實(shí)時(shí)控制技術(shù)如何實(shí)現可靠且可擴展的高壓設計

隨著(zhù)功率水平需求的提升和現代電源系統的日趨復雜，對高壓系統的需求也發(fā)生了重大變化。為了有效滿(mǎn)足這些需求，有必要采用實(shí)時(shí) MCU 或數字電源控制器來(lái)控制先進(jìn)的電源拓撲，通過(guò)這些出色的拓撲來(lái)同時(shí)滿(mǎn)足精細的規格和各種電源要求。本文將討論數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(jìn)電源系統的安全高效運行。

提高系統可靠性并保護電力電子設備

可靠性對于確保高壓系統不間斷運行至關(guān)重要。通過(guò)為電力電子設備提供可靠的過(guò)壓、過(guò)流和熱應力保護，可以延長(cháng)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(shí)間，從而確保高效可靠的性能，避免意外故障。

過(guò)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健性，無(wú)法大規模投入使用，特別是在混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)、能源基礎設施和電力輸送等快速增長(cháng)的領(lǐng)域，這些領(lǐng)域對高壓電力電子設備的要求越來(lái)越高。

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

實(shí)時(shí) MCU 和數字隔離式電源控制器可以提高此類(lèi)系統的可靠性。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。這樣就能提高穩定性，降低對瞬態(tài)事件的易感性，并提升整體性能。

MCU 和數字電源控制器還能快速檢測過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱等故障，并觸發(fā)即時(shí)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(kāi)關(guān)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(shí)控制多個(gè)功率級

現代高壓系統的功率水平和復雜性不斷提高，這往往意味著(zhù)一個(gè)系統內要運行多個(gè)功率級。因此，需要一個(gè)功能強大的實(shí)時(shí) MCU 或數字控制器來(lái)同時(shí)控制所有這些器件。

一個(gè)示例是用于太陽(yáng)能應用的微型逆變器。典型的微型逆變器系統涉及多個(gè)功率級，包括將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電力轉換為高直流總線(xiàn)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(shí)時(shí) MCU 可以驅動(dòng)這些功率級，同時(shí)提供高級監測和輔助控制功能?；贕aN的1.6kW雙向微型逆變器參考設計有一個(gè)能夠處理所有四個(gè)直流/直流升壓功率級的 TMS320F280039C MCU，以及一個(gè)轉換器-電感器-電感器-電感器-轉換器和一個(gè)單相圖騰柱功率因數校正器 (PFC)。新款 TMS320F28P550SJ 的計算能力更強，擁有多達 24 個(gè)脈寬調制通道和 39 個(gè)模數轉換器通道，因此能夠支持六塊甚至更多的光伏電池板。

德州儀器的數字電源控制器（如 UCD3138A）可用于同時(shí)控制多個(gè)功率級。一個(gè)示例是服務(wù)器 PSU 等交流/直流應用中的功率因數校正 (PFC)。另一個(gè)示例是適用于 48V 或 12V 等電信電源的高壓直流/直流轉換器。為了實(shí)現多種器件型號來(lái)支持不同功率水平并滿(mǎn)足不同地區的需求，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。使用數字電源控制器，只需一個(gè)器件即可控制整個(gè)系統，并且在不同的項目之間更改電壓和電流閾值等參數主要通過(guò)固件實(shí)現，因此可以節省設計團隊的寶貴時(shí)間。此外，數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(shí)實(shí)現出色的可靠性和可擴展性，數字電源控制器和實(shí)時(shí) 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

在當今的高壓系統中，對冗余性、國際標準合規性以及降低工程設計活動(dòng)外部依賴(lài)性的需求日益增長(cháng)?？蓴U展的平臺應通過(guò)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(hù)在不同應用中更快地評估數字電源控制器和 MCU，從而降低對定制電路板開(kāi)發(fā)的需求。德州儀器還提供用于不同系統配置的軟件庫和固件示例，旨在加快原型設計和軟件開(kāi)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行的參數，并支持針對原型設計和量產(chǎn)需求進(jìn)行器件編程。UCD3138A 生態(tài)系統中提供的資源概況如圖 1 所示。

圖1 UCD3138A數字電源控制器生態(tài)系統

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

圖2 C2000實(shí)時(shí)MCU生態(tài)系統

數字電源控制器與實(shí)時(shí)MCU的不同應用場(chǎng)合

適合使用數字電源控制器的場(chǎng)合：

●   在設計中需要數字技術(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(zhuān)用反饋環(huán)路的數字電源外設來(lái)實(shí)現更高的帶寬。

●   在應用中更希望通過(guò)簡(jiǎn)單易用的 GUI 進(jìn)行參數調整和優(yōu)化，而不是通過(guò)嚴謹的固件開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現此目的。

●   更希望采用適合電源控制的 ARM 內核，并通過(guò)雙存儲器組輕松進(jìn)行實(shí)時(shí)固件更新，從而實(shí)現零停機時(shí)間。

●   適合使用實(shí)時(shí)MCU的場(chǎng)合：

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

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

●   需要無(wú)縫集成外設、通信接口或復雜的系統診斷來(lái)實(shí)現全面的系統監測和控制。

上述要點(diǎn)匯總于圖3中。

圖3 德州儀器電源控制器格局

結語(yǔ)

建設更可持續的未來(lái)取決于電動(dòng)汽車(chē)、雙向能量收集和存儲系統以及更高效的數據中心等高壓應用的增長(cháng)，這些應用需要先進(jìn)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(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，并通過(guò)配套的生態(tài)系統更大限度提高項目之間的知識產(chǎn)權利用率。