Dijital Signal Processors Modern Power Supply Design'ta Neden Alılabilir
Power Supply sistemleri basit doğrusal düzenleyicilerin ve analog geri bildirim döngülerinin çok ötesine geçti. Bugün, dijital Signal Processor (DSP) veya bir alan destekli güçlendiricilerinin (FPGA), DSP, yüksek hızlı matematiksel operasyonlar için mimari olarak optimize edilmiş bir sistemdir.
Power Electronics için DSP Mimarisini Anlayın
DSP, Harvard veya değiştirilmiş Harvard mimarisi etrafında inşa edilen özel bir mikroişmandır, program ve veri hafızaları için ayrı otobüslerle. Bu ayrılık, bir eğitim alma ve veri toplama işlemine izin verir ve bir saat döngüsünde, dramatik bir şekilde hızlandırılabilir. DSP'ler güç tedarik kontrolü için ideal hale getirir:
- [FONT:0) Tek- döngüsü çarpıklık (MAC) birimleri[Dönetici: 1) Her örnek dönemde çok fazla uygulama ve birikim gerektiren dijital filtreler ve kontrol döngüleri için gereklidir.
- [FONT=0)Hardware dairesel tamponlar[[Döntilmiş: 1), sensör sinyal Klimaında sonlu dürtü cevabının uygulanmasını basitleştirir.
- [FONT:0)Direct bellek erişim (DMA) kontrolörler) - yük veri hareketi, böylece temel algoritma infazı için ücretsiz kalır.
- [FOC) arayüzler [Döneticileri:0) Çok sayıda analog-dijital dönüştürücü (ADC) arayüzler[Dönetici:0) - aynı anda gerilim, mevcut ve sıcaklık sinyalleri örneklemelerine izin verin.
- [FONT:0]On-çipli nabız-altın modülasyon (PWM) periferiler[Döntgen: 1) Modern güç aşamaları için gerekli olan yüksek çözünürlüklü dalgaformları oluşturur.
Bu donanım blokları, on iki mikrosaniyede bir kontrol algoritmasını yürütmek için birlikte çalışır, DSP performanslarından yüzlerce kilo almaya izin verir[Dönemli mimari referanslar için, uygulama notlarını C2000 gerçek zamanlı kontrolörler üzerinde uygularlar veyaİLFLT:2).Analog Cihazlarının DSP performanslarında DSP performanslarında DSPD performansları.
DSPs vs. Microkontroller vs. FPGAs in Power Control
Tasarımcılar genellikle MCUs, FPGAs ve DSP'ler arasında dijital güç kontrolü için seçim yaparlar. Karar döngü hızı, esneklik ve gelişim karmaşıklığına bağlıdır.
Mikrokontroller (MCUs)
Genel amaçlı MCUs (e.g., ARM Cortex-M serisi) program için maliyet-tamam ve kolay, ancak arithmetic mantık birimleri (ALUs) tipik olarak belirli bir MAC donanıma sahip değildir.Bazı modern MCUs DSP uzantıları içerirken, temel hala düşük maliyetli ve karmaşıklık güç kaynakları için tasarlanmıştır (örneğin, basit bir kanal geçiş frekanslarında)
Field-Programlanabilir Kapı Dizileri (FPGAs)
FPGAs en yüksek performans sunar çünkü kontrol mantığı paralel donanımda uygulanır. ancak FPGA gelişimi donanım açıklaması dillerinde uzmanlık gerektirir (VHDL/Reallog), ve malzeme maliyetinin faturası genellikle daha yüksektir. FPGAs ultra hızlı döngü süreleri (<100 ns) veya özel modulationlar için geçerlidir, ancak çoğu endüstriyel ve tüketici gücü için ekstra donanım ve geliştirme çabası haklı değildir.
Dijital Signal Processors (DSPs)
DSPs orta bir zemine sahiptir: kontrol algoritmaları için yakın bir şekilde hesaplama sağlarlar, ancak MCUs'ın yazılım geliştirme tipiklerini korurlar. Özel MAC ünitesi ve çip periferileri, tek bir DSP'nin birden fazla kontrol döngülerini yönetmesine izin verir, iletişim yığınları (PMBus, I2C, SPI), ve sistem izlemesini azaltır.
Core Control Algorithms DSPs'te Uygulamalı
DSP'nin gerçek gücü, analog devreler veya düşük uç MCUs ile pratik olmayan ileri kontrol stratejileri uygulamakta belirgin hale gelir.
Proportional-Integral-Derivative (PID) ile Dijital Gelişler
Dijital PID kontrolörleri çoğu güç tedarik döngülerinin arka kemiğidir. A DSP, PID hesaplamalarını anti-windup, tür filtreleme ile gerçekleştirebilir ve birkaç mikrosaniyede zamanlama kazanır.
Tahmin edici Kontrol (Model Tahminsel Kontrol - MPC)
MPC gelecekteki davranışları tahmin etmek ve en uygun geçiş eyaletlerini seçmek için bir güç aşaması modeli kullanır.Demokülasyonlar, 20 kHz. MPC'ye kadar frekans geçiş için milisan aralığındaki gerekli optimizasyon problemlerini çözebilir ve geleneksel PID ile kıyasla daha hızlı geçici yanıt ve daha düşük toplam harmonik bozulma sağlar.
Sensör Gürültü Rejeksiyonu için Dijital Filtreleme
Gerçek dünya akım ve gerilim sensörleri gürültüyü ortaya koyar. DSPs, FIR veya sonsuz dürtü yanıtını uygular (IIR) analog filtrelere sürüklenmeden veya sıcaklık duyarlılığı olmadan sinyalleri temizlemek için filtreler. Bu filtreler, ADC örnekleme ile senkronize eder, kontrol döngüsü temiz geri bildirim verilerini sağlar.
Yazılım Aşamalı Link (PLL) için
Yenilenebilir enerji sistemlerinde, bir DSP tabanlı yazılım PLL, şebeke ile inverterleri senkronize eder. işlemciler ağ aşaması ve yüksek doğrulukla frekansı izler, kesintisiz güç enjeksiyonu ve ağ desteği işlevleri sağlar.
Gerçek Dünya Uygulama: 3Phase İnital Örnek
Güneş fotovoltaik sistemi için 10 kW üç fazlı bir inverter düşünün. DSP, DC otobüslerinde mevcut sensörlerden geri bildirim alır ve DSP'de bir gerilim sensörü:
- [FOC örneği)[değiştir | kaynağı değiştir] – Simultane 100 kS / her birinde faz akımlarını ve bus gerilimi yakalar.
- [FONT=0)Koord koordineli dönüşüm[[Dönetici:0)[Dönetici:0))) - Sabit α-LR akımları dijital PLL ve trigonometrik bir görünüm tablo kullanarak geri dönmeleri için.
- [FONT:0)Current kontrolü[[DÜT:1) - İki PI kontrolörleri (d ve q axes) gerekli gerilim vektörünü hesaplar.
- [FONT:0]PWM nesli[DÜT:1] - DSP altı güç anahtarları için görev döngüleri hesaplar ve onları ölü zamanlı eklenti ile PWM periferisine yükler.
- [FONT:0]Monitoring ve koruma[Dönetici:0)[Dönetici, aşırı gerilim ve sıcaklık eşleri her döngüyü kontrol eder.
Tüm bu adımlar 50 μs altında çalışır, 20 kHz geçiş frekansına izin verir. DSP olmadan, bu performansa ulaşmak birden fazla bileşen veya çok daha pahalı bir FPGA gerektirecektir.
DSP-Based Power Supply Control
Yararlanmalar ham hız ötesinde uzatılır:
- [FONT:0]Firmware esnekliği) - Donanım değişiklikleri olmadan alanda kontrol parametreleri veya algoritmaların düzeltilmesi için Güncellemeler.
- [FONT:0)Dedüklenen bileşen sayısı[[[DFLT:1) - DSPs ADCs, DACs, PWMs ve iletişim arayüzlerini birleştirir, yönetim kurulu boyutunu azaltır ve maliyet maliyeti.
- [FONT:0) Yüksek verimlilik[[DÜT:1) - Tahmin edici kontrol ve dinamik gerilim ölçeklendirme en aza indirmek gibi gelişmiş algoritmaları.
- [FONT:0) Geliştirilmiş güvenilirlik[[[DÜT:1) - Dijital mantık analog eşdeğerlerden daha düşük sıcaklık sürüklenme ve bileşen yaşlanmaya daha az duyarlıdır.
- [FONT:0]Diagnostics ve telemetri[Dönetici: 1) DSP, işlek tarih, hata olayları ve tahmin edilebilir bakım için verimlilik verileri.
DSP'leri kullanırken tasarım göz önüne alındığında
Saat Hız ve Yürütme Zamanları
Çoğu güç tedarik kontrol döngüsü, geçiş döneminin% 5-20'sinde tamamlamak zorundadır. 100 kHz geçiş süresi ile DSP, hesaplarını 1-2 μs'de tamamlamak zorundadır. 200-600 MHz'de çalışan yüksek DSP'ler bunu kolayca karşılayabilir, ancak tasarımcılar periferik konfigürasyonun ve servisin yükünü hesaba katmalıdır.
ADC Çözümü ve senkronizasyon
ADC kararı doğrudan hassas ve gürültü zeminini etkiler. 12bit ADC'ler güç malzemeleri için yaygındır, algılama aralığında 4096 adım verir. Yüksek hacimli uygulamalar için (örneğin, batarya şarj), 16-bit ADC'ler gerekli olabilir. DSPs, ADC dönüşümleri senkronizasyonları PWM zamanlayıcıları ile örnek olarak en uygun anda (örneğin, inktör mevcut ripple vadisi) ölçüm doğruluğunu geliştirir.
Firmaware Development Environment
Geliştiriciler genellikle DSP'ye özel olarak DSP'ler ile C/C++'ı MAC operasyonları için referans tasarım ve yazılım kütüphaneleri kullanır. Gerçek zamanlı debuggers ve oscilloskop benzeri veri ihracat (örneğin JTAG veya seri) üzerinden kontrol döngüleri sağlar. Birçok satıcı ortak güç topolojileri için referans tasarımları ve yazılım kütüphaneleri sağlar (buck, güçlendirme, uçup, faz vs.).
Future Trends: AI, ML ve DSP Evolution
DSP'lerin güç malzemelerindeki rolü, batarya yaşı ve sıcaklık üzerindeki en iyi şarj profili belirlemek için yapay zeka ve makine öğreniminin genişliyor. A DSP, yükleme değişiklikleri veya bozulma modellerini tahmin etmek için hafif bir mikro ağ teşvik edebilir, proaktif olarak kontrolden ziyade etkinleştirilmesine izin verebilir. Örneğin, bir batarya şarj profilinin batarya yaşı ve sıcaklık üzerindeki en iyi şarj profili tespit etmesi için eğitilmiş bir model kullanabilir - insan müdahalesi olmadan.
Ayrıca, DSP arithmetic birimlerinin yanı sıra RISC-V çekirdeğinin entegrasyonu ufukta, her iki kontrol ve genel amaçlı işlem için bir platform sunmaktır. Bu, sistem mimarisini basitleştirecek ve AI karar verme ve eylemci çıktı arasındaki gecikmeleri azaltacaktır.
Başka bir alan şöyledir:0) Dijital ikiz[Dönetici: DSP tabanlı dijital ikizler için güç aşamasının hızlı bir modelini çalıştırın (Dönetici ve ölçülebilen davranışlar arasındaki farklar, hataları erken, güvenlik ve zaman boyunca tespit edebilir.) Endüstri perspektifi için, DSP tabanlı dijital ikizler üzerinde DSP tabanlı bir dijital ikizler için kağıt .
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Dijital Signal Processors, gelişmiş güç tedarik sistemlerindeki merkezi kontrollere niş bileşenlerden taşındı.Onlar yüksek seviyeli bir verimlilik düzenlemeleri ve güvenilirlik gereksinimleri karşılamak için özel bir karışım olarak kalacaktır. DSP tabanlı kontrol tasarımı, daha verimli ve daha akıllı güç dönüştürücüleri inşa etmek için iyi donanımlı olacaktır. Yenilenebilir enerji entegrasyonu, elektrikli araç şarjı ve veri merkezi güç talepleri büyümeye devam edecek, DSP'ler katı verimlilik düzenlemeleri ve güvenilirlik gereksinimleri karşılamak için önemli kalacaktır.
Dijital kontrol ve DSP seçimi hakkında daha fazla okuma için, mevcut beyaz kağıtlara bakın:0)Analog Cihazları[Dön 1: 1) ve başvuru raporları [[ENFLT:2).Texas Instruments' C2000 gerçek zamanlı kontrol serisi).