Tecnología de sistemas de energía
Diseño óptimo de un sistema de energía digital inteligente
Presenta las principales características y el estado de desarrollo del sistema de energía digital, analiza brevemente las características de rendimiento y los principios de funcionamiento de varios chips que componen el sistema. Centrarse en el diseño de circuitos del sistema de energía digital. Proporciona soluciones específicas para el diseño óptimo de sistemas de energía digitales.
Introducción
Las fuentes de alimentación conmutadas se están desarrollando en la dirección de la inteligencia y la digitalización. El sistema de energía digital inteligente recientemente lanzado está atrayendo la atención de la gente por sus excelentes características y completas funciones de monitoreo. La energía digital proporciona adaptabilidad y flexibilidad inteligentes, con la capacidad de monitorear, procesar y adaptarse directamente a las condiciones del sistema para cumplir con cualquier requisito de energía complejo. Además, la energía digital puede garantizar la confiabilidad del sistema a largo plazo a través de diagnósticos remotos, incluida la gestión de fallas, la protección contra sobrecorriente y la prevención de tiempos de inactividad.
Características
Principales características de los sistemas de energía digitales
Los sistemas de energía digitales tienen las siguientes características.
1) Es un sistema de fuente de alimentación conmutada inteligente con un procesador de señal digital (DSP) o microcontrolador (MCU) como núcleo y un controlador de potencia digital y un controlador PWM como objetos de control. La fuente de alimentación conmutada tradicional controlada por un microcontrolador (μP o μC) generalmente solo controla el inicio y el apagado de la fuente de alimentación y no es una verdadera fuente de alimentación digital.
2) Utilizando la tecnología "Fusion Digital Power" se consigue la combinación óptima de componentes analógicos y componentes digitales en la fuente de alimentación conmutada. Por ejemplo, el componente analógico utilizado en la etapa de potencia, el controlador MOSFET, se puede conectar fácilmente al controlador de potencia digital e implementar diversas protecciones y administración de potencia de polarización, y el controlador PWM también es un chip analógico controlado numéricamente.
3) Alta integración, realizando la integración del sistema de energía en chip (Sistema de energía en chip), integrando una gran cantidad de componentes discretos en un chip o un grupo de chips.
4) Puede aprovechar al máximo las ventajas de los procesadores de señales digitales y los microcontroladores, de modo que la fuente de alimentación digital diseñada pueda alcanzar altos indicadores técnicos. Por ejemplo, su resolución de modulación de ancho de pulso (PWM) puede alcanzar un nivel de 150 ps (10-12 s), lo que está fuera del alcance de las fuentes de alimentación conmutadas tradicionales. Las fuentes de alimentación digitales también pueden realizar funciones como control multifásico, control no lineal, uso compartido de corriente de carga y predicción de fallas, lo que proporciona condiciones convenientes para el desarrollo de fuentes de alimentación conmutadas ecológicas y que ahorran energía.
5) Es fácil formar un sistema de energía digital distribuido.
Estado de desarrollo
Estado de desarrollo del sistema de energía digital
Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas y la demanda del mercado de suministro de energía conmutada, a principios Siglo XXI, el desarrollo internacional de sistemas de energía digitales. En marzo de 2005, Texas Instruments (TI) anunció el lanzamiento de innovadores productos de energía digital, que no sólo pueden mejorar significativamente el rendimiento del sistema de energía, sino también extender significativamente su vida útil. La empresa también demostró las soluciones Fusjon Digital Powe para demostrar que los sistemas de energía digitales pueden lograr indicadores de alto rendimiento y flexibilidad de diseño a un bajo costo muy competitivo.
La solución incluye los siguientes 3 tipos de chips:
1) controlador de potencia digital de la serie UCD7K (incluidos UCD7100 y UCD7201);
2) PWM de la serie UCD8K; procesador de control (incluidos UCD8620 y UCD8220);
3) procesador de señal digital serie UCD9K (UCD9110/9501).
Los chips mencionados anteriormente se han formado en una serie de productos y se venderán oficialmente en el otoño de 2005. Este producto admite sistemas de energía desde líneas de CA hasta cargas y puede usarse ampliamente en instalaciones de telecomunicaciones, servidores de computadoras, sistemas de energía de centros de datos y fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS).
Composición básica
2.l Controlador de potencia digital
UCD7100/7201 son ambos chips de controlador de potencia de control digital. La diferencia entre ellos es que el UCD7100 es uno único. Salida de extremo, UCD7201 es una salida de doble extremo, la corriente de salida nominal es ±4A, puede accionar el tubo de alimentación de conmutación MosFET y se puede adaptar al controlador digital UCD9110/9501. El controlador principal puede monitorear su corriente de salida, detectar rápidamente fallas de sobrecorriente y apagar rápidamente la fuente de alimentación, con un ciclo de detección de solo 25 ns.
Ahora tome el UCD7100 como ejemplo, su diagrama de bloques interno se muestra en la Figura 1.
Incluye principalmente regulador de voltaje de 3,3 V y fuente de voltaje de referencia, flip-flop, comparador Schmitt, circuito de apagado por subtensión, puerta de control y controlador TrueDrive. "TrueDrive" es la tecnología patentada de TI. Es una etapa de salida híbrida compuesta de transistores bipolares paralelos y tubos MOSFET para formar un circuito pull-up/pull-down. Su ventaja es que tiene una gran capacidad de conducción, puede emitir normalmente a bajo voltaje y puede controlar la protección contra sobretensión y subtensión del MOSFET de potencia externa con una impedancia de salida extremadamente baja. No es necesario conectar el MOSFET de potencia. una abrazadera Schottky para protección del diodo. UCD7100 puede proporcionar un pico de corriente alto a la puerta de MOSTFET en unos pocos cientos de ns, activando rápidamente el controlador. La entrada digital (IN) de alta impedancia del UCD7100 puede recibir señales con un nivel lógico de 3,3 V y una frecuencia de conmutación máxima de 2 MHz. Los comparadores Schmitt se pueden utilizar para aislar circuitos internos del ruido externo. Si la salida PWM del controlador se detiene en un nivel alto y ocurre una falla de sobrecorriente, el circuito de detección de corriente apaga la salida del controlador y el sistema puede ingresar al modo de reintento. El chip se puede reiniciar a través del circuito de vigilancia dentro del DSP o MCU. El regulador de voltaje de 3,3 V/lOmA dentro del UCD7100 sirve como fuente de alimentación para el controlador digital.
Controlador 2.2 PWM
UCD8220/8620 es un controlador PWM push-pull de doble extremo controlado digitalmente por DSP o MCU. La diferencia entre los dos es que el UCD8220 puede arrancar con 48 V de bajo voltaje, mientras que el UCD8620 tiene un circuito de arranque de alto voltaje de 110 V en su interior. El diagrama de bloques interno de UCD8220 se muestra en la Figura 2.
Incluye principalmente regulador de voltaje de 3,3 V y fuente de voltaje de referencia, modulador de ancho de pulso (PWM), lógica de accionamiento, controlador push-pull, circuito de apagado por subtensión, circuito limitador de corriente y circuito de detección de corriente. UCD8220/8620 puede funcionar en modo de corriente máxima o modo de voltaje. No solo puede programar la corriente límite, sino también generar un indicador digital de corriente límite que puede ser monitoreado por el controlador principal. La forma de onda de operación de temporización del UCD8220/8620 se muestra en la Figura 3.
2.3 Procesador de señal digital (DSP)
UCD9501 es un procesador de señal digital especialmente diseñado para sistemas de energía digitales por TI. Sus productos similares incluyen TMS320F2808 y TMS320F2806. Incluyen principalmente una CPU de 32 bits de 100 MHz, un oscilador de reloj, tres temporizadores de 32 bits, un circuito de vigilancia, un controlador de interrupción interno/externo, un bus SCI, un bus SPI, un bus CAN y una interfaz de bus IC, salida de señal PWM de 12 canales y controlador del sistema. , 16 canales 12 bits. ADC, Flash 16K×16, SARAM 6K×16, ROM 1K×16. Utiliza una interfaz de entrada/salida estándar de 3,3 V y es totalmente compatible con la serie UCD8K. La programación se puede realizar utilizando los paquetes de software Power PADTM HTSSOP y QFN.
Diseño de circuito
El sistema de alimentación digital inteligente puede estar compuesto por 6 partes: PWM, controlador de potencia, DSP, circuito de interfaz, pantalla y teclado. El diagrama de bloques del sistema se muestra en la Figura 4.
El procesador de señal digital UCD9501 en la imagen está conectado al teclado y a la pantalla a través del chip de interfaz. El usuario no solo puede observar los parámetros de potencia actuales en la pantalla, sino también modificarlos en cualquier momento. a través del teclado.
Para simplificar la configuración, un sistema de energía digital inteligente también puede estar compuesto por un procesador de señal digital (UCD9501) y un controlador de energía de control digital (UCD7100). El circuito se muestra en la Figura 5.
El voltaje de entrada U1 de +36 ~ 72 v CC obtenido después de rectificar y filtrar el voltaje CA se conecta al devanado primario del transformador de alta frecuencia, después de dividirlo por R1 y R2, se conecta; al terminal de entrada analógica AN1 de UCD9501 respectivamente. El otro extremo del devanado primario está conectado al MOSFET de potencia. R3 es la resistencia limitadora de corriente. R4 es la resistencia de detección de corriente. El voltaje de salida del devanado de polarización es rectificado y filtrado por VD1 y C1 para obtener un voltaje de polarización de CC de +12 V, que se conecta al terminal de fuente de alimentación (UDD) del UCD7100. La salida de voltaje de 3,3 V del UCD7100 proporciona energía al UCD9501.
El circuito del filtro rectificador secundario está compuesto por VD2, L y C2, VD3 es el diodo de rueda libre y UD es el voltaje de salida de CC. La salida de la señal de modulación de ancho de pulso (PWMA) del UCD9501 se envía al extremo IN del UCD7100. El terminal de indicador de corriente límite (CLF) de UCD7100 está conectado al terminal de interrupción (INT) de UCD9501, y el terminal de configuración de corriente límite (ILIM) está conectado al terminal GMTR de UCD9501. Se puede utilizar un amplificador de aislamiento de optoacoplador para aislar la etapa de salida de la etapa de entrada.
Cuando UDD=12V, capacitancia de carga CLOAD de UCD7100=10nF y frecuencia de conmutación f=300kHz, el consumo de energía de polarización es P=CLOADUDD2=10nF*(12v)2*300kHz=0.432W. Corriente de polarización I=P/UDD=0.432W/12V=0.036A.
Si se utiliza UCD7201, puede controlar dos MOSFET de alimentación externos. Además, se pueden utilizar UCD9501 y UCD8620 para formar un sistema de energía digital.
Conclusión
Los sistemas de energía digitales tienen ventajas significativas, como alta integración, alto costo de rendimiento, funciones completas de administración de energía, circuitos periféricos simples y diseño orientado al usuario. sistema de energía inteligente El diseño optimizado crea condiciones favorables.