В настоящее время все активнее применяются методы цифрового управления преобразованием энергии (Digital Power). Мы стараемся следить за этой темой и регулярно публикуем статьи по ней (см., например, материалы Константина Староверова в ЭК 6 и 9). В статье рассказывается о новациях, предпринятых специалистами компании Texas Instruments.
В разных приложениях методы цифрового управления преобразованием энергии позволяют сократить количество компонентов, одновременно улучшив свойства системы.
Например, семейство 32-разрядных микроконтроллеров (МК) компании Texas Instruments (TI) имеет относительно невысокую стоимость, что впервые позволило реализовать управление в реальном времени в «чувствительных к цене» узлах управления энергопотреблением. С ним соперничают два цифровых многофазных ШИМ-контроллера компании CHiL Semiconductor, позволяющих заменить аналоговые ШИМ-контроллеры в усовершенствованных модулях стабилизаторов напряжения. Контроллеры обладают высоким КПД в различных режимах нагрузки и быстрой реакцией на переходные процессы.
32-разрядные МК серии Piccolo TMS320F2802x/F2803x от TI предназначены для управления в реальном времени в критичных к цене приложениях. Такое управление обеспечивает прирост КПД системы и повышенную точность за счет реализации усовершенствованных алгоритмов для промышленных, бытовых и автомобильных приложений, например, для микроинверторов солнечных энергосистем, светодиодной подсветки, крупной бытовой техники (кухонных плит, холодильников) и гибридных автомобилей.
«Сочетание производительности 32-разрядных устройств, расширенной периферии и миниатюрных корпусов позволяет разработчикам ввести управление в реальном времени при помощи одного лишь МК в тех приложениях, где прежде это было невозможно», — заявляет Кит Огбония, управляющий по сбыту компании TI.
Контроллеры Piccolo F2802x/F2803x позволяют заменить несколько электронных компонентов и снизить общую стоимость системы управления режимом электропитания. Например, в преобразователе с переменной частотой преобразования для воздушных кондиционеров один контроллер F2802x/F2803x может управлять двумя трехфазными электродвигателями и выполнять вычисления для регулирования коэффициента мощности.
Кроме того, благодаря быстродействию и возможности интеграции МК Piccolo применяются для реализации узлов передачи информации по линиям электропередачи для сетей уличного освещения, что позволяет точно определить места, где нарушается энергоснабжение, и централизованно управлять освещением в зависимости от времени дня, движения на дорогах или погодных условий.
В преобразователях для солнечных батарей МК Piccolo способствуют повышению КПД системы и лучшему контролю работы солнечной панели. В типичных солнечных энергосистемах используется один инвертор для нескольких панелей, однако исследования показали, что отдельные микроинверторы, подключенные к каждой солнечной панели, позволяют лучше управлять доступной энергией. Микроинверторы максимально увеличивают выходную мощность каждой отдельной панели по сравнению с инверторами в масштабе системы, которые максимизируют среднюю выходную мощность всей совокупности панелей.
К числу усовершенствований МК Piccolo относится встроенный сопроцессор для операций с плавающей точкой — CLA (Control Law Accelerator), предназначенный для разгрузки центрального процессора (ЦП) TMS320C28x и способный быстро выполнять сложные алгоритмы управления. Ускоритель, который появится в серии устройств F2803x, освобождает ЦП для управления процессом ввода/вывода и цепью обратной связи, что приводит к пятикратному увеличению быстродействия приложений с обратной связью.
Усовершенствованные ШИМ (enhanced pulse-width modulators — ePWM) компании TI поддерживают высокое разрешение с частотной модуляцией до 150 пс, что позволяет улучшить гармонический состав сигнала и уменьшить задержки в узле ШИМ — загрузить в его регистры управления новое значение, не дожидаясь окончания цикла. Встроенные в Piccolo 12-разрядные АЦП с частотой выборки 4,6 Мвыб./с работают в четыре раза быстрее схожих устройств конкурирующих производителей.
Использоване двух встроенных генераторов с частотой 10 МГц и точностью ±1% исключает необходимость во внешних генераторах и, следовательно, позволяет сэкономить на стоимости системы. Во многие МК встраиваются кольцевые генераторы, имеющие дрейф 50%, что делает их непригодными для надежной синхронизации коммуникационных интерфейсов.
Генераторы Piccolo также обеспечивают троекратную избыточность со встроенными функциями автоматического контроля. Это позволяет разработчикам получить сертификат безопасности на уровне системы, например, по стандарту безопасности IEC-60730 для крупной бытовой техники в Европе. Простая архитектура системы питания исключает необходимость во внешних ИС питания, используя один 3,3-В источник с внутренним стабилизатором, понижающим напряжение до 1,9 В и предусматривающим защиту при просадках напряжения, а также сброс по включению питания.
Первые опытные образцы МК Piccolo серии F2802x появились в декабре прошлого года. Они работают на частоте 40…60 МГц, имеют флэш-память объемом до 128 Кбайт, 12-разрядный АЦП, усовершенствованный ШИМ и периферию.