数字电源:一场安静的工业物联网革命

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在电源上增加数字控制可能并不是全新的,但各种市场驱动因素结合在一起,刺激了令人惊讶的一系列细分行业的采用。

 

 

数字电源的好处出现

电源中的数字控制是一个广泛的领域,从基本的数字信号(例如开/关)到传统的模拟控制器,再到更复杂的操作,包括数字信号处理器(DSP)。虽然后者代表了额外的成本,但芯片价格的快速下降和制造商日益复杂的需求意味着采用率正在飙升。

全数字电源有明显的好处,主要是因为它们极大地提高了灵活性。根据不同的应用,甚至环境因素和系统性能变量来调整电源性能特征的可能性,开辟了广阔的实际利益领域,尤其是节省成本。

因为带有DSP的最新微控制器可以在每个开关周期对输出电压进行采样,监控故障和状态条件、响应警告和事件记录都是以前需要更改硬件的实用选项。在工业物联网(IIoT)设备需求和部署不断增加的世界中,通常在物理访问极具挑战性的应用中,这种灵活性非常强大。此外,由于许多原因,许多此类设备位于网络边缘,因此在此级别进行实时监控的价值是有益的,尤其是预测性维护和提高效率。

IIoT价值:一切尽在数据中

智能工厂或工业4.0制造应用特别适用于数字控制电源。详细的日志记录可以与AI工具或仪表板中的其他数据集成,以确保实时管理性能参数。一个隐藏的好处是可以从这些日志中提取历史性能数据的“数据湖”,从而极大地增强预测性和预防性维护建模。

可编程、坚固的电源需求

这种数字可编程能力在坚固耐用的组件及其预期的操作环境中变得尤为重要,从而延长了产品寿命并提高了能耗。通过将电源性能与系统功率预算进行映射和匹配来优化能耗在更极端的条件下具有特殊价值,在这些条件下,热变化可能会影响标准性能。因此,不仅IIoT企业对数字电源产生了积极的兴趣。根据最近的分析报告,全球军事需求正在迅速增加,特别是由于数字电源管理提供的改进。

军事和电信兴趣加速

透明市场研究(Transparency Market Research)的一份报告预测,到2026年,全球下一代军用电源市场的价值预计将达到201.117亿美元,在该预测期内(2018年至2026年)的复合年增长率为5.2%。根据TMR分析,可编程电源细分市场占有最大的市场份额,预计到2026年将以5.5%的复合年增长率增长。来自电网电能质量不稳定的电子设备——无论这种不稳定是由日常环境因素还是恶意行为者造成的。

数字可编程和坚固耐用的电源的另一个主要增长市场当然是电信行业,该行业需要可安装在电信塔中的坚固耐用的电源。这些塔面临着各种各样的挑战,从海岸附近的高盐海洋环境到尘土飞扬的城市地区,以及介于两者之间的一切。将维护成本保持在最低水平对于控制利润率至关重要,尤其是在考虑5G网络升级的新成本时。

实施优势和技巧

虽然数字电源管理解决方案可以从众多应用和环境中受益,但缩小特定应用的范围至关重要。尽管数字电源管理的主要优势(例如降低成本和组件数量、改进开发时间范围以及增加DC-DC转换器选项)吸引了大量关注,但这里也存在设计挑战。

关键考虑因素包括通用电源设计要求,例如减少不良纹波和管理直流电阻(DCR),以及特定的数字电源管理挑战,最关键的是控制算法和固件设计。事实上,这些是造成许多延迟数字电源管理实施的原因。控制算法尤其重要。虽然它可以在“轨道上”进行优化和更新,但在设计过程的早期阶段就需要足够的专业知识,这一点至关重要。

其中一个核心设计挑战是稳定性,传统上这迫使模拟系统采用一系列昂贵的补偿技术。数字电源管理系统可以解决这个难题,提供具有高带宽和改进的瞬态响应的无补偿电源转换器。这是通过创建一个完全合成的电流控制回路来实现的,该回路提供逐周期相电流平衡。这对于广泛用于渲染和人工智能(AI)操作的大型CPU、FPGA或ASIC阵列的复杂多相电源尤为重要。

数字电源管理的一个主要优点是可以通过软件控制和监控每个设置,从而使设计和调整回路变得更简单。不过,隐藏的好处是在调试时间,因为电源的状态和条件是立即清晰的。随后在软件和近实时中调整滤波器和补偿噪声条件的能力增加了解决出现的任何特定挑战并加快进程的灵活性。

最后,由于电源应以最佳水平运行,因此散热性能应非常出色,在许多情况下,可以优化甚至省略气流和散热器等冷却装置。这有助于实现纤薄的设计,可以更轻松地装入有限的空间和机柜。

未来:模拟和数字相结合

不难看出为什么电源的数字控制正在全面发展。从提高灵活性和降低运营成本到在崎岖且难以进入的位置延长使用寿命,以及与更广泛的IIoT策略(如预测性维护和建模)集成,其好处非常多。虽然模拟控制在简单和低功耗的应用中仍然可以发挥作用,但正在兴起的革命确实将被数字化。

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