實時處理如何驅動高性能電源系統

發布時間：2022-10-19 17:45 發布者：eechina

作者：德州儀器

該實時控制系列的前一部分重點介紹了實時控制信號鏈的傳感功能塊（圖 1）。很容易誤解第二個功能塊（處理），并假設它僅與核心中央處理單元 (CPU) 頻率或每秒百萬條指令 (MIPS) 相關，僅關注數據處理。在本系列文章中，我將通過高性能電源系統的視角展示處理的價值，并消除對處理在實時控制系統中的作用的任何誤解。

圖 1：實時控制信號鏈

不斷增長的能源利用（尤其是在電網基礎設施和電力輸送應用中）需要高效、緊湊和穩定的電源系統。這一要求已經引起了電源轉換系統的革命，以提供高能效、快速瞬態響應、高功率密度和更大電源容量。

高功效

如圖 2 所示，數據中心的不間斷電源必須連續運行。正如白皮書“結合使用 TI GaN FET 和 C2000™ 實時 MCU 實現功率密集且高效的數字電源系統”中所討論的，效率的提高可以迅速減少財政支出，通過更小的散熱器減小解決方案尺寸，并減少溫室氣體排放。但是，為了實現這些好處，實現復雜的電源拓撲結構可能具有挑戰性，例如圖騰柱無橋功率因數校正（使用較少的無源耗能器件）或軟開關控制（例如零電壓開關和零電流開關）。

高性能實時微控制器 (MCU)（有些甚至帶有片上硬件加速器）可以通過更快的控制環路來實現這一目標。為了將其提升到一個新的水平，配備快速片上模數轉換器 (ADC) 和定制后處理功能的實時 MCU 可以進一步處理準確、快速的采樣以及電流和電壓的轉換，從而減少整體實時信號鏈的延遲。

圖 2：數據中心不間斷電源的性能驅動因素

快速瞬態響應

服務器電源應用需要在不斷變化的負載條件下實現穩定可靠的運行，因此需要快速的瞬態響應。有幾種控制方案可以實現快速響應。由 C2000 和 GaN 實現 CCM 圖騰柱 PFC 和電流模式 LLC 的 1kW 參考設計展示了其中一種方案，其目標是展示快速響應時間（目前的目標壓擺率接近 2.5A/μS 至 5A/μS）。實時 MCU 通過以下方法在檢測和執行現實之間實現超低延遲：定義具有高 CPU 頻率/MIPS 的快速處理、對外設寄存器的快速訪問、快速中斷響應、經過優化的控制代碼指令集、實時信號鏈支柱的緊密硬件耦合，以及 CPU 外部的專用邏輯（脈寬調制器 [PWM] 和比較器），可在限制下沖或過沖條件時提供故障或故障檢測響應。

高功率密度

圖 3 展示了直流/直流轉換器通常需要在更小的空間內提供更大的電源容量，這不僅是為了降低系統成本，也是為了滿足分布式電源開放標準聯盟等監管標準（目標低至 1/32 格式占地面積（0.69 平方英寸））。在微型外形尺寸下，在沒有散熱器的情況下減少散熱成為一項挑戰，而采用氮化鎵和碳化硅等寬帶隙功率器件來實現更高的開關頻率并滿足這些小設計尺寸可能會更加麻煩。憑借其固有的架構和片上數學增強器，實時 MCU 的處理能力使復雜的時間關鍵型數據計算成為可能。額外的馬力提供了額外的計算能力，封裝了更多功能（例如降低有源噪聲），因此也封裝了電磁干擾濾波器，這是白皮書“了解提高功率密度的利弊權衡和所需技術”中強調的眾多解決方案之一。此外，定制的 PWM 和比較器模塊（超出核心處理元件），具有高分辨率、消隱窗口、延遲跳閘、峰值電流模式控制的斜坡補償等功能，以及可配置邏輯塊等其他功能部件，可以進一步增強處理能力。

圖 3：具有減小外形尺寸趨勢的直流/直流轉換器

實時 MCU 如何實現必要的處理能力

高效地支持當今的高性能電源系統是控制器的不同之處。TI 實時 MCU 提供雙存儲器訪問、單周期確定性執行、八相并行流水線總線、卓越的存儲器執行吞吐量、高效的加速器和統一的存儲器映射。其中一些還擁有協處理器或多核支持，以靈活地實現電源系統，以及實現安全、診斷、自適應算法和輔助控制任務的余量。請參閱應用手冊“展示 C2000 控制 MCU 優化信號鏈的實時基準測試”，獲取更多信息。

結語

盡管復雜的控制算法使電源系統具有低 THD、高功率密度和效率以及快速瞬變，但實際實現需要的不僅僅是數學功能和控制器帶來的更高兆赫速度。由于從傳感到驅動的時序在定義性能方面也起著至關重要的作用，專為超低延遲而設計的具有高 CPU 性能、靈活 PWM 和快速準確傳感的實時 MCU 可以滿足當今全面的系統需求，以及面向未來的可擴展解決方案。

其他資源

· 在 TI 的電力輸送頁面上查找專門用于工業電力輸送應用的設計資源、交互式方框圖和器件。

· 查看“實時控制參考指南”。