Advanced Power Supply Control Control의 Digital Signal Processor의 역할

왜 디지털 신호 가공업자는 현대 전력 공급 디자인에서 Indispensable 입니다

이 시스템은 단순한 선형 레귤레이터와 아날로그 피드백 루프를 넘어 지금까지 진화했습니다. 오늘날, 스위칭 모드 전원 공급 장치, 무정전 전원 공급 장치, 배터리 충전기 및 재생 에너지 인버터는 실시간 계산, 적응 제어 및 고효율 작동을 요구했습니다. 이러한 정교한 시스템의 심장에서 디지털 신호 프로세서 (DSP)을 앉아 있습니다. 범용 마이크로 컨트롤러 (MCU) 또는 현장 프로그래밍 가능한 게이트 어레이 (FPS)와 같은 특정 유형의 전력 공급 장치가 최적화되어 있습니다. 이 정교한 전력 공급 장치에서 이러한 유형의 전력 공급은 차세대 전력 공급 장치, 그리고 기존의 전력 공급 장치, 그리고 기존의 전력 공급 장치, 그리고 기존의 전력 공급을 위한 통합적 인지도를 검토해야 합니다.

Power Electronics의 DSP 아키텍처 이해

DSP는 Harvard 또는 수정한 Harvard 건축술의 주위에, 프로그램 및 자료 기억을 위한 분리되는 버스로 건설된 전문화한 마이크로프로세서입니다. 이 별거는 칩을 단 하나 시계 주기에 있는 지시 그리고 읽거나 자료를, 극적으로 가속하는 계산을 읽거나 쓰을 수 있습니다. 전력 공급 통제를 위한 DSPs 이상을 만드는 중요한 건축 특징은 다음을 포함합니다:

단일 사이클 멀티플록스 (MAC) 단위 - 디지털 필터 및 제어 루프에 대한 필수 모든 샘플 기간에 멀티플렉서 및 축적이 필요한.
Hardware 원형 버퍼 - 센서 신호 조절에서 finite impulse 응답 (FIR) 필터의 구현을 단순화합니다.
Direct Memory access (DMA) Controllers - 오프로드 데이터 이동 그래서 코어는 알고리즘 실행에 대해 무료 남아.
다중 아날로그-to-digital 변환기 (ADC) 인터페이스 - 전압, 전류 및 온도 신호의 동시 샘플링을 허용한다.
온칩 펄스폭 변조(PWM) 주변장치 - 현대 동력계에 필요한 고해상도 전환 파형을 생성합니다.

이 하드웨어 블록은 10 초의 제어 알고리즘을 실행하기 위해 함께 작동하며 10 년대에서 수백 킬레츠의 주파수를 전환 할 수 있습니다. 자세한 아키텍처 참조를 위해 의 응용 노트를 참조하십시오. C2000 실시간 컨트롤러 또는 ]]디지털 파워의 DSP 성능에 대한 아날로그 장치 '작성.

DSPs vs. Microcontrollers vs. FPGAs in Power Control

디자이너는 종종 MCU, FPGA 및 DSP를 디지털 전원 제어에 선택한다. 루프 속도, 유연성 및 개발 복잡성에 대한 결정 경첩.

마이크로 제어기 (MCUs)

일반 목적 MCU (예 : ARM Cortex-M 시리즈)는 프로그램 비용 효과적이고 쉬운이지만, 일반적으로 전용 MAC 하드웨어가 부족한 arithmetic 논리 단위 (ALUs). 일부 현대 MCUs에는 DSP 확장이 포함되지만, 코어는 집중 수학보다 오히려 제어 흐름을 위해 설계되어 있습니다. 저 - 중성 전력 공급 (예 : 중성 전환 주파수에서 간단한 buck 변환기)에 대한 MCUs는 MCUs가 될 수 있습니다.

필드-프로그래밍 게이트 어레이 (FPGAs)

FPGAs는 제어 논리가 병렬 하드웨어에서 구현되기 때문에 가장 높은 성능을 제공합니다. 그러나 FPGA 개발은 하드웨어 설명 언어 (VHDL / Verilog)의 전문 지식을 필요로하며 재료 비용의 청구는 일반적으로 높습니다. FPGAs는 초빠른 루프 시간 (<100 ns) 또는 사용자 정의 수정 방식이 필요하지만 대부분의 산업 및 소비자 전력 공급에 대한 응용 프로그램에 능가하지 않습니다. 추가 하드웨어 및 개발 노력은 단정되지 않습니다.

디지털 신호 프로세서 (DSP)

DSPs는 중간 배경을 점유합니다: 그들은 MCUs의 소프트웨어 발달의 용이함을 유지하면서 통제 알고리즘을 위한 근실한 처리 처리 처리량을 제공합니다. 전용 MAC 단위 및 온칩 주변 장치에는 다수 통제 반복, 커뮤니케이션 더미 (PMBus, I2C, SPI) 및 체계 감시를 관리하는 단 하나 DSP를 허용하는 것을 허용합니다. 이 통합은 구성품 조사를 감소시키고 널 배치를 간단하게 합니다.

DSPs에 구현되는 핵심 통제 Algorithms

DSP의 실제 전력은 아날로그 회로 또는 저 최후 MCUs로 불행할 것이다 진보된 통제 전략을 실행할 때 분명합니다.

디지털 향상을 가진 Proportional-Integral-Derivative (PID)

디지털 PID 관제사는 대부분의 전력 공급 반복의 백본입니다. DSP는 반대로 감기, 유래물 거르기, 및 몇 초에 있는 스케줄링을 얻는 PID 계산을 실행할 수 있습니다. 굳힌모에 있는 계수를 조정하는 능력은 하드웨어를 바꾸지 않고 적응시키는 튜닝을 가능하게 합니다.

예측 제어 (모델 예측 제어 – MPC)

MPC는 미래의 행동을 예측하고 최적의 전환 상태를 선택할 수있는 힘 단계의 모델을 사용합니다. 계산적으로 집중하면서 DSP는 최대 20 kHz의 주파수를 전환하기위한 밀리 초 범위의 필요한 최적화 문제를 해결할 수 있습니다. MPC는 기존 PID와 비교하여 더 빠른 일시적 응답과 낮은 총 조화 왜곡을 제공합니다.

Sensor Noise Rejection용 디지털 필터링

Real-world 현재 및 전압 센서는 소음을 소개합니다. DSP는 FIR 또는 무한 전류 응답 (IIR) 필터를 구현하여 아날로그 필터의 기체 또는 온도 감도없이 신호를 청소합니다. 이 필터는 ADC 샘플링과 동시에 작동하며 제어 루프를 보장하는 것은 깨끗한 피드백 데이터를 볼 수 있습니다.

Grid-Tied 인버터용 소프트웨어 Phase-Locked Loop (PLL)

재생 에너지 시스템에서 DSP 기반 소프트웨어 PLL은 그리드를 가진 인버터를 동기화합니다. 프로세서는 고정확도 그리드 단계와 주파수를 추적하여 원활한 전원 주입 및 그리드 지원 기능을 가능하게합니다.

Real-World 구현: 3 단계 인버터 예

태양 광전지 체계를 위한 10 kW 삼상 변환장치를 고려하십시오. DSP는 DC 버스에 현재 감지기에서 의견 및 전압 감지기를 받습니다. DSP 안쪽에:

ADC 샘플링 - 100 kS/s의 동시 캡처 단계 전류 및 버스 전압.
좌표 변환 - 디지털 PLL 및 트리곤도 표 표를 사용하여 d-q 좌표를 회전시키는 정지 α-β 전류를 변환합니다.
현재 제어 - 2개의 PI 관제사(d 및 q axes)는 필수 전압 벡터를 따릅니다.
PWM 세대 - DSP는 6개의 전원 스위치를 위한 의무 주기를 산출하고 순간 삽입을 가진 PWM 주변으로 그(것)들을 적재합니다.
Monitoring and protection - 과전류, 과전압 및 온도 임계값은 모든 사이클을 검사합니다.

이 모든 단계는 50 μs의 밑에 실행하고, 20 kHz 엇바꾸기 빈도를 허용하. DSP 없이, 이 성과 달성은 다수 성분 또는 매우 비싼 FPGA를 요구할 것입니다.

DSP 기반 전력 공급 통제의 이점

이점은 익지않는 속도를 넘어서 늘입니다:

Firmware 융통성 - 파라미터를 제어하는 업데이트 또는 알고리즘은 하드웨어 변경 없이 현장에서 배포할 수 있습니다.
구성품 수 - DSPs는 ADC, DAC, PWM 및 통신 인터페이스, 수축 보드 크기 및 비용을 통합합니다.
Higher Efficiency - 예측 제어 및 동적 전압 스케일링과 같은 고급 알고리즘은 전환 손실을 최소화합니다.
Improved reliability[ - 디지털 로직은 아날로그 동등물보다 온도 편류 및 구성 요소에 대한 더 적은 수의가.
Diagnostics and telemetry] - DSP는 예측 유지 보수를 위한 운영 역사, 결함 사건 및 효율성 자료를 기록할 수 있습니다.

DSPs를 사용할 때 설계 고려

시계 속도 및 실행 시간

대부분의 전력 공급 통제 루프는 엇바꾸기 기간의 5~20% 안에 완료되어야 합니다. 10 μs 기간을 가진 100 kHz 스위처를 위해, DSP는 1~2 μs에 있는 그것의 계산을 완료해야 합니다. 200-600 MHz에 작동하는 상한 DSPs는 이 쉽게 만날 수 있습니다, 그러나 디자이너는 주변 윤곽과 중단 servicing의 머리 위를 위해 계정해야 합니다.

ADC 해결책과 동기화

ADC 해상도는 정밀 및 소음 바닥에 직접 영향을 미칩니다. 12 비트 ADC는 동력 공급을 위해 일반적입니다. 감지 범위에서 4096 단계를 제공합니다. 고 정확도 응용 (예 : 배터리 충전)의 경우 16 비트 ADC는 필요할 수 있습니다. DSP는 최적의 순간 (예 : 덕트 전류 리플의 밸리)에서 샘플로 PWM 타이머와 함께 ADC 변환을 동시에 트리거 할 수 있습니다.

Firmware 개발 환경

개발자는 일반적으로 MAC 운영을 위한 DSP 별 본질 기능을 가진 C/C++를 이용합니다. 실시간 디버거 및 oscilloscope 같이 자료 수출 (예를들면, JTAG 또는 serial를 통해)는 통제 반복을 돕습니다. 많은 납품업자는 일반적인 힘 토폴라슨 (buck, boost, flyback, phase-shifted 풀 브리지, 등을 위한 참고 디자인 그리고 소프트웨어 도서관을 제공합니다.).

미래 트렌드: AI, ML 및 DSP 진화

전력 공급에 있는 DSPs의 역할은 인공 지능과 기계 학습으로 끼워넣어진 체계로 움직이는 확장입니다. DSP는 짐 변화 또는 degradation 본을 예측하기 위하여 경량 신경 네트워크 주입을 실행할 수 있고, 민감하는 통제 보다는 오히려 proactive 허용하. 예를 들면, 건전지 충전기는 인간적인 개입 없이 건전지 나이와 온도에 근거를 둔 최선 책임 단면도를 결정하기 위하여 훈련된 모형을 사용할 수 있었습니다.

또한 DSP arithmetic 단위와 함께 RISC-V 코어의 통합은 수평선에 있으며, 제어 및 다목적 처리를위한 통합 된 플랫폼을 제공합니다. 이 시스템은 시스템 아키텍처를 단순화하고 AI 의사 결정 및 액추에이터 출력 사이의 대기 시간을 줄일 수 있습니다.

또 다른 지역은 digital twin] 통합: 물리적 시스템과 병렬에 있는 파워 스테이지의 빠른 모델을 실행하는 DSP. 모델링 및 측정된 동작의 차이는 안전을 개선하고 가동 시간을 개선하는 오류를 감지할 수 있습니다. 산업 관점에서는 전력 변환기]에 DSP 기반 디지털 트윈에 를 참조하십시오.