數字信號處理（DSP）控制在電源和電源系統中的應用帶來了巨大的效益。從通信和控制到支持網絡化的工廠和高效的智能制造，被稱為工業4.0、第四次工業革命或更廣泛地作為物聯網（IOT），通過在終端設備內的通信和控制和/或裁剪來實現在獨立應用中的靈活性和效率，在終端設備開發階段提供電源，以確保高效集成和優化性能特性。

在這里，我們將介紹在將電源和電源系統集成到連接和獨立的應用程序和設備中時，真正的數字控制所提供的背景、可能性和好處。

背景

電源和電源系統中的數字控制大致分為兩種實現方式。更常見的方法是在傳統的模擬控制系統和外部世界之間建立一個數字接口，通過通信總線提供信號和警報以及各種級別的控制。

帶數字接口的模擬電源

簡單、低成本的微控制器也已在電力應用中實現了許多年的功能，如風扇轉速控制、保護功能和報警檢測。

越來越多的制造商正在使用數字信號處理（DSP）通過微控制器進行電力系統控制，從而帶來更高級的功能，大大增強了靈活性，實現允許用戶可編程的特性和特征。

數字電源

毫無疑問，與現成的模擬控制器相比，數字信號處理器的成本更高，但隨著時間的推移，能夠實現全數字信號處理器控制的微控制器的成本已經降低，使得這成為一個越來越有吸引力和可取的解決方案，因為它提供了顯著的好處，特別是隨著額定功率的增加。所需的混合域架構，將功率模擬設計原理與離散時間域或z域（而非頻率域或s域）中的有效代碼和控制回路的穩定性相結合，已被主要電力制造商的產品設計和開發團隊充分證明和理解。

雖然開發、記錄、驗證和批準高效、可靠的固件需要大量的時間和資源來確保可靠的電源，一旦進行了初步投資，就可以實現數字電源的顯著好處，并能夠在范圍廣泛的產品和平臺上重用固件，而改動相對較小。

數字控制回路的優點是對環境、溫度、老化和部件公差的變化不敏感。它們可以在制造點進行校準，以進一步提高精度，并且能夠實時監測電源系統的性能，并調整參數，以便在工作點進行優化性能調整，從而提高效率和減少功率損耗。

數字信號處理（DSP）的特點和優點

全數字電源能夠提供無與倫比的靈活性和可調節性，以適應廣泛的應用，而不需要傳統的模擬控制系統所要求的硬件變化和適應。

數字信號處理器（DSP）控制回路根據需要調整轉換器的工作模式，使輸出電壓和電流的調節范圍達到0-105-110%。它們簡化了恒流過載特性的實現，在現代諧振開關拓撲中，恒流過載特性是復雜和昂貴的，而不需要犧牲效率。這就需要在同一功率轉換階段采用多種切換方案和控制算法，以在所需的工作點實現最佳性能，這是一項極其復雜的任務，如果不是不可能的話，在傳統的具有固定硬件驅動和補償方案的模擬控制方案中也是如此。這種寬范圍控制可以實現為持續可變的電源，以最大限度地提高系統靈活性和效率，或者在系統開發階段利用，以優化應用程序的供應特性，而不需要硬件更新。

DSP還允許用戶在軟件中確定啟動斜坡時間、軟啟動特性和回轉率，這是導致傳統控制系統硬件改變的另一個特性。

用戶可通過軟件設置輸入過壓/欠壓、輸出過壓/欠壓、輸出欠流/過流、溫度報警和故障條件等報警等級和故障條件，以適應應用。DSP的使用還允許用戶指定應用于單個警告或故障條件的響應類型和延遲時間。警告或故障條件下的選項可能會有所不同，例如持續操作一小段延遲，然后禁用、無限期繼續操作、禁用和重試（包括重試次數和關機前重試間隔時間）以及在確定或禁用和鎖定時禁用和恢復，所有功能都由用戶來選擇。

數字控制系統還允許用戶設置信號、警報和控制的極性，以滿足系統需求。一個很好的例子是通過切換數字開關，將遠程開/關控制設置為禁用或啟用。

來自電源系統的信息可通過通信接口隨時獲取，以便報告和狀態，如型號、版本、序列號、運行時間、工作溫度和故障/事件日志。

這種靈活性和用戶控制的水平是可能的，因為數字電源應用的最新微控制器包含DSP功能，允許數字控制環路在一個切換周期的一小部分、每個切換周期內執行。在下面的簡化示例中，每個開關周期對輸出電壓采樣一次。典型的ADC轉換時間是幾百納秒。

控制回路和備用帶寬的簡化示例

MCU不花費在執行控制器上的時間是空閑帶寬，該空閑帶寬可用于執行其他任務或功能。低優先級任務在一個慢循環中運行，并在高優先級任務發生時中斷，例如ADC中斷以運行控制循環代碼。

通過在電源中使用模擬-數字轉換器（ADC），數字電源的模擬控制通常也適用于使用傳統的0-5V或0-10V控制信號的系統，所有報警和控制通常可以通過常規連接以及通過通訊總線。

系統連接

隨著互聯、智能工廠和物聯網應用的興起，通信和控制越來越重要，這些應用得益于電源系統的實時狀態信息以及調整和控制輸入，允許實時調整，以最大限度地提高效率的過程中受益于準確的電壓和/或電流供應和調整這些能力，以適應環境和應用。

除了能夠實時調整輸出電壓、電流和功率傳輸，以使敏感過程或測試應用中的系統效率最大化，數字電源產品能夠報告警告、故障條件、功率傳遞信息、運行時間、溫度數據和事件日志。

從常用的I2C/PMBUS和RS232/RS485串行總線到支持設備網和以太網的接口解決方案，有一系列數字接口和方案可供選擇，以適應各種環境、應用和要求。

雖然并非所有的終端應用都需要與外部世界通信，在終端設備內與電力系統的參數進行通信和調整的能力可以增強功能和運行特性，并有可能通過替換傳統固定輸出電源所需的外部硬件控制來節省成本。支持數字信號處理器的電源可以支持對輸出電壓、電流和電源輸出的動態要求，這些要求通常與成本更高的實驗室電源相關，在允許公差的情況下，并且能夠直接從成本效益高的電源執行復雜的測試、老化和處理程序。

獨立應用程序

在不需要外部或內部通信的終端設備中，調整電源以適應應用、簡化集成和消除需要修改標準或自定義電源解決方案的應用特定解決方案的需要仍然有好處。

輸出電壓、輸出電流、功率輸出、警告、警報、保護和控制可在開發階段進行調整、評估、修改和最終確定，從而在固件中創建一組獨特的特性，然后由電源供應商在最終設備生產階段的制造點實施。這些特性的迭代可以在相同的標準產品上實現，與傳統電源產品所需的硬件更改相比，節省了相當多的時間和成本。

采用模擬控制進行電壓或電流調整的終端應用仍然受益于再次確定報警和控制信號的警告和故障條件設置、響應和極性設置的能力，而無需借助研發，EMC和安規批準需要涉及的具有時間延遲，風險，成本的特定應用或完全定制的電源解決方案。

數字電源制造商通常提供圖形用戶界面（GUI），使用戶能夠為此目的定義需求，并能夠快速評估連接應用程序的能力。下面是一個典型的例子。

XP的HPT系列數字電源的圖形用戶界面（GUI）

總之，在電源和電源系統的許多，通常是更高功率（1kW+）的應用中，實現DSP控制有許多明顯的、可實現的優勢，這得益于靈活性以及節省時間和成本。對于簡單、低功耗的應用，它可能過于復雜且成本高昂，標準現成的模擬控制器能夠快速上市，同時對于常用的拓撲結構的收購成本較低。

　　Gary Bocock： 2019年8月