【導讀】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。本文將討論數字電源控制在高壓應用中的一些優(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。本文將討論數字電源控制在高壓應用中的一些優(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備
可靠性對于確保高壓系統(tǒng)不間斷運行至關重要。通過為電力電子設備提供可靠的過壓、過流和熱應力保護，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、能源基礎設施和電力輸送等快速增長的領域，這些領域對高壓電力電子設備的要求越來越高。
因此，數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階段而需要分配的設計人員總數。
實時 MCU 和數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確的響應。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，從而為電力電子設備提供保護。這些器件能精確控制電源開關和調制方法，在安全范圍內優(yōu)化 FET 的性能，并更大限度減少元件應力。
能夠同時控制多個功率級
現(xiàn)代高壓系統(tǒng)的功率水平和復雜性不斷提高，這往往意味著一個系統(tǒng)內要運行多個功率級。因此，需要一個功能強大的實時 MCU 或數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生的電力轉換為高直流總線電壓并隨后將直流電轉換為電網交流電的直流/直流功率級。德州儀器的 C2000? 實時 MCU 可以驅動這些功率級，同時提供高級監(jiān)測和輔助控制功能。基于 GaN 的 1.6kW 雙向微型逆變器參考設計有一個能夠處理所有四個直流/直流升壓功率級的 TMS320F280039C MCU，以及一個轉換器-電感器-電感器-電感器-轉換器和一個單相圖騰柱功率因數校正器 (PFC)。新款 TMS320F28P550SJ 的計算能力更強，擁有多達 24 個脈寬調制通道和 39 個模數轉換器通道，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。一個示例是服務器 PSU 等交流/直流應用中的功率因數校正 (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驗豐富的設計人員必須重新計算、測試和驗證他們的工作。使用數字電源控制器，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主要通過固件實現(xiàn)，因此可以節(jié)省設計團隊的寶貴時間。此外，數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。為了在運行日益復雜的功率級時實現(xiàn)出色的可靠性和可擴展性，數字電源控制器和實時 MCU 為需要高壓 FET 的終端設備提供了多種選擇。
最大化軟件和硬件解決方案的投資
在當今的高壓系統(tǒng)中，對冗余性、國際標準合規(guī)性以及降低工程設計活動外部依賴性的需求日益增長。可擴展的平臺應通過兼容的硬件和軟件支持各種設計。德州儀器提供參考設計、評估模塊、調試器和程序等資源，幫助客戶在不同應用中更快地評估數字電源控制器和 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，旨在加快原型設計和軟件開發(fā)。Fusion Digital Power? Studio 等 GUI 工具能夠快速調整和優(yōu)化通常需要外部元件才能執(zhí)行的參數，并支持針對原型設計和量產需求進行器件編程。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)，其中包括各種應用、產品、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)
數字電源控制器與實時 MCU 的不同應用場合
適合使用數字電源控制器的場合：
? 在設計中需要數字技術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)路的數字電源外設來實現(xiàn)更高的帶寬。
? 在應用中更希望通過簡單易用的 GUI 進行參數調整和優(yōu)化，而不是通過嚴謹的固件開發(fā)來實現(xiàn)此目的。
? 更希望采用適合電源控制的 ARM 內核，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：
在設計中需要精確的自適應控制和對系統(tǒng)狀況的快速響應，例如在動態(tài)并網逆變器或電機驅動器中。
? 在應用中需要執(zhí)行復雜算法，例如先進調制技術或預測性控制策略。
? 需要無縫集成外設、通信接口或復雜的系統(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 上的數字電源技術頁面。
圖 3: 德州儀器電源控制器格局
結語
建設更可持續(xù)的未來取決于電動汽車、雙向能量收集和存儲系統(tǒng)以及更高效的數據中心等高壓應用的增長，這些應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產品系列，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權利用率。
其他資源
閱讀以下應用手冊：
? UCD3138x 器件簡介
? 使用 C2000 實時微控制器進行開發(fā)的必備指南
查看以下參考設計：
? 1kW 數字控制電流模式 LLC 參考設計
? 適用于電信和服務器 PSU、配備電表且效率為 97.5% 的 1kW 緊湊型數字 PFC 參考設計
? 基于 GaN 的 1.6kW 雙向微型逆變器參考設計
關于德州儀器 (TI)
德州儀器是一家全球性的半導體公司，從事設計、制造和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個人電子產品、通信設備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導體技術讓電子產品更經濟實用，讓世界更美好。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎上，使我們的技術變得更可靠、更經濟、更節(jié)能，從而實現(xiàn)半導體在電子產品領域的廣泛應用。
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