【導(dǎo)讀】隨著功率水平需求的提升和現(xiàn)代電源系統(tǒng)的日趨復(fù)雜，對高壓系統(tǒng)的需求也發(fā)生了重大變化。為了有效滿足這些需求，有必要采用實時 MCU 或數(shù)字電源控制器來控制先進的電源拓撲，通過這些出色的拓撲來同時滿足精細的規(guī)格和各種電源要求。本文將討論數(shù)字電源控制在高壓應(yīng)用中的一些優(yōu)勢，并演示其如何助力先進電源系統(tǒng)的安全高效運行。
隨著功率水平需求的提升和現(xiàn)代電源系統(tǒng)的日趨復(fù)雜，對高壓系統(tǒng)的需求也發(fā)生了重大變化。為了有效滿足這些需求，有必要采用實時 MCU 或數(shù)字電源控制器來控制先進的電源拓撲，通過這些出色的拓撲來同時滿足精細的規(guī)格和各種電源要求。本文將討論數(shù)字電源控制在高壓應(yīng)用中的一些優(yōu)勢，并演示其如何助力先進電源系統(tǒng)的安全高效運行。
提高系統(tǒng)可靠性并保護電力電子設(shè)備
可靠性對于確保高壓系統(tǒng)不間斷運行至關(guān)重要。通過為電力電子設(shè)備提供可靠的過壓、過流和熱應(yīng)力保護，可以延長元件的使用壽命、提高安全性、降低維護成本并更大限度減少停機時間，從而確保高效可靠的性能，避免意外故障。
過去廉價而簡單的分立式模擬產(chǎn)品缺乏必要的靈活性和穩(wěn)健性，無法大規(guī)模投入使用，特別是在混合動力和電動汽車、能源基礎(chǔ)設(shè)施和電力輸送等快速增長的領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)Ω邏弘娏﹄娮釉O(shè)備的要求越來越高。
因此，數(shù)字電源在電源拓撲選擇、系統(tǒng)級功能和安全保護等方面的表現(xiàn)更為出色，同時更大限度減少了項目從原型階段進入量產(chǎn)階段而需要分配的設(shè)計人員總數(shù)。
實時 MCU 和數(shù)字隔離式電源控制器可以提高此類系統(tǒng)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(zhǔn)確的響應(yīng)。這樣就能提高穩(wěn)定性，降低對瞬態(tài)事件的易感性，并提升整體性能。
MCU 和數(shù)字電源控制器還能快速檢測過流、過壓和過熱等故障，并觸發(fā)即時保護措施，從而為電力電子設(shè)備提供保護。這些器件能精確控制電源開關(guān)和調(diào)制方法，在安全范圍內(nèi)優(yōu)化 FET 的性能，并更大限度減少元件應(yīng)力。
能夠同時控制多個功率級
現(xiàn)代高壓系統(tǒng)的功率水平和復(fù)雜性不斷提高，這往往意味著一個系統(tǒng)內(nèi)要運行多個功率級。因此，需要一個功能強大的實時 MCU 或數(shù)字控制器來同時控制所有這些器件。
一個示例是用于太陽能應(yīng)用的微型逆變器。典型的微型逆變器系統(tǒng)涉及多個功率級，包括將太陽能電池板產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)換為高直流總線電壓并隨后將直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)交流電的直流/直流功率級。德州儀器的 C2000? 實時 MCU 可以驅(qū)動這些功率級，同時提供高級監(jiān)測和輔助控制功能?；?GaN 的 1.6kW 雙向微型逆變器參考設(shè)計有一個能夠處理所有四個直流/直流升壓功率級的 TMS320F280039C MCU，以及一個轉(zhuǎn)換器-電感器-電感器-電感器-轉(zhuǎn)換器和一個單相圖騰柱功率因數(shù)校正器 (PFC)。新款 TMS320F28P550SJ 的計算能力更強，擁有多達 24 個脈寬調(diào)制通道和 39 個模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)字電源控制器（如 UCD3138A）可用于同時控制多個功率級。一個示例是服務(wù)器 PSU 等交流/直流應(yīng)用中的功率因數(shù)校正 (PFC)。另一個示例是適用于 48V 或 12V 等電信電源的高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器。為了實現(xiàn)多種器件型號來支持不同功率水平并滿足不同地區(qū)的需求，使用分立式模擬控制器的經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員必須重新計算、測試和驗證他們的工作。使用數(shù)字電源控制器，只需一個器件即可控制整個系統(tǒng)，并且在不同的項目之間更改電壓和電流閾值等參數(shù)主要通過固件實現(xiàn)，因此可以節(jié)省設(shè)計團隊的寶貴時間。此外，數(shù)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(fù)雜的功率級時實現(xiàn)出色的可靠性和可擴展性，數(shù)字電源控制器和實時 MCU 為需要高壓 FET 的終端設(shè)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(dāng)今的高壓系統(tǒng)中，對冗余性、國際標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性以及降低工程設(shè)計活動外部依賴性的需求日益增長。可擴展的平臺應(yīng)通過兼容的硬件和軟件支持各種設(shè)計。德州儀器提供參考設(shè)計、評估模塊、調(diào)試器和程序等資源，幫助客戶在不同應(yīng)用中更快地評估數(shù)字電源控制器和 MCU，從而降低對定制電路板開發(fā)的需求。德州儀器還提供用于不同系統(tǒng)配置的軟件庫和固件示例，旨在加快原型設(shè)計和軟件開發(fā)。Fusion Digital Power? Studio 等 GUI 工具能夠快速調(diào)整和優(yōu)化通常需要外部元件才能執(zhí)行的參數(shù)，并支持針對原型設(shè)計和量產(chǎn)需求進行器件編程。UCD3138A 生態(tài)系統(tǒng)中提供的資源概況如圖 1 所示。
圖 1: UCD3138A 數(shù)字電源控制器生態(tài)系統(tǒng)
圖 2 展示了 C2000 實時 MCU 的生態(tài)系統(tǒng)，其中包括各種應(yīng)用、產(chǎn)品、硬件平臺、開發(fā)工具和軟件開發(fā)套件。
圖 2: C2000 實時 MCU 生態(tài)系統(tǒng)
數(shù)字電源控制器與實時 MCU 的不同應(yīng)用場合
適合使用數(shù)字電源控制器的場合：
? 在設(shè)計中需要數(shù)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，同時希望利用具有專用反饋環(huán)路的數(shù)字電源外設(shè)來實現(xiàn)更高的帶寬。
? 在應(yīng)用中更希望通過簡單易用的 GUI 進行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，而不是通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓碳_發(fā)來實現(xiàn)此目的。
? 更希望采用適合電源控制的 ARM 內(nèi)核，并通過雙存儲器組輕松進行實時固件更新，從而實現(xiàn)零停機時間。
適合使用實時 MCU 的場合：
在設(shè)計中需要精確的自適應(yīng)控制和對系統(tǒng)狀況的快速響應(yīng)，例如在動態(tài)并網(wǎng)逆變器或電機驅(qū)動器中。
? 在應(yīng)用中需要執(zhí)行復(fù)雜算法，例如先進調(diào)制技術(shù)或預(yù)測性控制策略。
? 需要無縫集成外設(shè)、通信接口或復(fù)雜的系統(tǒng)診斷來實現(xiàn)全面的系統(tǒng)監(jiān)測和控制。
上述要點匯總于圖 3 中，另請參閱 TI.com 上的數(shù)字電源技術(shù)頁面。
圖 3: 德州儀器電源控制器格局
結(jié)語
建設(shè)更可持續(xù)的未來取決于電動汽車、雙向能量收集和存儲系統(tǒng)以及更高效的數(shù)據(jù)中心等高壓應(yīng)用的增長，這些應(yīng)用需要先進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時控制技術(shù)產(chǎn)品系列，您可以靈活可靠地同時控制多個功率級，并通過配套的生態(tài)系統(tǒng)更大限度提高項目之間的知識產(chǎn)權(quán)利用率。
其他資源
閱讀以下應(yīng)用手冊：
? UCD3138x 器件簡介
? 使用 C2000 實時微控制器進行開發(fā)的必備指南
查看以下參考設(shè)計：
? 1kW 數(shù)字控制電流模式 LLC 參考設(shè)計
? 適用于電信和服務(wù)器 PSU、配備電表且效率為 97.5% 的 1kW 緊湊型數(shù)字 PFC 參考設(shè)計
? 基于 GaN 的 1.6kW 雙向微型逆變器參考設(shè)計
關(guān)于德州儀器 (TI)
德州儀器是一家全球性的半導(dǎo)體公司，從事設(shè)計、制造和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟實用，讓世界更美好。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，使我們的技術(shù)變得更可靠、更經(jīng)濟、更節(jié)能，從而實現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
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