軟體定義電源的時代終於來臨！
作者 : Caleb Lander，XP Power資深產品經理
軟體定義電源(Software-defined power)的時代終於來臨！AC/DC產品的輸出電壓、電流和所有功能都可以由用戶輕鬆控制和優化，然後將其嵌入到固件中進行生產，所有這些都不會對成本和效率影響。
傳統上，AC/DC電源設計只能針對特定負載和線路條件進行優化。這源於在常用固定頻率下的經典類比控制和簡單脈寬調製技術，這些限制通常會導致在極端工作範圍內產生更高的元件應力。電源供應器(PSU)的資料手冊通常顯示會在低輸入電壓下發生嚴重降額，並會將輸出限制為固定值，最多可以對其調整±10%。
可調至零輸出電壓的操作和真正、準確的恆流輸出，通常僅限於昂貴的實驗室用品，這些用品也不必做得特別緊湊或高效。同樣，設計中會將控制回路回應、超載反應和故障檢測閾值等特性與任何控制和監控信號電平、功能和極性一起融入進來。其結果是用戶不得不在可用的電源周圍工作，找到最佳折衷方案，然後為不同的產品儲備各種類型的電源。
對於既定的終端產品，升級和更改可能僅限於電源允許的範圍——即使需要對輸出電壓進行小幅調整，也可能需要對電源系統設計進行重大重新規範。許多應用還特別要求PSU以某種方式可變，LED恆流負載通常需要可調光，或者電解過程的輸出電壓可能需要可程式設計以確定反應速率。在這些情況下，解決方案通常是昂貴的定制設計。
客戶不應期望電源將決定他們的最終產品可以實現什麼，因此PSU供應商一直試圖使他們的產品盡可能多才多藝。然而，過去可用的技術迫使人們在價格或其他一些性能參數(例如尺寸或效率)方面做出權衡。現在，由於許多充分的理由，高功率密度成為主要指令，權衡可能是不可接受的。
數位和真正的數位電源轉換
當數位電源第一次出現時，它們似乎承諾了軟體控制(Software controlled)電源的靈活性，但第一批產品只是具有連接分離式電子設備和類比控制器的數位介面。這樣只能更容易地接觸到有關產品行為，而非提高其多功能性的資訊。在過去幾年中，設計技術和半導體技術的進步提高了效率和功率密度，因此線路和負載變化所引起的降額問題得到了緩解。
例如，採用寬能隙半導體(Wide-bandgap semiconductor)的圖騰柱無橋PFC(totem-pole bridgeless PFC)可實現超過99%的峰值效率，即使在低壓線路下也能達到約97.5%，因此線路整流和PFC不再是降額瓶頸，進而使用者可以使用此技術從PSU獲取全部功率，並且這適用於全球任何線路電壓。相移全橋等現代隔離式轉換器級還能夠以高效率提供寬輸出工作範圍，並能夠精確控制恆流操作，從而打造更通用的產品(圖1)。
圖1：圖中以數位控制、典型高效能的AC/DC電源供應器，採用無橋PFC、相移全橋轉換器，同步輸出整流及寬能隙開關。
上述轉換拓撲對最佳性能有著複雜的控制要求，而這已通過真正的數位控制實現，其中對所有開關的驅動由軟體演算法生成，而這又是以現在低成本但高性能的控制器，例如Arm Cortex系列所實現的。現在在軟體控制下，可以動態更改許多參數以滿足應用要求：可以降低頻率；將PFC相位切掉以獲得更好的輕載效率；可以即時更改輸出電壓，實現動態電壓調整，以減少空閒時的負載功耗；可以針對特定負載電阻和並聯電容優化回路補償以獲得最佳瞬態回應，等等。現代轉換拓撲也適用於雙向工作，這成為了一種通過真正的數位控制，無需更改硬體即可實現配置的現實選擇，甚至可以動態進行，這適用於電動車充電和將能量回饋到電網等應用。
通過數位控制，對輸出電壓和電流水準以及定時/延遲、閾值和極性的監視和控制特性進行配置變得微不足道。串列通信匯流排易於實施，因此使用者可以根據需要通過製造商所提供的GUI進行轉換器設置，或對各種設置進行試驗，並在優化後要求製造商提供預裝這些設置的產品。使用適當的控制器，甚至可以根據需要在應用的使用中動態更改功能。
序列介面通常是採用PMBus協議的I2C，但也可以選擇RS232或RS485、CANopen、MODBUS或SCPI等匯流排，以便實現充分的靈活性。對於需要它的使用者，類比控制輸入通常也是可選的，例如，0至5V的線性程式設計輸出電壓或電流(圖2)。
圖2：數位PSU仍舊允許藉由A/D傳輸介面進行類比編程。
案例研究
數位控制如何提供極大助益，我們來看一個例子，在某個應用中，某電化學合成設備製造商發現他們現有的PSU與全球電源不相容，因為其在低AC標稱值下需要降額。它還在功能和可控性方面受到限制，需要用到不方便而又昂貴的外部硬體，以及要對PSU進行修改。
XP Power公司的HPA1K5提供了更好的解決方案，這是一款基於DSP平臺的1,500W PSU，在單相80~264VAC下運行，對輸出額定值的影響幾乎為零，並適用於任何市場。數位控制消除了外部電路和對PSU硬體的修改，並增加了一些功能，包括最重要的是，如果系統使能信號出現故障，則可以安全關機。當用戶通過提供的GUI驗證後，XP Power在產品出貨前對這些設置進行了出廠配置。
通過連接到信用卡大小的單板電腦，客戶就能夠利用PSU I2C匯流排的額外價值，這反過來又提供了一個通往使用者雲端網絡的閘道，並實現從歐洲的控制中心對全球範圍內最終產品的電源軌性能的監控。使用者擁有了更具競爭力的產品，並且其元件數量、成本和占位面積都減少了，可靠性也提高了，這是一個受歡迎的額外好處。
HPA1K5等產品通過全球資訊技術設備(ITE)和醫療(2×MOPP)安全認證和高功率密度擴展了其適用性。標稱輸出可配置為恆定電壓，在額定標稱值的0%至105%可程式設計，或可配置為額定最大值的0%至110%的恆定電流。其他特性還包括遙感、並聯單元的電流共用、5V備用電源和溫控風扇。
具有XP Power DSP功能的“HP”系列中的類似產品包括HPL5K0系列，額定功率為5kW，三相180至264VAC輸入，適用于更高輸出電壓的應用，可選標稱值為60V、100V或200VDC。另一個例子是HPT5K0，額定功率也為5kW，但具有三相180至528VAC輸入，同樣具有高標稱輸出電壓選項和兩種版本的外殼形式。HPL和HPT兩個系列包括上述所有數位控制和監控以及快速輸出轉換率，可用於具有挑戰性的測試應用。
總結
軟體定義電源時代終於來臨，產品可以通過廣泛的終端應用認證在全球範圍內運行，並且可以使用製造商所提供的軟體和GUI簡單地連接到筆記型電腦來升級或重新程式設計以適應新產品，從而使用戶現在可以牢牢控制。
原文刊登於EDN China網站
(參考原文：Putting the Power Supply User in Control，by Caleb Lander)
加入LINE@，最新消息一手掌握！
