智能化数字电源的应用及其发展前景研究

许弟华

(上海澳通韦尔电力电子有限公司,上海 201401)

0 引言

自进入21世纪以来,开关电源开始逐渐向自动化、智能化方向发展,同时其数字化发展趋势也越加清晰,尤其市场当中开始涌现智能化、数字化产品,而数字电源则一起完备的监控功能优良的功能特性逐渐获得了用户的认可。数字电源能够为用户提供更具智能化的功能服务,增强了整体的适应性和灵活性,其具有远程故障诊断、故障处理和实时监控等功能,在电源管理方面进行了更新升级,且满足了较为复杂的电源要求,例如能够提高电流的保护效能,防止出现故障停机的情况,使电源更具安全性,这些优势和特点能够使其在很多行业领域发挥出更多作用。

1 智能化数字电源技术的相关概述

智能化数字电源技术是结合微控制器或数字信息处理器前提下,针对PWM控制器与数字电源驱动模块为主要功能对象,针对电源进行实时监测、功能与故障管理以及自动化控制,能够实现电源产品的实时监测、控制、管理,并延伸到整个电源回路的控制。一般来讲,智能化数字电源主要是通过DSP或MCU来实现自动化控制,而与MCU相比下,对电源的控制DSP是利用数字滤波形式为主要表现,其在电源的稳压性和反应灵敏度方面有着很好的性能效果,正因如此,其能够满足较为复杂的电源需求[1]。

常见的数字电源控制基本框如图1所示:

图1 数字电源控制系统框图Fig.1 Block diagram of digital power supply control system

从特性角度来说,其主要表现在以下几个方面:

(1)智能化数字电源技术表现出了高度的集成化程度,其能够实现将大量分离式元器件集中整合在一组或一个芯片中,以达到电源系统单片集成化的效果。

(2)智能化数字电源技术实现数字电源整合,其可以实现组合开关电源中数字组建和模拟组建的优化组合,例如运用MOSFET驱动器与数字电源控制器相连,实现数字电源的有效管理,同时也能够进行偏置电源的合理保护。

(3)实现微控制器和数字信号处理器功能优势的全面发挥,其能够促使数字电源按照相关技术指标要求予以运行,例如促使脉宽调至分辨力达到150ps的程度,另外,也可以进行故障的预测、负载均流、非线性与多相位控制等多项优质功能,在绿色节能电源整体研究方面提供了很多实践数据方面的支持。目前智能化数字电源和其所具有的稳定性、安全性、性能优化方面的特点,使得其逐渐替代了传统模拟电源,并且在很多领域内都有着十分广泛的应用前景[2]。

2 智能化数字电源的应用分析

2.1 电路应用

对于智能化数字电源的需求市场来讲,其主要是在模拟电源所无法满足的一些领域,例如采用svpwm算法的大功率高压变频器、数字器件控制的电源内部参数,可以实现在线灵活是影响调整,也就是说,电源的动态特性具备灵活的可调性,能够根据负载做出一定范围的调整,在此基础上还能够保证性能的运行。

智能化数字电源通信优势主要是指,其可以使电源设备的远程控制方式更加多样化,为设备的监测带来更大便利,通过智能化数字方式实现对电压和电流控制开关的电源控制方式,此即为智能化数字控制电源。

不间断电源等大容量电源早在上世纪末就已经得到广泛应用,21世纪10年代时期,智能化数字电源一直在不断进行开发,如日本技术专家所研发的直管型LED照明内置电源中,运用DSP控制器数字来进行智能化控制,一些新电源工业将其作为重点研究对象,并在车载DC/DC转换器上进行实践,具有代表性的应用主要是开关电源中导入软件方式数字控制[3]。因此,在顺应新技术推广周期规律下,对于数字电源所具有的影响最初体现在利润较大的高端产品领域,然后才开始进入主流产品市场领域,数字软件技术开始深入到模拟技术领域,如车载电源产业设备、LED照明行业等,其不同程度上开始将数字控制型电源引用到产品开发当中,还配备了通信功能或者对控制方式做出了更新,实现了动态控制,在增强电源效率和减小产品尺寸以及缩减开发时间等方面有了很多研究成果。另外,对于DSP技术的发展带来影响的成本问题,在使用通用微控制器低价产品的后,其问题得到了解决。电源的智能化数字化控制有助于提高AC/DC电源和DC/DC转换器等小型化及高效率化,所以,在2017年之后,就已经开始受到了行业内部的广泛关注,且应用范围也在近两年内开始不断扩大[4]。

2.2 拓展应用

智能化数字电源在多应用领域的拓展最初表现在无停电电源装置、太阳能电池、通信产品、服务器或功率调节器等基础设施的部分产品中,但随着DSP低价产品的出现,成本过高问题的有效解决和技术的研发,使其逐渐在汽车、产业设备、照明器具中都开始应用了数字电源。

例如,成本单价仅为几元钱的电源控制IC的产生并在数字电源产品中的有效应用,将数字电源控制IC成本成功降到了不足几十元的模拟电源控制IC相持平的程度,使其在多领域应用成为了可能[5]。

再比如在输出功率为100W以上且开关频率为1MHz以下的领域中,对DSP微控制器应用的数字控制电源逐渐进入了市场,而之前,数字电源主要采用价格高昂的高性能DSP来作为控制IC使用,但IC的工作频率同一设定在了100MHz以上,耗电量仅DSP已经高达1W,如果是普通开关电源控制,则这一指标过高,意味着DSP数字电源主要适用于UPS等超过1000W的大型装置,但一部分先进电源厂商要求下,产品市场当中逐渐开始推出了配备数字电源所需的功能,并与通用微控制器价格同样低廉的DSP,即为DSP微控制器,将原本巨额成本的DSP降成功降了几十倍,有效地解决了IC成本过高所产生的问题[6]。另外,智能化数字电源的拓展应用,还包括了以1MHz以下100W以上电源领域。

数字电源DSP微控制器所消耗的电力能源主要在200MW左右,因此,输出功率较小的电源来讲并不适用,需要考虑因DSP控制器电力而导致效率过低的一些问题,而部分综合电源技术人员认为输出功率为50到100W以上的电源应用有着很好的匹配度。因此,从开关频率来讲,频率约为1MHz以下的电源是为较高适应性应用对象。智能化数字电源通过DSP微控制器上AD转换器实现对输出电压和输出电流的监测,并采用现代智能软件控制电压和电流稳定性,其主要是考虑通过运算放大器进行输出电源和目标电压之差模拟控制差异性的连续检测数字控制,可以实现对AD转换时间和软件操作量演算时间的准确计算,以达到数字控制延迟,数字电源对基于专用逻辑电路硬件的运用,而并不是基于DSP的软件来执行PI控制等,控制演算时能够为超过1MHz的开关频率提供支持,原因是这一方式可以实现输出电压的AD转换,之前均与DSP方式有着相同的功能,而由于使用硬件数字推理演算器进行批量控制,所以这一部分检测时间与DSP方式相比可以达到相对缩短的效果[7-8]。

3 智能化数字电源的发展前景分析

由智能化数字电源在当前各领域当中的广泛应用可以看出其未来的发展趋势必然会以低于1MHz高于100W电源为目标,并实现低价位DSP的发展,于智能化数字电源所应用DSP微控制器对电力能源消耗过巨,因此,并不适合在小输出功率的电源中应用。智能化数字电源设计时,这就需要结合一些实际市场需求,对DSP微控制器电力问题做出综合优化,尤其要解决效率低的问题点,如可使用开关频率低于1MHz,输出功率在50W到100W内的电源能够满足软件控制电压与电流稳定性需求,并对输出电压和电流做出实时监测,再运用逻辑电路意见来做出过程控制演算,所以说,其在开关频率超过1MHz电源设备中的应用更为契合[9]。

目前,随着科学技术的发展和广泛应用,低价位的电源控制IC在数字资源产品中也开始实现应用,并逐渐成为模拟电源控制IC应用的替代,开始应用在以DSP微控制器为前提的数字控制电源,尤其在开关频率低于1MHz且输出功率高于100W的领域,对于未来的发展前景,主要是满足一些先进电源厂商的实际要求,根据微型科技和不同领域的电源控制要求,在降低成本的基础上,开发其数字电源所必须的功能[10]。

4 结语

电力能源一直是支撑现代化科技文明发展的重要能源,现代科学技术和电器产品更新换代以及广泛应用推动下,特别是物联网技术的快速推进,对电力能源及其智能化控制以及绿色节能降耗理念的融合就已经成为各行各业发展的主流技术研究方向,传统较为单一且单纯的模拟技术已经逐渐开始退出现代化技术舞台,技术和各行业产品的开发与整体功能的研究以及其对电源技术的需求推动下,为智能化数字电源技术的发展提供了更为广阔的空间。智能化数字电源技术的应用不但能够实现电源系统单片的集成化发展,实现数字组件与模拟组件的组合优化,同时也能够做到控制器与数字信息处理器功能优势的全面发挥,其在电路和拓展中的应用所取得的效果也为其整体技术水平的更新升级提供了真实且有力的数据支持,其在未来必然会得到进一步普及和重点改进,不但应用市场会越来越宽,且在技术水平和应用效果方面也会为人们带来更多更好的功能服务。