Цифровые сигнальные контроллеры для преобразования мощности

ОБЗОР • Использование цифровых сигнальных контроллеров • Широтно-импульсная модуляция • Стоимость систем преобразования мощности • Меньше обслуживания, большая эффективность

Современные цифровые системы преобразования мощности предоставляют широкие возможности управления и контроля. В цифровых системах циклы с обратными или упреждающими связями, регулирующие мощность на выходе, напрямую управляются цифровым сигнальным контроллером, который управляет коэффициентом заполнения импульсов источника питания с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

При цифровом контроле сигнала одновременно возможно управлять его параметрами, проводить различные измерения и протоколировать их результаты. В предыдущих поколениях приборов сигнал преобразовывался аналоговыми цепями, а управление осуществлял микроконтроллер. На рисунке сравниваются два подхода: импульсный источник питания с выбором режимов генерации на основе смешанного (аналого-цифрового) и чисто цифрового метода.

Достоинства цифрового подхода

У цифрового метода преобразования мощности много достоинств:

• Большая универсальность и гибкость.

• Более совершенные управляющие алгоритмы.

• Полный контроль работы, включая возможность обнаружения сбоев.

• Управление и мониторинг работы в реальном времени.

• Экономичность системы.

• Возможность снижения стоимости изоляции.

• Большая эффективность и производительность.

• Надежная защита интеллектуальной собственности.

Как утверждают представители Freescale Semiconductor, полностью цифровые схемы (справа) превосходят смешанные аналогово-цифровые (слева) не только в экономичности и производительности, но и в простоте конструкции

Цифровой импульсный источник питания демонстрирует свои преимущества во многих приложениях. Основная его цель — обеспечить стабильную мощность вне зависимости от напряжения входной сети. Благодаря высокой эффективности и запасу мощности, он часто используется в офисном оборудовании, компьютерах, системах связи и других приложениях.

В каждом приложении преобразования мощности к ЦСК предъявляются высокие требования. Необходима возможность быстрого цифрового управления сигналом, надежный микроконтроллер, высокопроизводительная периферийная подсистема ШИМ-модуляции, 12-битный АЦП, таймер и встроенная флэш-память.

Устройство импульсного выпрямителя

Высокочастотный цифровой выпрямитель состоит из преобразователя переменного тока в постоянный с коррекцией мощности и полномостового конвертора постоянного тока. Для увеличения эффективности прибора, уменьшения нагрузок на него и снижения потерь при переключении в состав выпрямителя входят два переключателя нулевого напряжения. Преобразование постоянного напряжения основано на полной мостовой схеме с фазовым сдвигом.

Фазовый сдвиг осуществляется встроенными функциями интегрированного на микросхеме ШИМ-модуля. С другой стороны в схеме используется двойное выпрямление тока. Эта схема позволяет избавиться от дорогостоящего изолирования аналоговых сигналов, уменьшить тепловыделение и размер печатной платы, а также повысить эффективность схемы. Технические параметры схемы следующие:

• Входное напряжение: переменное, 85-265 В.

• Частота входного напряжения: 45-65 Гц.

• Частота переключения преобразователя: 100 кГц.

• Напряжение питания шины постоянного тока: 380 В.

• КПД преобразования мощности: >0,99.

• Частота переключения преобразователя постоянного тока: 150 кГц.

• Выходное напряжение: 48 В.

Производительность цифрового преобразователя мощности сильно зависит от управляющего процессора. Преобразователи постоянного тока особенно требовательны: в их типичных приложениях требуется высокочастотная ШИМ-модуляция, таймеры с высокой разрешающей способностью и меньший размер.

Ниже приведена схема двухполупе-риодного упреждающего преобразователя постоянного тока с выбором режимов генерации и управлением от ЦСК. Дополнительно могут быть реализованы интерфейсы связи на основе SPI, SCI или I2C. Прибор преобразует постоянное напряжение в диапазоне 36-75 Вольт в 3,3 В с регулировкой мощности.

Производительность цифрового преобразователя мощности сильно зависит от мощности контроллера. Для качественного преобразователя постоянного тока требуется высокочастотная ШИМ модуляция, таймеры с высокой разрешающей способностью и компактность элементов

Программное управление

Управлением приборов на программном уровне занимаются циклы с обратной или упреждающей связью. Обычно управление ЦСК сводится к следующим функциям:

• Мониторинг входного напряжения.

• Управление питанием.

• Для изменения выходного напряжения 3,3 В используется метод управления средним током.

• Контроль системы преобразования мощности и протоколы связи.

• Обработка ошибок и выбор режимов.

• Выполнение загрузки прибора при включении.

Применения ЦСК: • Источники бесперебойного питания. • Преобразователи питания с выбором режимов и различного типа: выпрямители или преобразователи постоянного напряжения. • Инверторы различных типов: преобразование переменного тока или постоянного в переменный.

• Откат назад при превышении тока (если сила тока выходит за диапазон, прибор переключается в режим управления постоянным током).

• При выходе температуры, напряжения или силы тока за рабочий диапазон происходит перезагрузка системы.

Благодаря применению цифровых методов для управления ЦСК, удалось уменьшить число компонентов системы, увеличить ее надежность, и появилась возможность внедрить дополнительные, более сложные функции. Последнее осуществляется на программном уровне и не требует изменения структуры контроллера. Разработаны алгоритмы, которые позволяют повысить производительность и эффективность ЦСК.

Еще одно преимущество, которое дает программирование функциональных возможностей, — простота защиты интеллектуальной собственности. В отличие от аналогового прибора, она более надежная и легкая.

Программа во флэш-памяти определяет всю функциональность прибора. Поэтому на базе одной платформы можно сделать различные приборы, отличающиеся только дополнительными модулями.

Основная цель текущих разработок ЦСК — сделать цифровые методы управления мощностью выгодными с экономической точки зрения. Их характеристики и достоинства позволяют говорить об их преимуществе над стандартными методами.