实时处理如何驱动高性能电源系统

作者：德州仪器

该实时控制系列的前一部分重点介绍了实时控制信号链的传感功能块（图 1）。很容易误解第二个功能块（处理），并假设它仅与核心中央处理单元 (CPU) 频率或每秒百万条指令 (MIPS) 相关，仅关注数据处理。在本系列文章中，我将通过高性能电源系统的视角展示处理的价值，并消除对处理在实时控制系统中的作用的任何误解。


图 1：实时控制信号链

不断增长的能源利用（尤其是在电网基础设施和电力输送应用中）需要高效、紧凑和稳定的电源系统。这一要求已经引起了电源转换系统的革命，以提供高能效、快速瞬态响应、高功率密度和更大电源容量。

高功效

如图 2 所示，数据中心的不间断电源必须连续运行。正如白皮书“结合使用 TI GaN FET 和 C2000™ 实时 MCU 实现功率密集且高效的数字电源系统”中所讨论的，效率的提高可以迅速减少财政支出，通过更小的散热器减小解决方案尺寸，并减少温室气体排放。但是，为了实现这些好处，实现复杂的电源拓扑结构可能具有挑战性，例如图腾柱无桥功率因数校正（使用较少的无源耗能器件）或软开关控制（例如零电压开关和零电流开关）。

高性能实时微控制器 (MCU)（有些甚至带有片上硬件加速器）可以通过更快的控制环路来实现这一目标。为了将其提升到一个新的水平，配备快速片上模数转换器 (ADC) 和定制后处理功能的实时 MCU 可以进一步处理准确、快速的采样以及电流和电压的转换，从而减少整体实时信号链的延迟。


图 2：数据中心不间断电源的性能驱动因素

快速瞬态响应

服务器电源应用需要在不断变化的负载条件下实现稳定可靠的运行，因此需要快速的瞬态响应。有几种控制方案可以实现快速响应。由 C2000 和 GaN 实现 CCM 图腾柱 PFC 和电流模式 LLC 的 1kW 参考设计展示了其中一种方案，其目标是展示快速响应时间（目前的目标压摆率接近 2.5A/μS 至 5A/μS）。实时 MCU 通过以下方法在检测和执行现实之间实现超低延迟：定义具有高 CPU 频率/MIPS 的快速处理、对外设寄存器的快速访问、快速中断响应、经过优化的控制代码指令集、实时信号链支柱的紧密硬件耦合，以及 CPU 外部的专用逻辑（脉宽调制器 和比较器），可在限制下冲或过冲条件时提供故障或故障检测响应。

高功率密度

图 3 展示了直流/直流转换器通常需要在更小的空间内提供更大的电源容量，这不仅是为了降低系统成本，也是为了满足分布式电源开放标准联盟等监管标准（目标低至 1/32 格式占地面积（0.69 平方英寸））。在微型外形尺寸下，在没有散热器的情况下减少散热成为一项挑战，而采用氮化镓和碳化硅等宽带隙功率器件来实现更高的开关频率并满足这些小设计尺寸可能会更加麻烦。凭借其固有的架构和片上数学增强器，实时 MCU 的处理能力使复杂的时间关键型数据计算成为可能。额外的马力提供了额外的计算能力，封装了更多功能（例如降低有源噪声），因此也封装了电磁干扰滤波器，这是白皮书“了解提高功率密度的利弊权衡和所需技术”中强调的众多解决方案之一。此外，定制的 PWM 和比较器模块（超出核心处理元件），具有高分辨率、消隐窗口、延迟跳闸、峰值电流模式控制的斜坡补偿等功能，以及可配置逻辑块等其他功能部件，可以进一步增强处理能力。


图 3：具有减小外形尺寸趋势的直流/直流转换器

实时 MCU 如何实现必要的处理能力

高效地支持当今的高性能电源系统是控制器的不同之处。TI 实时 MCU 提供双存储器访问、单周期确定性执行、八相并行流水线总线、卓越的存储器执行吞吐量、高效的加速器和统一的存储器映射。其中一些还拥有协处理器或多核支持，以灵活地实现电源系统，以及实现安全、诊断、自适应算法和辅助控制任务的余量。请参阅应用手册“展示 C2000 控制 MCU 优化信号链的实时基准测试”，获取更多信息。

结语

尽管复杂的控制算法使电源系统具有低 THD、高功率密度和效率以及快速瞬变，但实际实现需要的不仅仅是数学功能和控制器带来的更高兆赫速度。由于从传感到驱动的时序在定义性能方面也起着至关重要的作用，专为超低延迟而设计的具有高 CPU 性能、灵活 PWM 和快速准确传感的实时 MCU 可以满足当今全面的系统需求，以及面向未来的可扩展解决方案。

其他资源

·       在 TI 的电力输送页面上查找专门用于工业电力输送应用的设计资源、交互式方框图和器件。·       查看“实时控制参考指南”。