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电源管理

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数字电源简介

大家好, 我叫 Dennis Barrett。 我是德州仪器 (TI) 高性能电源 控制器的 营销经理。 在接下来的半个 小时中,我们将 介绍数字电源。 我要感谢我的同事 Hrishikesh Nene 和 Valbhav Desai 为该演示中的 材料所做的贡献。 那么,在接下来的 半个小时中, 我们将讨论 数字电源,特别是 数字电源控制器。 在该讨论中, 我们将获得的 好处之一是, 与传统模拟 设计相比, 数字电源 控制器可提供 更高的系统效率 水平。 它们还可以提供 非常高水平的 系统级集成。 这可以为您,使用 较少组件的设计人员, 实现更小的产品, 并且可以实现 更复杂的功能。 数字电源控制器可以 实现更高的功率密度 和更快的控制环路。 数字电源控制器 可以为您的 PSU 设计 提供很高水平的 系统级可靠性、 监控和安全功能。 可以随数字电源 控制器一起选择的 电源拓扑 极为灵活, 数字电源 控制器实际上 只与控制开关 事实的波形的 精度有关,而与 拓扑无关。 最后,该行业 已经成熟,这样 市场上就提供了 非常广泛的数字 电源控制器供选择, 从特定于应用的 产品到完全可编程的 微控制器,再到功率 非常高的 DSP,它们 可在单个器件上 执行 PFC、 交流到直流以及 隔离式直流到 直流功能。 因此,当今的数字电源 在很大程度上是主流应用, 在电源设计领域 具有广泛的应用。 这实际上是 由这里列出的 应用推动的。 在隔离式和 非隔离式 直流到直流 转换器、电源 模块或所谓的 BRICS、 电信整流器、无线基站 和不间断电源中, 电信基础设施是 数字电源技术的 强大适配器。 真正推动这些 终端设备采用 数字电源的需求, 是对不断增长的 功率密度、非常 高水平的效率的 需求,当设计 人员为直流到 直流转换领域、 高频操作以及 始终开启的 可靠系统中 能够提供的每个 百分点效率努力 奋斗时,存在这些需求。 无论过去和现在, 服务器功率都是 数字电源非常 有力的推动因素。 当然,这包括 高端计算、基于 服务器的产品、 高端存储 NAS 类型产品、高端网络, 以及在某种程度上, PC 电源和游戏。 服务器群中 需要的在功率 因数和 THD 方面 不断提高的法规 水平、电源质量, 法规水平要求的 最低可能总谐波 失真,服务器环境中 电源因保持 始终开启的 功能和可靠性 而要求的冗余, 以及当今的 服务器群中 需要提供的 高级内部 管理和传统 内部管理功能, 都对这起到 推动作用。 在过去的十年中,太阳能 是一个暴涨的市场。 在这里,实际上 在市场中,数字 电源、太阳能 微逆变器和 串式逆变器,具有效率 和更长的使用寿命 推动的需求。 汽车被证明 是对数字电源 具有强烈 需求的新兴领域。 它具有在高级 汽车设计中 变得越来越流行的 双向 48 伏和 12 伏 直流总线, 需要蓄电池 充电和 非车载 EV 和混合充电站。 数字电源 控制器能够 很好满足的 汽车的部分 独特需求包括, PSU 针对故障 报告的非常多变 和复杂的通信功能 以及错误诊断。 利用数字 电源,通过 诊断功能 可以在汽车 领域中实现 极高的可靠性 水平。 持续推动数字 电源增长的 新兴设备,将在 电源设计领域 起主导作用,包括 广泛的工业领域 应用,从大型 工厂自动化 系统中的 焊接机到 测试仪,以及 为这些系统 和电机控制 系统提供 电力的电源单元。 甚至高功率 适配器消费类 领域,以及 非常大的 监视器和电视 领域,效率调节和 负载效率, 不仅四点 负载,而且 轻载水平, 推动数字电源 在这些应用中使用。 在家庭自动化中, 家庭和楼宇中 存在的不断 增长的传感器 数量、控制面板 电源单元中 对这些传感器的 控制,变得越来越 复杂,用于实现 始终开启的 入侵检测和占位 检测系统的诊断报告。 最后, 照明市场, 就在这里, 非常大的 增长,正如我们 看到的,大型项目中 使用的 LED 照明、 楼宇家庭照明、 体育场照明和 其他功能,推动 对数字电源控制器 能够提供的功率 密度的极高需求。 那么,什么是 数字电源系统? 此幻灯片显示了一个 非常通用的方框图。 您有一个输入到 电源系统中的 输入电压 V in, 它由开关构成。 这些可以是 MOSFET、 IGBT、SiCFET、GaNFET 等。 您有一个用于输出 滤波的 LC 网络,您 还有该 输出电压。 现在,该整个 系统的目标是, 无论输入 电压或负载 发生任何变化, 都要保持输出 电压恒定。 这是通过控制 这些开关的开关 方式实现的。 因此,您通常使用 控制驱动开关的 PWM 或脉宽 调制信号的 控制器。 因此,我们可以 控制它们的 占空比,或者 控制相位, 或者控制 周期或频率, 具体取决于 所使用的特定 功率级的 控制参数。 控制器块是 数字电源系统 和传统模拟 电源系统的 区分因素。 那么,让我们看看模拟 系统中开关模式电源 转换器的一个示例。 在幻灯片的顶部, 您将看到功率级。 这里是升压降压 配置中的电感器、 电阻器、电容器网络。 它是精密控制系统。 它使用模拟控制器。 该控制器是 PWM 发生器和补偿器。 因此,当您设计 模拟控制系统时, 您具有要 控制的设备。 输出将进行反馈, 以便与基准进行比较, 基准是所需的输出。 它生成误差信号, 该信号反馈到控制器中。 根据该误差, 控制器将 采取驱动设备 操作的控制措施, 以获取所需的 输出电平。 因此,当您设计 模拟控制系统时, 您将使用 拉普拉斯变换 处理一些微分方程。 那么,您在 S 域中。 您将解这些方程, 以解出组成控制 环路中 微分器 和积分器 网络的 电阻器和电容器值。 因此本质上而言, 您将解出 R1、R2、 C1、C2 的值。 现在,如果我们看看 数字控制的开关 模式电源转换器, 您将在这里看到 该功率级与模拟控制器的 功率级完全相同。 所不同的 是控制块。 您可以看到,我们 基本上使用 PWM 外设模块 代替了 补偿器和 PWM 发生器。 现在通过在 CPU 上 执行的软件来实现 补偿器。 它仍是精密 控制系统。 因此,原理基本上 与模拟系统保持 相同,但当您 查看该控制 系统时,会发现 我们添加了两个块。 在从模拟世界转换到 数字世界时,我们添加了 一个块,在从 数字世界 转换到模拟世界时, 我们添加了另一个块。 在本例中,您将 使用 Z 变换 解差分方程,而不是 使用拉普拉斯变换 解微分方程。 在数字控制 系统中,您将 在差分方程中 解 Z 变换,以找到 系数,例如 b1、b2 等。 需要注意的一个 重点是,系数是 数字化的。 可以在软件中 实时更改它们。 那么,您为什么会 选择数字控制技术, 而不是模拟技术呢? 嗯,与很多事情 一样,这种或那种 选择总是存在 一些优点和一些缺点。 那么,让我们简要 比较一下这两种方法。 那么,此幻灯片再次 显示了一个简化的方框图。 在这里,您将看到 电力电子系统, 它将传感器反馈到控制器中, 该控制器可能是模拟的, 也可能是数字的。 控制器基于该 反馈通过 PWM 信号 将控制操作 驱动到电力 电子系统中。 现在,对于模拟 控制器,您通常 具有很高的 带宽和高分辨率, 很显然,因为您 在连续时域中 工作。 它们很好理解,并且 在历史上具有比数字 控制器更低的成本。 不过,模拟控制器 具有组件漂移和 老化以及组件 容差的缺点。 存在提供 很小灵活性的 硬件问题 -- 它们是硬 连线的,提供的 灵活性非常小。 它们通常限于 经典控制理论。 对于非常复杂的 设计、复杂的系统, 部件数量可能 会变得非常大。 另一方面, 数字控制器 对环境、温度漂移、 组件容差等 不敏感。 它们是软件 可编程的,因此 非常灵活。 它们可以提供非常 灵活的解决方案。 您获得的数字控制 非常精确,并且 很容易进行预测。 可以实现高级控制。 您可以使用非线性 自适应控制、模糊逻辑、 神经网络等。 您也可以执行多个 环路和其他监控 功能。 那么,传统上而言, 数字控制具有 一些缺点 -- 基本上是 带宽限制,具体取决于 您对输入模拟信号 进行采样的速度。 这会限制采样 频率或采样环路。 您切换 PWM 或 PWM 频率、分辨率的 速度限制了 量化等数字 问题,因为 您在离散 时域、模数转换 和数模转换 边界中工作。 因为您现在是在 数字世界中工作, 所以您将遇到 分辨率限制,并且 将遇到量化损失。 模数转换和数模转换 边界的速度是多少? 您进行采样,从信号中 获取输入信号的速度 是多少。 CPU 性能 限制 -- 您 能够计算 多少 -- 您在 特定的时间内 实际上能够 计算和执行多少控制。 特定的接口和 偏置电源要求。 不过,现在对数字 技术的改进在于 您拥有运行 很多很多 MHz 频率的 32 位微控制器, 能够提供非常高效的 控制引擎。 传统控制器的 不同缺点,比如 模数转换 分辨率限制, 正在持续地改进。 12 和 16 位模数 转换等对于 大多数应用而言 是绰绰有余的。 因此,所有这些改进 可提供使我们获得 相同具有准确、 可预测行为的 数字控制器 优点的性能 水平,并且 避免模拟 控制器的 一些对齐 和漂移 以及温度 和其他糟糕 缺点的不敏感性, 它们可能使 设计工作 严重地复杂化。 因此,在本质上, 我们可以说, 由于技术的 发展和进步 超出了对模拟 控制器中存在的 缺点的抵消, 我们现在已经 克服了这些缺点。 该幻灯片显示了一个 完整的整流器系统。 顶部的图 显示了使用 模拟解决方案的实现。 在本例中,对于该系统, 您有一个交流输入。 您有一个前端功率 因数校正系统。 您还有一个隔离式 直流到直流级。 对于该具有 模拟实现的系统, 您具有用于控制 PFC 级的功率因数 校正控制器。 您具有用于控制直流 到直流级的独立直流 到直流控制器。 因此,针对系统的 不同部分使用 多个芯片。 在这里, 微控制器 仅用于监控 和测试目的。 这是专用设计。 例如,您有 一个 1 千瓦的 系统设计。 而您需要使用 完全相同的 功率级拓扑进行 10 千瓦的设计。 但是您现在希望 为 10 千瓦做好准备。 那么,当您从 1 千瓦转向 10 千瓦时, 您很可能需要重新 设计您的整个系统 -- 用于 10 千瓦 系统的所有 电路、控制 环路、接口 电路等。 现在,如果 以数字方式 实现相同的 系统,如该底部的 图中所显示的, 将通过单个数字 电源控制系统 执行所有功能。 因此,我们具有相同的 功率级,相同的前端功率 因数校正级,后跟 直流到直流级, 所有这些都将由单个 控制器进行控制。 因此,这意味着 您可以取消一些组件。 您可以通过 更少的组件 降低您的制造成本。 您在拐角处 具有更佳的性能。 那么,这意味着什么? 假设您具有 600 瓦的设计, 并且您设计您的 所有控制参数。 因此您获得在 600 瓦 情况下的最佳性能。 但是,当您在 900 瓦或 100 瓦的情况下工作时, 会发生什么情况? 相同的参数无法在您的 系统中为您提供最佳的 性能。 因此,在这种 情况下,利用 数字系统,数字控制器 可以更改这些系数或 控制系数, 因此您可以 在您的规格边界上 获取最佳性能。 您可以拥有 用于不同规格 范围的多个系数。 根据该示例的 一个设计多个电源, 其中您具有一个 1 千瓦的 系统和一个 10 千瓦的系统, 如果它们使用相同的 功率级拓扑,当您从 1 千瓦 转换到 10 千瓦设计时, 所要改变的仅仅是 功率级本身。 如果您正确 缩放信号, 接口电路的所有其他 东西都将保持不变。 您甚至可以使用 非常类似的软件结构。 故障预测, 数字控制 可以为系统 提供智能, 因此您可以 执行不同的, 比如频率分析, 以检查机械 振动等,预测 故障和故障 机制,并且更正它。 一个器件,多个 直流输出,一个 控制器可以控制 多个直流输出或环路。 当然,对于 数字控制, 您具有可变的直流输出。 例如,假设您的 PFC 级输入是 通用线路交流, 来自 PFC 级的 输出是中间直流 总线,大约为 400 伏, 直流到直流级 是 12 伏输出。 根据负载情况 -- 您可能希望 更改中间 总线的电平 -- 如果您在很低的 负载情况下工作, 您可能需要把它 一直升压到 400 伏。 在低压线路下, 您可能会升压到 300 至 350,并在这些 情况下获得提高的性能。 利用数字控制 可以实现这一切。 因此,数字电源 现在已经成熟, 对于什么是数字 电源控制器和架构, 存在不同的概念。 这里有三种 基本的概念, 德州仪器 (TI) 提供 和支持这些概念。 我们不会 在这里放弃 这些数字电源 控制中的任何一个。 它实际上取决于 您的应用和您的 系统以及您要 设法实现的目标。 那么,第一个实现 是一个封闭系统。 它是一个按照与产品说明书 器件相同的方法实现的 数字控制器,作为 一个模拟控制器 呈现给您。 我们提供此类 器件,例如 UCC28630 和 UCC29950 控制器。 第二个类别是软件 管理的具有 MCU 的器件。 但它们还通过 门在硬件中 实现大部分的 控制,数字控制。 有两个 子类别。 一个具有 MCU 的 子类别无法 使用编程语言 进行编程,通常 只能通过配置 GUI 进行配置。 我们有一个 示例,例如 UCC92xx 系列的数字 负载点控制器, 其中我们 使用此类架构。 另一种架构 使用开放 MCU。 因此您有一个 MCU 和 一些门、硬件日期, 其中 MCU 完全可供 工程师使用 C 代码 进行编程。 我们的示例是 TI UCD3xxx 数字控制器 系列。 有完全能够 进行软件 编程的架构。 通常,它们需要 使用 DSP 来实现 控制环路,这需要 很高的循环速度 和并行执行。 它们具有用于进行 模数转换和数模 转换的集成硬件、模拟 比较器,专门用于电源。 我们有一个关于 C2000 MCU 产品中该系列 的示例。 那么,这里的 C2000 实时 微控制器具有 DSP 内核、集成 ADC、 DWM 外设、数字 模拟控制器。 它还有一个浮点 可编程单元,或者 我们称之为控制 环路加速器, 它有一个最小 指令集,适用于 专为电源控制 定制的大小。 在 UCD3xx 集成 数字电源 控制器上, 您可以看到 这里是具有大量 数字门的示例, 这些门执行 控制中的环路功能。 微控制器 基本上负责 配置硬件 功能和控制 与 PSU 系统的 所有通信。 因此,该架构中 可提供很高性 能的 DAC。 通过硬件实现增强的 双极点 20 数字补偿器。 然后八个 PWM, 器件上的数字 PWM, 高级电源 c控制功能, 专门针对您的 需求和电源 设计的各种 保护,然后与 多个外设的 可靠通信, 包括 PMBus, 这将是 在接下来 几周内 开展的另一个 电源研讨会的主题。 最后是数字 内核,它可以 在器件中实现 灵活的内部管理。 因此,您可以看到该器件 在很大程度上是通过 很多数字高速门 构建而成,具有 一个用于监控的控制器 和一个 12 位通用 ADC。 那么,我们已经 讨论了电源拓扑 以及数字控制 在拓扑中有多么灵活。 该幻灯片实际上 是对这一点的说明。 在它的中间,您可以 看到我们曾讨论过的 UCD3138 控制器 和同一器件 支持的不同拓扑。 要通过一个 模拟控制器 支持所有这些拓扑, 需要不同的器件。 不仅是每个 拓扑,而且 在拓扑的内部, 都取决于您希望 该控制器具有的 配置和优点或特性。 因此,您可以看到 这是如何在大量 拓扑上扇出的,涵盖 很多配置,并为您 提供非常具体的 优点,一切都在 一个器件、一个 平台中实现。 我们曾提到过,数字 电源控制器已经成熟了。 伴随着该成熟度, 行业中涌现出 丰富的产品。 因此,问题不仅 在于器件本身, 实际上在于如何 在您的电源中利用 该器件。 因此,您需要 获取在线 工程师对工程师 支持功能,这样 您可以和专家 取得联系,以帮助 您解决问题。 我们都知道,很多 问题会多次被发现, 也会多次被解决。 在当今 这个拥有 互联网的 时代,我们 没有理由再为 解决每个问题 而苦苦挣扎。 培训配套资料 供应商干得很出色, 为他们的产品提供了 深入的培训配套资料。 软件与 器件的 硬件同等重要。 因此,可用的 应用、新手 演示固件、外设 驱动程序和用于 思考我们提供的 拓扑矩阵的实用 程序,是 可用于 所有这些 拓扑的代码, 用于帮助您 加快上市速度, 以便您可以在 有意义的时间 实现您的电源设计。 应用套件,我们 已经讨论过了, 那么,功率因数校正 套件以及直流到直流套件 和所有拓扑。 是否有可用的 软件开发平台, 以便我们可以 验证您要 提交至管理层 进行设计批准 和检查点批准的 电源设计的概念 和拓扑。 然后是工具, 考虑到对器件 进行刷写和测试 制造中的器件, 它们是否从 设计到制造 再到您的工厂 全程提供支持。 那么,现在,我们 将查看有关 数字电源为 我们提供的 一些独特功能的 一些示例,尤其 要查看 UCD3138 PFC 以及电能 监控计量。 使用您的现有 PFC 数字控制器以及 UCD3138 和硬件, 不进行任何 更改,我们的 一些服务器 客户能够消除 他们在板上 安装的一些 专用电能计量 器件,因为我们在 UCD3138 的 PFC 数字 控制解决方案中 集成了该电能计量功能。 结果实际上显示了 出色的精度、低于 200 毫秒的 快速响应时间 以及用于对解决方案 进行校准的简单制造 过程。 因此,这取得了很大的 成功,为服务器客户 节省了 BOM 成本并提高了 其密度,减小了其板 尺寸。 另一个通过 数字控制 呈现的某些 功能的示例 是即时 PSU 固件升级功能。 那么,当您拥有 数字控制产品时, 您需要升级 您的固件或者 升级系数或您的 设计的任何相关东西, 其中的许多 PSU 将进入始终开启、 大多数时间运行的系统, 这些系统具有可靠性 问题,无法重新 启动以对软件 进行现场闪存升级。 因此,UCD3138、06 和 128,4 在内存条架构中提供 这里的闪存 块,该架构专门 支持在执行 一个块的 同时对另一个 块进行编程。 可以即时 切换这些块, 而使处理器 保持空闲状态, 因为硬件负责满足 许多控制环路要求。 一旦将其配置好, 它就可以运行。 这允许 ARM 处理器在 适当的实时切换 时间切换这些块, 保持电源始终 开启并运行。 最后,能够智能 使用某些数字 电源功能, 以便为同步侧 复制同步和 提供预先整流 功能,读取 SR FET 体 二极管导通, 并通过控制信号 对死区时间 控制进行调节, 通过这些 驱动程序 对 SR FET 的体二极管 导通进行死区 时间控制。 这意味着什么? 这意味着, 正如您在这里 看到的,当体二极管 导通为红色时,效率会 极大地提高。 当它不是红色 并且 SR 驱动器 禁用时,效率 曲线以黑色显示。 在这里,SR 驱动器 处于启用状态, 体二极管导通, 在这里,你可以 看到效率以绿色显示 -- 因此效率得到很大的 提高,同时 也不必调节 SR 控制的驱动器 -- SR 控制和制造中的 驱动器,以实现 该水平的效率, 因为它现在 是通过数字 电源控制的智能 和同步整流器 驱动器中 提供的智能 自主实现的。 谢谢。 这就是数字电源 控制器的概述。 现在,我的理解是,我们 将在接下来的 15 分钟内 进行问题解答。

大家好,

我叫 Dennis Barrett。

我是德州仪器 (TI) 高性能电源

控制器的 营销经理。

在接下来的半个 小时中,我们将

介绍数字电源。

我要感谢我的同事 Hrishikesh Nene 和 Valbhav Desai

为该演示中的 材料所做的贡献。

那么,在接下来的 半个小时中,

我们将讨论 数字电源,特别是

数字电源控制器。

在该讨论中, 我们将获得的

好处之一是, 与传统模拟

设计相比, 数字电源

控制器可提供 更高的系统效率

水平。

它们还可以提供 非常高水平的

系统级集成。

这可以为您,使用 较少组件的设计人员,

实现更小的产品, 并且可以实现

更复杂的功能。

数字电源控制器可以 实现更高的功率密度

和更快的控制环路。

数字电源控制器 可以为您的 PSU 设计

提供很高水平的 系统级可靠性、

监控和安全功能。

可以随数字电源 控制器一起选择的

电源拓扑 极为灵活,

数字电源 控制器实际上

只与控制开关 事实的波形的

精度有关,而与 拓扑无关。

最后,该行业 已经成熟,这样

市场上就提供了 非常广泛的数字

电源控制器供选择, 从特定于应用的

产品到完全可编程的 微控制器,再到功率

非常高的 DSP,它们 可在单个器件上

执行 PFC、 交流到直流以及

隔离式直流到 直流功能。

因此,当今的数字电源 在很大程度上是主流应用,

在电源设计领域 具有广泛的应用。

这实际上是 由这里列出的

应用推动的。

在隔离式和 非隔离式

直流到直流 转换器、电源

模块或所谓的 BRICS、 电信整流器、无线基站

和不间断电源中, 电信基础设施是

数字电源技术的 强大适配器。

真正推动这些 终端设备采用

数字电源的需求, 是对不断增长的

功率密度、非常 高水平的效率的

需求,当设计 人员为直流到

直流转换领域、 高频操作以及

始终开启的 可靠系统中

能够提供的每个 百分点效率努力

奋斗时,存在这些需求。

无论过去和现在, 服务器功率都是

数字电源非常 有力的推动因素。

当然,这包括 高端计算、基于

服务器的产品、 高端存储 NAS

类型产品、高端网络, 以及在某种程度上,

PC 电源和游戏。

服务器群中 需要的在功率

因数和 THD 方面 不断提高的法规

水平、电源质量, 法规水平要求的

最低可能总谐波 失真,服务器环境中

电源因保持 始终开启的

功能和可靠性 而要求的冗余,

以及当今的 服务器群中

需要提供的 高级内部

管理和传统 内部管理功能,

都对这起到 推动作用。

在过去的十年中,太阳能 是一个暴涨的市场。

在这里,实际上 在市场中,数字

电源、太阳能 微逆变器和

串式逆变器,具有效率 和更长的使用寿命

推动的需求。

汽车被证明 是对数字电源

具有强烈 需求的新兴领域。

它具有在高级 汽车设计中

变得越来越流行的 双向 48 伏和 12 伏

直流总线, 需要蓄电池

充电和 非车载

EV 和混合充电站。

数字电源 控制器能够

很好满足的 汽车的部分

独特需求包括, PSU 针对故障

报告的非常多变 和复杂的通信功能

以及错误诊断。

利用数字 电源,通过

诊断功能 可以在汽车

领域中实现 极高的可靠性

水平。

持续推动数字 电源增长的

新兴设备,将在 电源设计领域

起主导作用,包括 广泛的工业领域

应用,从大型 工厂自动化

系统中的 焊接机到

测试仪,以及 为这些系统

和电机控制 系统提供

电力的电源单元。

甚至高功率 适配器消费类

领域,以及 非常大的

监视器和电视 领域,效率调节和

负载效率, 不仅四点

负载,而且 轻载水平,

推动数字电源 在这些应用中使用。

在家庭自动化中, 家庭和楼宇中

存在的不断 增长的传感器

数量、控制面板 电源单元中

对这些传感器的 控制,变得越来越

复杂,用于实现 始终开启的

入侵检测和占位 检测系统的诊断报告。

最后, 照明市场,

就在这里, 非常大的

增长,正如我们 看到的,大型项目中

使用的 LED 照明、 楼宇家庭照明、

体育场照明和 其他功能,推动

对数字电源控制器 能够提供的功率

密度的极高需求。

那么,什么是 数字电源系统?

此幻灯片显示了一个 非常通用的方框图。

您有一个输入到 电源系统中的

输入电压 V in, 它由开关构成。

这些可以是 MOSFET、 IGBT、SiCFET、GaNFET 等。

您有一个用于输出 滤波的 LC 网络,您

还有该 输出电压。

现在,该整个 系统的目标是,

无论输入 电压或负载

发生任何变化, 都要保持输出

电压恒定。

这是通过控制 这些开关的开关

方式实现的。

因此,您通常使用 控制驱动开关的

PWM 或脉宽 调制信号的

控制器。

因此,我们可以 控制它们的

占空比,或者 控制相位,

或者控制 周期或频率,

具体取决于 所使用的特定

功率级的 控制参数。

控制器块是 数字电源系统

和传统模拟 电源系统的

区分因素。

那么,让我们看看模拟 系统中开关模式电源

转换器的一个示例。

在幻灯片的顶部, 您将看到功率级。

这里是升压降压 配置中的电感器、

电阻器、电容器网络。

它是精密控制系统。

它使用模拟控制器。

该控制器是 PWM 发生器和补偿器。

因此,当您设计 模拟控制系统时,

您具有要 控制的设备。

输出将进行反馈, 以便与基准进行比较,

基准是所需的输出。

它生成误差信号, 该信号反馈到控制器中。

根据该误差, 控制器将

采取驱动设备 操作的控制措施,

以获取所需的 输出电平。

因此,当您设计 模拟控制系统时,

您将使用 拉普拉斯变换

处理一些微分方程。

那么,您在 S 域中。

您将解这些方程, 以解出组成控制

环路中 微分器

和积分器 网络的

电阻器和电容器值。

因此本质上而言, 您将解出 R1、R2、

C1、C2 的值。

现在,如果我们看看 数字控制的开关

模式电源转换器, 您将在这里看到

该功率级与模拟控制器的 功率级完全相同。

所不同的 是控制块。

您可以看到,我们 基本上使用 PWM

外设模块 代替了

补偿器和 PWM 发生器。

现在通过在 CPU 上 执行的软件来实现

补偿器。

它仍是精密 控制系统。

因此,原理基本上 与模拟系统保持

相同,但当您 查看该控制

系统时,会发现 我们添加了两个块。

在从模拟世界转换到 数字世界时,我们添加了

一个块,在从 数字世界

转换到模拟世界时, 我们添加了另一个块。

在本例中,您将 使用 Z 变换

解差分方程,而不是 使用拉普拉斯变换

解微分方程。

在数字控制 系统中,您将

在差分方程中 解 Z 变换,以找到

系数,例如 b1、b2 等。

需要注意的一个 重点是,系数是

数字化的。

可以在软件中 实时更改它们。

那么,您为什么会 选择数字控制技术,

而不是模拟技术呢?

嗯,与很多事情 一样,这种或那种

选择总是存在 一些优点和一些缺点。

那么,让我们简要 比较一下这两种方法。

那么,此幻灯片再次 显示了一个简化的方框图。

在这里,您将看到 电力电子系统,

它将传感器反馈到控制器中, 该控制器可能是模拟的,

也可能是数字的。

控制器基于该 反馈通过 PWM 信号

将控制操作 驱动到电力

电子系统中。

现在,对于模拟 控制器,您通常

具有很高的 带宽和高分辨率,

很显然,因为您 在连续时域中

工作。

它们很好理解,并且 在历史上具有比数字

控制器更低的成本。

不过,模拟控制器 具有组件漂移和

老化以及组件 容差的缺点。

存在提供 很小灵活性的

硬件问题 -- 它们是硬

连线的,提供的 灵活性非常小。

它们通常限于 经典控制理论。

对于非常复杂的 设计、复杂的系统,

部件数量可能 会变得非常大。

另一方面, 数字控制器

对环境、温度漂移、 组件容差等

不敏感。

它们是软件 可编程的,因此

非常灵活。

它们可以提供非常 灵活的解决方案。

您获得的数字控制 非常精确,并且

很容易进行预测。

可以实现高级控制。

您可以使用非线性 自适应控制、模糊逻辑、

神经网络等。

您也可以执行多个 环路和其他监控

功能。

那么,传统上而言, 数字控制具有

一些缺点 -- 基本上是

带宽限制,具体取决于 您对输入模拟信号

进行采样的速度。

这会限制采样 频率或采样环路。

您切换 PWM 或 PWM 频率、分辨率的

速度限制了 量化等数字

问题,因为 您在离散

时域、模数转换 和数模转换

边界中工作。

因为您现在是在 数字世界中工作,

所以您将遇到 分辨率限制,并且

将遇到量化损失。

模数转换和数模转换 边界的速度是多少?

您进行采样,从信号中 获取输入信号的速度

是多少。

CPU 性能 限制 -- 您

能够计算 多少 -- 您在

特定的时间内 实际上能够

计算和执行多少控制。

特定的接口和 偏置电源要求。

不过,现在对数字 技术的改进在于

您拥有运行 很多很多 MHz

频率的 32 位微控制器, 能够提供非常高效的

控制引擎。

传统控制器的 不同缺点,比如

模数转换 分辨率限制,

正在持续地改进。

12 和 16 位模数 转换等对于

大多数应用而言 是绰绰有余的。

因此,所有这些改进 可提供使我们获得

相同具有准确、 可预测行为的

数字控制器 优点的性能

水平,并且 避免模拟

控制器的 一些对齐

和漂移 以及温度

和其他糟糕 缺点的不敏感性,

它们可能使 设计工作

严重地复杂化。

因此,在本质上, 我们可以说,

由于技术的 发展和进步

超出了对模拟 控制器中存在的

缺点的抵消, 我们现在已经

克服了这些缺点。

该幻灯片显示了一个 完整的整流器系统。

顶部的图 显示了使用

模拟解决方案的实现。

在本例中,对于该系统, 您有一个交流输入。

您有一个前端功率 因数校正系统。

您还有一个隔离式 直流到直流级。

对于该具有 模拟实现的系统,

您具有用于控制 PFC 级的功率因数

校正控制器。

您具有用于控制直流 到直流级的独立直流

到直流控制器。

因此,针对系统的 不同部分使用

多个芯片。

在这里, 微控制器

仅用于监控 和测试目的。

这是专用设计。

例如,您有 一个 1 千瓦的

系统设计。

而您需要使用 完全相同的

功率级拓扑进行 10 千瓦的设计。

但是您现在希望 为 10 千瓦做好准备。

那么,当您从 1 千瓦转向 10 千瓦时,

您很可能需要重新 设计您的整个系统 --

用于 10 千瓦 系统的所有

电路、控制 环路、接口

电路等。

现在,如果 以数字方式

实现相同的 系统,如该底部的

图中所显示的, 将通过单个数字

电源控制系统 执行所有功能。

因此,我们具有相同的 功率级,相同的前端功率

因数校正级,后跟 直流到直流级,

所有这些都将由单个 控制器进行控制。

因此,这意味着 您可以取消一些组件。

您可以通过 更少的组件

降低您的制造成本。

您在拐角处 具有更佳的性能。

那么,这意味着什么?

假设您具有 600 瓦的设计,

并且您设计您的 所有控制参数。

因此您获得在 600 瓦 情况下的最佳性能。

但是,当您在 900 瓦或 100 瓦的情况下工作时,

会发生什么情况?

相同的参数无法在您的 系统中为您提供最佳的

性能。

因此,在这种 情况下,利用

数字系统,数字控制器 可以更改这些系数或

控制系数, 因此您可以

在您的规格边界上 获取最佳性能。

您可以拥有 用于不同规格

范围的多个系数。

根据该示例的 一个设计多个电源,

其中您具有一个 1 千瓦的 系统和一个 10 千瓦的系统,

如果它们使用相同的 功率级拓扑,当您从 1 千瓦

转换到 10 千瓦设计时, 所要改变的仅仅是

功率级本身。

如果您正确 缩放信号,

接口电路的所有其他 东西都将保持不变。

您甚至可以使用 非常类似的软件结构。

故障预测, 数字控制

可以为系统 提供智能,

因此您可以 执行不同的,

比如频率分析, 以检查机械

振动等,预测 故障和故障

机制,并且更正它。

一个器件,多个 直流输出,一个

控制器可以控制 多个直流输出或环路。

当然,对于 数字控制,

您具有可变的直流输出。

例如,假设您的 PFC 级输入是

通用线路交流, 来自 PFC 级的

输出是中间直流 总线,大约为 400 伏,

直流到直流级 是 12 伏输出。

根据负载情况 -- 您可能希望

更改中间 总线的电平 --

如果您在很低的 负载情况下工作,

您可能需要把它 一直升压到 400 伏。

在低压线路下, 您可能会升压到

300 至 350,并在这些 情况下获得提高的性能。

利用数字控制 可以实现这一切。

因此,数字电源 现在已经成熟,

对于什么是数字 电源控制器和架构,

存在不同的概念。

这里有三种 基本的概念,

德州仪器 (TI) 提供 和支持这些概念。

我们不会 在这里放弃

这些数字电源 控制中的任何一个。

它实际上取决于 您的应用和您的

系统以及您要 设法实现的目标。

那么,第一个实现 是一个封闭系统。

它是一个按照与产品说明书 器件相同的方法实现的

数字控制器,作为 一个模拟控制器

呈现给您。

我们提供此类 器件,例如 UCC28630

和 UCC29950 控制器。

第二个类别是软件 管理的具有 MCU 的器件。

但它们还通过 门在硬件中

实现大部分的 控制,数字控制。

有两个 子类别。

一个具有 MCU 的 子类别无法

使用编程语言 进行编程,通常

只能通过配置 GUI 进行配置。

我们有一个 示例,例如 UCC92xx

系列的数字 负载点控制器,

其中我们 使用此类架构。

另一种架构 使用开放 MCU。

因此您有一个 MCU 和 一些门、硬件日期,

其中 MCU 完全可供 工程师使用 C 代码

进行编程。

我们的示例是 TI UCD3xxx 数字控制器

系列。

有完全能够 进行软件

编程的架构。

通常,它们需要 使用 DSP 来实现

控制环路,这需要 很高的循环速度

和并行执行。

它们具有用于进行 模数转换和数模

转换的集成硬件、模拟 比较器,专门用于电源。

我们有一个关于 C2000 MCU 产品中该系列

的示例。

那么,这里的 C2000 实时 微控制器具有 DSP

内核、集成 ADC、 DWM 外设、数字

模拟控制器。

它还有一个浮点 可编程单元,或者

我们称之为控制 环路加速器,

它有一个最小 指令集,适用于

专为电源控制 定制的大小。

在 UCD3xx 集成 数字电源

控制器上, 您可以看到

这里是具有大量 数字门的示例,

这些门执行 控制中的环路功能。

微控制器 基本上负责

配置硬件 功能和控制

与 PSU 系统的

所有通信。

因此,该架构中 可提供很高性

能的 DAC。

通过硬件实现增强的 双极点 20 数字补偿器。

然后八个 PWM, 器件上的数字 PWM,

高级电源 c控制功能,

专门针对您的 需求和电源

设计的各种 保护,然后与

多个外设的 可靠通信,

包括 PMBus, 这将是

在接下来 几周内

开展的另一个 电源研讨会的主题。

最后是数字 内核,它可以

在器件中实现 灵活的内部管理。

因此,您可以看到该器件 在很大程度上是通过

很多数字高速门 构建而成,具有

一个用于监控的控制器 和一个 12 位通用 ADC。

那么,我们已经 讨论了电源拓扑

以及数字控制 在拓扑中有多么灵活。

该幻灯片实际上 是对这一点的说明。

在它的中间,您可以 看到我们曾讨论过的

UCD3138 控制器 和同一器件

支持的不同拓扑。

要通过一个 模拟控制器

支持所有这些拓扑, 需要不同的器件。

不仅是每个 拓扑,而且

在拓扑的内部, 都取决于您希望

该控制器具有的 配置和优点或特性。

因此,您可以看到 这是如何在大量

拓扑上扇出的,涵盖 很多配置,并为您

提供非常具体的 优点,一切都在

一个器件、一个 平台中实现。

我们曾提到过,数字 电源控制器已经成熟了。

伴随着该成熟度, 行业中涌现出

丰富的产品。

因此,问题不仅 在于器件本身,

实际上在于如何 在您的电源中利用

该器件。

因此,您需要 获取在线

工程师对工程师 支持功能,这样

您可以和专家 取得联系,以帮助

您解决问题。

我们都知道,很多 问题会多次被发现,

也会多次被解决。

在当今 这个拥有

互联网的 时代,我们

没有理由再为 解决每个问题

而苦苦挣扎。

培训配套资料 供应商干得很出色,

为他们的产品提供了 深入的培训配套资料。

软件与 器件的

硬件同等重要。

因此,可用的 应用、新手

演示固件、外设 驱动程序和用于

思考我们提供的 拓扑矩阵的实用

程序,是 可用于

所有这些 拓扑的代码,

用于帮助您 加快上市速度,

以便您可以在 有意义的时间

实现您的电源设计。

应用套件,我们 已经讨论过了,

那么,功率因数校正 套件以及直流到直流套件

和所有拓扑。

是否有可用的 软件开发平台,

以便我们可以 验证您要

提交至管理层 进行设计批准

和检查点批准的 电源设计的概念

和拓扑。

然后是工具, 考虑到对器件

进行刷写和测试 制造中的器件,

它们是否从 设计到制造

再到您的工厂 全程提供支持。

那么,现在,我们 将查看有关

数字电源为 我们提供的

一些独特功能的 一些示例,尤其

要查看 UCD3138 PFC 以及电能

监控计量。

使用您的现有 PFC 数字控制器以及

UCD3138 和硬件, 不进行任何

更改,我们的 一些服务器

客户能够消除 他们在板上

安装的一些 专用电能计量

器件,因为我们在 UCD3138 的 PFC 数字

控制解决方案中 集成了该电能计量功能。

结果实际上显示了 出色的精度、低于

200 毫秒的 快速响应时间

以及用于对解决方案 进行校准的简单制造

过程。

因此,这取得了很大的 成功,为服务器客户

节省了 BOM 成本并提高了 其密度,减小了其板

尺寸。

另一个通过 数字控制

呈现的某些 功能的示例

是即时 PSU 固件升级功能。

那么,当您拥有 数字控制产品时,

您需要升级 您的固件或者

升级系数或您的 设计的任何相关东西,

其中的许多 PSU 将进入始终开启、

大多数时间运行的系统, 这些系统具有可靠性

问题,无法重新 启动以对软件

进行现场闪存升级。

因此,UCD3138、06 和 128,4 在内存条架构中提供

这里的闪存 块,该架构专门

支持在执行 一个块的

同时对另一个 块进行编程。

可以即时 切换这些块,

而使处理器 保持空闲状态,

因为硬件负责满足 许多控制环路要求。

一旦将其配置好, 它就可以运行。

这允许 ARM 处理器在

适当的实时切换 时间切换这些块,

保持电源始终 开启并运行。

最后,能够智能 使用某些数字

电源功能, 以便为同步侧

复制同步和 提供预先整流

功能,读取 SR FET 体

二极管导通, 并通过控制信号

对死区时间 控制进行调节,

通过这些 驱动程序

对 SR FET 的体二极管 导通进行死区

时间控制。

这意味着什么?

这意味着, 正如您在这里

看到的,当体二极管 导通为红色时,效率会

极大地提高。

当它不是红色 并且 SR 驱动器

禁用时,效率 曲线以黑色显示。

在这里,SR 驱动器 处于启用状态,

体二极管导通, 在这里,你可以

看到效率以绿色显示 -- 因此效率得到很大的

提高,同时 也不必调节

SR 控制的驱动器 -- SR 控制和制造中的

驱动器,以实现 该水平的效率,

因为它现在 是通过数字

电源控制的智能 和同步整流器

驱动器中 提供的智能

自主实现的。

谢谢。

这就是数字电源 控制器的概述。

现在,我的理解是,我们 将在接下来的 15 分钟内

进行问题解答。

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所属课程:数字电源简介 发布时间:2019.03.11 视频集数:1 本节视频时长:00:34:18

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