實時控制技術如何實現(xiàn)可靠且可擴展的高壓設計

隨著功率水平需求的提升和現(xiàn)代電源系統(tǒng)的日趨復雜，對高壓系統(tǒng)的需求也發(fā)生了重大變化。為了有效滿足這些需求，有必要采用實時 MCU 或數(shù)字電源控制器來控制先進的電源拓撲，通過這些出色的拓撲來同時滿足精細的規(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用中的一些優(yōu)勢，并演示其如何助力先進電源系統(tǒng)的安全高效運行。

提高系統(tǒng)可靠性并保護電力電子設備

可靠性對于確保高壓系統(tǒng)不間斷運行至關重要。通過為電力電子設備提供可靠的過壓、過流和熱應力保護，可以延長元件的使用壽命、提高安全性、降低維護成本并更大限度減少停機時間，從而確保高效可靠的性能，避免意外故障。

過去廉價而簡單的分立式模擬產(chǎn)品缺乏必要的靈活性和穩(wěn)健性，無法大規(guī)模投入使用，特別是在混合動力和電動汽車、能源基礎設施和電力輸送等快速增長的領域，這些領域對高壓電力電子設備的要求越來越高。

因此，數(shù)字電源在電源拓撲選擇、系統(tǒng)級功能和安全保護等方面的表現(xiàn)更為出色，同時更大限度減少了項目從原型階段進入量產(chǎn)階段而需要分配的設計人員總數(shù)。

實時 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與操作之間的延遲，確保對負載變化和干擾做出快速準確的響應。這樣就能提高穩(wěn)定性，降低對瞬態(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過流、過壓和過熱等故障，并觸發(fā)即時保護措施，從而為電力電子設備提供保護。這些器件能精確控制電源開關和調制方法，在安全范圍內優(yōu)化 FET 的性能，并更大限度減少元件應力。

夠同時控制多個功率級

現(xiàn)代高壓系統(tǒng)的功率水平和復雜性不斷提高，這往往意味著一個系統(tǒng)內要運行多個功率級。因此，需要一個功能強大的實時 MCU 或數(shù)字控制器來同時控制所有這些器件。

一個示例是用于太陽能應用的微型逆變器。典型的微型逆變器系統(tǒng)涉及多個功率級，包括將太陽能電池板產(chǎn)生的電力轉換為高直流總線電壓并隨后將直流電轉換為電網(wǎng)交流電的直流/直流功率級。德州儀器的 C2000? 實時 MCU 可以驅動這些功率級，同時提供高級監(jiān)測和輔助控制功能?；贕aN的1.6kW雙向微型逆變器參考設計有一個能夠處理所有四個直流/直流升壓功率級的 TMS320F280039C MCU，以及一個轉換器-電感器-電感器-電感器-轉換器和一個單相圖騰柱功率因數(shù)校正器 (PFC)。新款 TMS320F28P550SJ 的計算能力更強，擁有多達 24 個脈寬調制通道和 39 個模數(shù)轉換器通道，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）可用于同時控制多個功率級。一個示例是服務器 PSU 等交流/直流應用中的功率因數(shù)校正 (PFC)。另一個示例是適用于 48V 或 12V 等電信電源的高壓直流/直流轉換器。為了實現(xiàn)多種器件型號來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)驗豐富的設計人員必須重新計算、測試和驗證他們的工作。使用數(shù)字電源控制器，只需一個器件即可控制整個系統(tǒng)，并且在不同的項目之間更改電壓和電流閾值等參數(shù)主要通過固件實現(xiàn)，因此可以節(jié)省設計團隊的寶貴時間。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。為了在運行日益復雜的功率級時實現(xiàn)出色的可靠性和可擴展性，數(shù)字電源控制器和實時 MCU 為需要高壓 FET 的終端設備提供了多種選擇。

最大化軟件和硬件解決方案的投資

在當今的高壓系統(tǒng)中，對冗余性、國際標準合規(guī)性以及降低工程設計活動外部依賴性的需求日益增長。可擴展的平臺應通過兼容的硬件和軟件支持各種設計。德州儀器提供參考設計、評估模塊、調試器和程序等資源，幫助客戶在不同應用中更快地評估數(shù)字電源控制器和 MCU，從而降低對定制電路板開發(fā)的需求。德州儀器還提供用于不同系統(tǒng)配置的軟件庫和固件示例，旨在加快原型設計和軟件開發(fā)。Fusion Digital Power? Studio 等 GUI 工具能夠快速調整和優(yōu)化通常需要外部元件才能執(zhí)行的參數(shù)，并支持針對原型設計和量產(chǎn)需求進行器件編程。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實時MCU的生態(tài)系統(tǒng)，其中包括各種應用、產(chǎn)品、硬件平臺、開發(fā)工具和軟件開發(fā)套件。

圖2 C2000實時MCU生態(tài)系統(tǒng)

數(shù)字電源控制器與實時MCU的不同應用場合

適合使用數(shù)字電源控制器的場合：

●   在設計中需要數(shù)字技術的靈活性和輔助控制功能，而不需要完全定制電源控制律，同時希望利用具有專用反饋環(huán)路的數(shù)字電源外設來實現(xiàn)更高的帶寬。

●   在應用中更希望通過簡單易用的 GUI 進行參數(shù)調整和優(yōu)化，而不是通過嚴謹?shù)墓碳_發(fā)來實現(xiàn)此目的。

●   更希望采用適合電源控制的 ARM 內核，并通過雙存儲器組輕松進行實時固件更新，從而實現(xiàn)零停機時間。

●   適合使用實時MCU的場合：

在設計中需要精確的自適應控制和對系統(tǒng)狀況的快速響應，例如在動態(tài)并網(wǎng)逆變器或電機驅動器中。

●  在應用中需要執(zhí)行復雜算法，例如先進調制技術或預測性控制策略。

●   需要無縫集成外設、通信接口或復雜的系統(tǒng)診斷來實現(xiàn)全面的系統(tǒng)監(jiān)測和控制。

上述要點匯總于圖3中。

圖3 德州儀器電源控制器格局

結語

建設更可持續(xù)的未來取決于電動汽車、雙向能量收集和存儲系統(tǒng)以及更高效的數(shù)據(jù)中心等高壓應用的增長，這些應用需要先進的多級保護方案才能充分發(fā)揮其潛力。

借助德州儀器的高壓實時控制技術產(chǎn)品系列，您可以靈活可靠地同時控制多個功率級，并通過配套的生態(tài)系統(tǒng)更大限度提高項目之間的知識產(chǎn)權利用率。