智能化數(shù)字電源的應用及其發(fā)展前景研究

許弟華

(上海澳通韋爾電力電子有限公司,上海 201401)

0 引言

自進入21世紀以來,開關(guān)電源開始逐漸向自動化、智能化方向發(fā)展,同時其數(shù)字化發(fā)展趨勢也越加清晰,尤其市場當中開始涌現(xiàn)智能化、數(shù)字化產(chǎn)品,而數(shù)字電源則一起完備的監(jiān)控功能優(yōu)良的功能特性逐漸獲得了用戶的認可。數(shù)字電源能夠為用戶提供更具智能化的功能服務,增強了整體的適應性和靈活性,其具有遠程故障診斷、故障處理和實時監(jiān)控等功能,在電源管理方面進行了更新升級,且滿足了較為復雜的電源要求,例如能夠提高電流的保護效能,防止出現(xiàn)故障停機的情況,使電源更具安全性,這些優(yōu)勢和特點能夠使其在很多行業(yè)領域發(fā)揮出更多作用。

1 智能化數(shù)字電源技術(shù)的相關(guān)概述

智能化數(shù)字電源技術(shù)是結(jié)合微控制器或數(shù)字信息處理器前提下,針對PWM控制器與數(shù)字電源驅(qū)動模塊為主要功能對象,針對電源進行實時監(jiān)測、功能與故障管理以及自動化控制,能夠?qū)崿F(xiàn)電源產(chǎn)品的實時監(jiān)測、控制、管理,并延伸到整個電源回路的控制。一般來講,智能化數(shù)字電源主要是通過DSP或MCU來實現(xiàn)自動化控制,而與MCU相比下,對電源的控制DSP是利用數(shù)字濾波形式為主要表現(xiàn),其在電源的穩(wěn)壓性和反應靈敏度方面有著很好的性能效果,正因如此,其能夠滿足較為復雜的電源需求[1]。

常見的數(shù)字電源控制基本框如圖1所示:

圖1 數(shù)字電源控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of digital power supply control system

從特性角度來說,其主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)智能化數(shù)字電源技術(shù)表現(xiàn)出了高度的集成化程度,其能夠?qū)崿F(xiàn)將大量分離式元器件集中整合在一組或一個芯片中,以達到電源系統(tǒng)單片集成化的效果。

(2)智能化數(shù)字電源技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字電源整合,其可以實現(xiàn)組合開關(guān)電源中數(shù)字組建和模擬組建的優(yōu)化組合,例如運用MOSFET驅(qū)動器與數(shù)字電源控制器相連,實現(xiàn)數(shù)字電源的有效管理,同時也能夠進行偏置電源的合理保護。

(3)實現(xiàn)微控制器和數(shù)字信號處理器功能優(yōu)勢的全面發(fā)揮,其能夠促使數(shù)字電源按照相關(guān)技術(shù)指標要求予以運行,例如促使脈寬調(diào)至分辨力達到150ps的程度,另外,也可以進行故障的預測、負載均流、非線性與多相位控制等多項優(yōu)質(zhì)功能,在綠色節(jié)能電源整體研究方面提供了很多實踐數(shù)據(jù)方面的支持。目前智能化數(shù)字電源和其所具有的穩(wěn)定性、安全性、性能優(yōu)化方面的特點,使得其逐漸替代了傳統(tǒng)模擬電源,并且在很多領域內(nèi)都有著十分廣泛的應用前景[2]。

2 智能化數(shù)字電源的應用分析

2.1 電路應用

對于智能化數(shù)字電源的需求市場來講,其主要是在模擬電源所無法滿足的一些領域,例如采用svpwm算法的大功率高壓變頻器、數(shù)字器件控制的電源內(nèi)部參數(shù),可以實現(xiàn)在線靈活是影響調(diào)整,也就是說,電源的動態(tài)特性具備靈活的可調(diào)性,能夠根據(jù)負載做出一定范圍的調(diào)整,在此基礎上還能夠保證性能的運行。

智能化數(shù)字電源通信優(yōu)勢主要是指,其可以使電源設備的遠程控制方式更加多樣化,為設備的監(jiān)測帶來更大便利,通過智能化數(shù)字方式實現(xiàn)對電壓和電流控制開關(guān)的電源控制方式,此即為智能化數(shù)字控制電源。

不間斷電源等大容量電源早在上世紀末就已經(jīng)得到廣泛應用,21世紀10年代時期,智能化數(shù)字電源一直在不斷進行開發(fā),如日本技術(shù)專家所研發(fā)的直管型LED照明內(nèi)置電源中,運用DSP控制器數(shù)字來進行智能化控制,一些新電源工業(yè)將其作為重點研究對象,并在車載DC/DC轉(zhuǎn)換器上進行實踐,具有代表性的應用主要是開關(guān)電源中導入軟件方式數(shù)字控制[3]。因此,在順應新技術(shù)推廣周期規(guī)律下,對于數(shù)字電源所具有的影響最初體現(xiàn)在利潤較大的高端產(chǎn)品領域,然后才開始進入主流產(chǎn)品市場領域,數(shù)字軟件技術(shù)開始深入到模擬技術(shù)領域,如車載電源產(chǎn)業(yè)設備、LED照明行業(yè)等,其不同程度上開始將數(shù)字控制型電源引用到產(chǎn)品開發(fā)當中,還配備了通信功能或者對控制方式做出了更新,實現(xiàn)了動態(tài)控制,在增強電源效率和減小產(chǎn)品尺寸以及縮減開發(fā)時間等方面有了很多研究成果。另外,對于DSP技術(shù)的發(fā)展帶來影響的成本問題,在使用通用微控制器低價產(chǎn)品的后,其問題得到了解決。電源的智能化數(shù)字化控制有助于提高AC/DC電源和DC/DC轉(zhuǎn)換器等小型化及高效率化,所以,在2017年之后,就已經(jīng)開始受到了行業(yè)內(nèi)部的廣泛關(guān)注,且應用范圍也在近兩年內(nèi)開始不斷擴大[4]。

2.2 拓展應用

智能化數(shù)字電源在多應用領域的拓展最初表現(xiàn)在無停電電源裝置、太陽能電池、通信產(chǎn)品、服務器或功率調(diào)節(jié)器等基礎設施的部分產(chǎn)品中,但隨著DSP低價產(chǎn)品的出現(xiàn),成本過高問題的有效解決和技術(shù)的研發(fā),使其逐漸在汽車、產(chǎn)業(yè)設備、照明器具中都開始應用了數(shù)字電源。

例如,成本單價僅為幾元錢的電源控制IC的產(chǎn)生并在數(shù)字電源產(chǎn)品中的有效應用,將數(shù)字電源控制IC成本成功降到了不足幾十元的模擬電源控制IC相持平的程度,使其在多領域應用成為了可能[5]。

再比如在輸出功率為100W以上且開關(guān)頻率為1MHz以下的領域中,對DSP微控制器應用的數(shù)字控制電源逐漸進入了市場,而之前,數(shù)字電源主要采用價格高昂的高性能DSP來作為控制IC使用,但IC的工作頻率同一設定在了100MHz以上,耗電量僅DSP已經(jīng)高達1W,如果是普通開關(guān)電源控制,則這一指標過高,意味著DSP數(shù)字電源主要適用于UPS等超過1000W的大型裝置,但一部分先進電源廠商要求下,產(chǎn)品市場當中逐漸開始推出了配備數(shù)字電源所需的功能,并與通用微控制器價格同樣低廉的DSP,即為DSP微控制器,將原本巨額成本的DSP降成功降了幾十倍,有效地解決了IC成本過高所產(chǎn)生的問題[6]。另外,智能化數(shù)字電源的拓展應用,還包括了以1MHz以下100W以上電源領域。

數(shù)字電源DSP微控制器所消耗的電力能源主要在200MW左右,因此,輸出功率較小的電源來講并不適用,需要考慮因DSP控制器電力而導致效率過低的一些問題,而部分綜合電源技術(shù)人員認為輸出功率為50到100W以上的電源應用有著很好的匹配度。因此,從開關(guān)頻率來講,頻率約為1MHz以下的電源是為較高適應性應用對象。智能化數(shù)字電源通過DSP微控制器上AD轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對輸出電壓和輸出電流的監(jiān)測,并采用現(xiàn)代智能軟件控制電壓和電流穩(wěn)定性,其主要是考慮通過運算放大器進行輸出電源和目標電壓之差模擬控制差異性的連續(xù)檢測數(shù)字控制,可以實現(xiàn)對AD轉(zhuǎn)換時間和軟件操作量演算時間的準確計算,以達到數(shù)字控制延遲,數(shù)字電源對基于專用邏輯電路硬件的運用,而并不是基于DSP的軟件來執(zhí)行PI控制等,控制演算時能夠為超過1MHz的開關(guān)頻率提供支持,原因是這一方式可以實現(xiàn)輸出電壓的AD轉(zhuǎn)換,之前均與DSP方式有著相同的功能,而由于使用硬件數(shù)字推理演算器進行批量控制,所以這一部分檢測時間與DSP方式相比可以達到相對縮短的效果[7-8]。

3 智能化數(shù)字電源的發(fā)展前景分析

由智能化數(shù)字電源在當前各領域當中的廣泛應用可以看出其未來的發(fā)展趨勢必然會以低于1MHz高于100W電源為目標,并實現(xiàn)低價位DSP的發(fā)展,于智能化數(shù)字電源所應用DSP微控制器對電力能源消耗過巨,因此,并不適合在小輸出功率的電源中應用。智能化數(shù)字電源設計時,這就需要結(jié)合一些實際市場需求,對DSP微控制器電力問題做出綜合優(yōu)化,尤其要解決效率低的問題點,如可使用開關(guān)頻率低于1MHz,輸出功率在50W到100W內(nèi)的電源能夠滿足軟件控制電壓與電流穩(wěn)定性需求,并對輸出電壓和電流做出實時監(jiān)測,再運用邏輯電路意見來做出過程控制演算,所以說,其在開關(guān)頻率超過1MHz電源設備中的應用更為契合[9]。

目前,隨著科學技術(shù)的發(fā)展和廣泛應用,低價位的電源控制IC在數(shù)字資源產(chǎn)品中也開始實現(xiàn)應用,并逐漸成為模擬電源控制IC應用的替代,開始應用在以DSP微控制器為前提的數(shù)字控制電源,尤其在開關(guān)頻率低于1MHz且輸出功率高于100W的領域,對于未來的發(fā)展前景,主要是滿足一些先進電源廠商的實際要求,根據(jù)微型科技和不同領域的電源控制要求,在降低成本的基礎上,開發(fā)其數(shù)字電源所必須的功能[10]。

4 結(jié)語

電力能源一直是支撐現(xiàn)代化科技文明發(fā)展的重要能源,現(xiàn)代科學技術(shù)和電器產(chǎn)品更新?lián)Q代以及廣泛應用推動下,特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速推進,對電力能源及其智能化控制以及綠色節(jié)能降耗理念的融合就已經(jīng)成為各行各業(yè)發(fā)展的主流技術(shù)研究方向,傳統(tǒng)較為單一且單純的模擬技術(shù)已經(jīng)逐漸開始退出現(xiàn)代化技術(shù)舞臺,技術(shù)和各行業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)與整體功能的研究以及其對電源技術(shù)的需求推動下,為智能化數(shù)字電源技術(shù)的發(fā)展提供了更為廣闊的空間。智能化數(shù)字電源技術(shù)的應用不但能夠?qū)崿F(xiàn)電源系統(tǒng)單片的集成化發(fā)展,實現(xiàn)數(shù)字組件與模擬組件的組合優(yōu)化,同時也能夠做到控制器與數(shù)字信息處理器功能優(yōu)勢的全面發(fā)揮,其在電路和拓展中的應用所取得的效果也為其整體技術(shù)水平的更新升級提供了真實且有力的數(shù)據(jù)支持,其在未來必然會得到進一步普及和重點改進,不但應用市場會越來越寬,且在技術(shù)水平和應用效果方面也會為人們帶來更多更好的功能服務。