的额外价值,这反过来又提供了一个通往用户云网络的网关,并实现了从欧洲的控制中心对全球范围内最终产品的电源轨性能的监控。用户拥有了更具竞争力的产品,并且其元器件数量、成本和占位面积都减少了,可靠性也提高了,这是一个受欢迎的额外好处。bnjednc

HPA1K5等产品通过全球信息技术设备(ITE)和医疗(2×MOPP)安全认证和高功率密度扩展了其适用性。标称输出可配置为恒定电压,在额定标称值的0%至105%可编程,或可配置为额定最大值的0%至110%的恒定电流。其他特性还包括遥感、并联单元的电流共享、5V备用电源和温控风扇。bnjednc

具有XP Power DSP功能的“HP”系列中的类似产品包括HPL5K0系列,额定功率为5kW,三相180至264VAC输入,适用于更高输出电压的应用,可选标称值为60V、100V或200VDC。另一个例子是HPT5K0,额定功率也为5kW,但具有三相180至528VAC输入,同样具有高标称输出电压选项和两种版本的外壳形式。HPL和HPT两个系列包括上述所有数字控制和监控以及快速输出转换率,可用于具有挑战性的测试应用(图3)。bnjednc

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图3:HP的XP系列产品及其编程GUI。bnjednc

总结

“软件定义电源”时代终于来临,AC/DC产品的输出电压、电流和所有功能都可以由用户轻松控制和优化,然后将其嵌入到固件中进行生产,所有这些都不会对成本和效率影响。产品可以通过广泛的终端应用认证在全球范围内运行,并且可以使用制造商所提供的软件和GUI简单地连接到笔记本电脑来升级或重新编程以适应新产品,从而使用户现在可以牢牢控制。bnjednc

3月30日,AspenCore将在上海举办国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2023),同期举办的“第25届高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”邀请到国内外多家优秀的电源管理芯片原厂,欢迎感兴趣的朋友点击这里报名参会并到场交流。bnjednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Putting the Power Supply User in Control,由Franklin Zhao编译。)bnjednc

本文为《电子技术设计》2023年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里bnjednc

责编:Ricardo
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