數位控制於明緯電源產品應用
台灣明緯 研發部 黃士榮
評估一個電源系統的性能指標很多,諸如效率、功率密度、穩壓率、可靠度、價格/功率比、電磁干擾等。
傳統電源供應器的控制主要以類比方式實現,其優點是成本低、電路簡單、反應速度快;但缺點則是常僅能提供特定功能,使用介面簡單不適合複雜電源系統的整合,控制迴路補償不易調整等。數位電源為採用具可程式化介面的電源轉換器,針對不同的應用,可藉由軟體更改,設定不同的操作模式與控制參數,滿足來自於不同應用的需求。
電源管理主要目的是在眾多且變化劇烈的電源供需之間,得到一個最佳化的操作程序;為達到這個目的,採用微處理器透過軟體控制方式可實現動態的電源管理功能。因此,數位式控制設計的電源產品需求將越趨重要。 而明緯也早已導入數位控制產品開發,目前擁有多元的產品類別可供選用。
數位電源的定義與設計類型
數位電源大致上可分為兩大類:
其一是僅具對外數位介面溝通的【電源管理】設計
例如管理匯流排(PMBus)和I2C等電源管理解決方案。它提供的數位介面功能,會因使用者需求而異;從基本的電壓、電流、溫度等監測資料,到能夠下達改變內部類比電源電路輸出功能的指令。
其二是純數位控制的【電源產品】設計
純數位電源的設計可細分成三種類型:
一、採用數位訊號處理器(DSP)設計的數位電源方案。
二、採用微控制器(MCU)為核心的數位電源方案。
三、採用可程式化邏輯閘陣列(FPGA)設計的數位電源方案。
系統由DSP、MCU或FPGA等做控制的系統,藉由控制器送出脈衝調變訊號(Pulse Width Modulation;PWM)控制類比功率元件;達到輸出電壓、電流調整的目的。
AC-DC產品因功率級別差異,適用的拓璞架構有很多種,如全橋、半橋、正激、返馳式等。再加上若功率瓦數大於規範限制值情況下,對於功率因數(Power Factor)有校正要求。這類的設計多會採用運算速度較快的DSP進行設計,實現數位電源系統設計所需之靈活性。
一般的DC-DC產品,比較關心電源的轉換效率和即時監測數據;以MCU晶片做設計的數位電源方案,較可達到低成本要求。
至於FPGA的選用,會比較偏向於DC-DC以及著重在資料處理方面的應用;若要設計於AC-DC產品,則另需再搭配A/D轉換介面元件。系統使用上的靈活度比教受到侷限。
明緯數位電源產品開發佈局
有鑑於市場需求,明緯早已於2007年開始導入全數位控制產品開發,至今已逾十年;產品包含AC/DC - Converter、DC/AC - Inverter、Battery charger、LED driver等多類型的產品。
可程式化LED燈控產品 (DALI))
Digital Addressable Lighting Interface - DALI也就是數位化可定址調光介面;目前明緯已完成多個家族系列具DALI功能的產品開發,對我們而言是技術非常成熟的產品設計。
一個符合DALI 標準之照明系統,對每一個電子裝置ECG ( Electrical control gear )下命令,都可做出適當的回應,如調光、調整參數或回報狀態等。能夠讓使用者依不同應用需求,對照明設做調整控制。
高智能電池充電器產品
明緯所推出智慧型充電器,具有電壓誤接、電池逆接、未接電池偵測及電池不良檢測功能。設計上採用微處理器做電源管理,提供兩段式(簡易快充)、三段式(快充後浮充)或八段式(最適化完全充電)充電功能,使用者可依實際需求調整選取合適的充電曲線。
因應不同廠牌或電池種類(鉛酸電池,如flooded加水式、Gel膠體式、AGM吸附玻璃纖維式等,或鋰電池,如鋰鐵、鋰錳等)所需求的特殊充電曲線,與各種保護功能之調整,透過內部軔體的修改可完美達到各種客製化之需求。
功能上可針對某一區段的充電電壓、充電電流、截止電壓/電流等參數進行調整,亦可取消特定的保護功能。
純正弦波變流器產品(Inverter)
直流/交流純正弦波變流器(DC/AC True Sine Wave Inverter)系列,採用微處理器(MCU)數位化控制。可透過面板功能設定鍵或監控軟體來彈性調整輸出電壓、頻率、啟動或關閉省電模式、切換不斷電模式或節能模式。
產品內建有市電充電器(AC Charger)與太陽能充電器(Solar Charger),當外接電池組與太陽能面板,即可建構一個綠色節能的獨立電源供應站,達成綠色環保之節能訴求。
明緯亦有開發單相併網型太陽能變流器(Grid-type),有效轉換由太陽能模組所收集的光伏直流電能,高效率轉換成交流電直接饋入電網,達到發電與節能的直接效益。
內部採用數位信號處理器DSP,使用先進之數位控制技術與策略,提升轉換效率及附加功能。系統可經由遠端監控透過軟體方式,提供使用者相當方便的電力監控與記錄之功能,不需增加額外的監控系統。
新一代的高功率密度電源產品(1U profile)
以DSP作全數位式設計,並著重幾項主要功能特別納入設計規劃,故在產品開發時,即要求針對產品的散熱方式、可程式化應用與節能減耗等項目進行技術上的提升與突破,以期達到滿足使用者的最大需求的高附加價值。 其中,可程式化控制輸出電壓與輸出電流的設定與調整,充分滿足使用者彈性變化需求。
另外,為因應大功率方面需求,藉由數位式控制使得並聯特性更加穩定,可並聯工作台數大幅增加。可程式化的輸出電壓與輸出電流設定及多台數並聯功能的搭配,可充分滿足不同使用者的需求,為最佳的電源設備選用方案。
結語
數位化產品的開發也意味著各監控參數能更完備、輸出電壓與輸出電流的控制精度能更細微、能量控制時序也能更彈性。 明緯致力於數位化智能產品開發已有相當成果,產品系列齊備且種類多元;未來將朝向於電源系統、智能照明與樓控等方面,讓客戶有更完備的產品種類可選擇。