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 TIUCD3xxx 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 C2000MCU 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 UCD3138PFC 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