数字控制于明纬电源产品应用
台湾明纬 研发部 黄士荣
评估一个电源系统的性能指针很多,诸如效率、功率密度、稳压率、可靠度、价格/功率比、电磁干扰等。
传统电源供应器的控制主要以模拟方式实现,其优点是成本低、电路简单、反应速度快;但缺点则是常仅能提供特定功能,使用接口简单不适合复杂电源系统的整合,控制回路补偿不易调整等。数字电源为采用具可程序化接口的电源转换器,针对不同的应用,可藉由软件更改,设定不同的操作模式与控制参数,满足来自于不同应用的需求。
电源管理主要目的是在众多且变化剧烈的电源供需之间,得到一个优化的操作程序;为达到这个目的,采用微处理器透过软件控制方式可实现动态的电源管理功能。因此,数字式控制设计的电源产品需求将越趋重要。 而明纬也早已导入数字控制产品开发,目前拥有多元的产品类别可供选用。
数字电源的定义与设计类型
数字电源大致上可分为两大类:
其一是仅具对外数字接口沟通的【电源管理】设计
例如管理总线(PMBus)和I2C等电源管理解决方案。它提供的数字接口功能,会因用户需求而异;从基本的电压、电流、温度等监测数据,到能够下达改变内部模拟电源电路输出功能的指令。
其二是纯数字控制的【电源产品】设计
纯数字电源的设计可细分成三种类型:
一、采用数字信号处理器(DSP)设计的数字电源方案。
二、采用微控制器(MCU)为核心的数字电源方案。
三、采用可程序化逻辑门阵列(FPGA)设计的数字电源方案。
系统由DSP、MCU或FPGA等做控制的系统,藉由控制器送出脉冲调变讯号(Pulse Width Modulation;PWM)控制模拟功率组件;达到输出电压、电流调整的目的。
AC-DC产品因功率级别差异,适用的拓璞架构有很多种,如全桥、半桥、正激、返驰式等。再加上若功率瓦数大于规范限制值情况下,对于功率因子(Power Factor)有校正要求。这类的设计多会采用指令周期较快的DSP进行设计,实现数字电源系统设计所需之灵活性。
一般的DC-DC产品,比较关心电源的转换效率和实时监测数据;以MCU芯片做设计的数字电源方案,较可达到低成本要求。
至于FPGA的选用,会比较偏向于DC-DC以及着重在数据处理方面的应用;若要设计于AC-DC产品,则另需再搭配A/D转换接口组件。系统使用上的灵活度比教受到局限。
明纬数字电源产品开发布局
有鉴于市场需求,明纬早已于2007年开始导入全数字控制产品开发,至今已逾十年;产品包含AC/DC - Converter、DC/AC - Inverter、Battery charger、LED driver等多类型的产品。
可程序化LED灯控产品 (DALI))
Digital Addressable Lighting Interface - DALI也就是数字化可寻址调光接口;目前明纬已完成多个家族系列具DALI功能的产品开发,对我们而言是技术非常成熟的产品设计。
一个符合DALI 标准之照明系统,对每一个电子装置ECG ( Electrical control gear )下命令,都可做出适当的回应,如调光、调整参数或回报状态等。能够让使用者依不同应用需求,对照明设做调整控制。
高智能电池充电器产品
明纬所推出智能型充电器,具有电压误接、电池逆接、未接电池侦测及电池不良检测功能。设计上采用微处理器做电源管理,提供两段式(简易快充)、三段式(快充后浮充)或八段式(最适化完全充电)充电功能,用户可依实际需求调整选取合适的充电曲线。
因应不同厂牌或电池种类(铅酸电池,如flooded加水式、Gel胶体式、AGM吸附玻璃纤维式等,或锂电池,如锂铁、锂锰等)所需求的特殊充电曲线,与各种保护功能之调整,透过内部轫体的修改可完美达到各种客制化之需求。
功能上可针对某一区段的充电电压、充电电流、截止电压/电流等参数进行调整,亦可取消特定的保护功能。
纯正弦波变流器产品(Inverter)
直流/交流纯正弦波变流器(DC/AC True Sine Wave Inverter)系列,采用微处理器(MCU)数字化控制。可透过面板功能设定键或监控软件来弹性调整输出电压、频率、启动或关闭省电模式、切换不断电模式或节能模式。
产品内建有市电充电器(AC Charger)与太阳能充电器(Solar Charger),当外接电池组与太阳能面板,即可建构一个绿色节能的独立电源供应站,达成绿色环保之节能诉求。
明纬亦有开发单相并网型太阳能变流器(Grid-type),有效转换由太阳能模块所收集的光伏直流电能,高效率转换成交流电直接馈入电网,达到发电与节能的直接效益。
内部采用数字信号处理器DSP,使用先进之数字控制技术与策略,提升转换效率及附加功能。系统可经由远程监控透过软件方式,提供用户相当方便的电力监控与记录之功能,不需增加额外的监控系统。
新一代的高功率密度电源产品(1U profile)
以DSP作全数字式设计,并着重几项主要功能特别纳入设计规划,故在产品开发时,即要求针对产品的散热方式、可程序化应用与节能减耗等项目进行技术上的提升与突破,以期达到满足使用者的最大需求的高附加价值。 其中,可程序化控制输出电压与输出电流的设定与调整,充分满足用户弹性变化需求。
另外,为因应大功率方面需求,藉由数字式控制使得并联特性更加稳定,可并联工作台数大幅增加。可程序化的输出电压与输出电流设定及多台数并联功能的搭配,可充分满足不同使用者的需求,为最佳的电源设备选用方案。
结语
数字化产品的开发也意味着各监控参数能更完备、输出电压与输出电流的控制精度能更细微、能量控制时序也能更弹性。 明纬致力于数字化智能产品开发已有相当成果,产品系列齐备且种类多元;未来将朝向于电源系统、智能照明与楼控等方面,让客户有更完备的产品种类可选择。