航天器数字电源应用概述

【中心议题】

•        *介绍了数字电源技术
•        *数字电源在航天器上的应用

【解决方案】

•        *数字脉宽调制的精度、ADC采样精度控制
•        *数字控制系统的建模

1　引言

目前航天器上使用的直流-直流变换器也称二次电源(Direct Current to Direct Current,DC-DC),

其主要的功能是提供一个稳定的输出电压供负载设备使用,具有过流保护和电压遥测等功能。而对于特殊负载或关键设备,人们对其供电电源总是期望能有更多的功能,例如电源能否提供对输入及输出电流的遥测功能,在特定情况下能够对产品参数进行调整(如输出电压的调整,供电电流的调整),多路输出电源的上电/下电时序控制,对产品故障或负载故障进行监控,能对它进行远程控制,具有通信能力,可对产品故障进行诊断并通过远程控制,进行程序调整解除故障等。

对于以上所说的这些设想和需求,都能通过数字电源得到实现;数字电源是可编程的,比如通讯、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现。另外,数字电源具有高性能和高可靠性,非常灵活。发挥数字电源技术优势和先进功能应用于航天器,能提高航天器上电源的应用价值,提高我国航天器整体数字化水平。

2　国内、外技术现状和发展趋势

电源技术到目前已经历了从线性稳压电源到开关电源的发展,开关电源的频率从20世纪70年代起的20kHz发展到今天的几百千赫兹甚至上兆赫兹,开创了电源技术的新时代,实现了电源的高频化、高效率、小型化。现在无论国内外从民用到工业再到军工和航空航天领域,开关电源随处可见,在各个行业发挥着举足轻重的作用。

但是,无论是线性稳压电源还是开关电源都是模拟电源,而数字电源是有别于模拟电源的一种新的技术和应用模式。

在电力电子技术领域,数字化已逐渐成为目前发展的大趋势。模拟控制技术发展相当成熟,基本可以满足需求,但如果考虑到温度漂移、长期稳定性和产品一致性等方面的要求,数字化将会带来很多模拟控制所不具备的优点。从DC-DC变换器的发展趋势来看,数字化控制技术的发展是必须的。现代直流电源的用电系统、供电路数、供电要求越来越复杂。如果电源之间能够通信,则可以相互交换负载电流、负载动态变化等信息,系统通过协调、控制和管理,可以在整体效率、动态响应方面达到更好的效果,从而实现系统级优化。

数字电源有以下几种不同的含义:

最简单的是指通过数字接口控制的开关电源,包括通过I2C总线或类似的数字总线控制输出电压、开关频率或多通道电源的排序,启动、裕度控制、加电和断电排序等等都可以通过一个或多个数字信号控制。目前市场上的很多电源管理集成电路都以这种方式工作,通过数字接口控制模拟开关电源。

第二个含义是给前面所述的开关电源再加上数字遥测功能。在这种情况下,提供额外的控制功能以监视开关电源的状态,如温度、输出电流、输入电流、输入电压、输出电压等,并根据需求周期性地向主机报告。身份或识别码(Identification,ID)标记、故障状态信息甚至时间标记事件等其他信息也可以存储在片上非易失性存储器中,并在将来某个时间报告这些信息。具有大量数字集成电路的高端系统,是这类数字电源的目标市场,而较低成本的消费类产品可能不需要这样的信息。

第三个数字电源含义是指,用数字电路彻底取代开关稳压器中的所有模拟电路。这样能使开关电源更容易设计、配置、稳定、调节。通过编写几行简单的代码,一个核心数字电源集成电路就可以配置成升压稳压器、降压稳压器、负输出、反激式或正激式变换器。从根本上来说,电源是模拟的,用模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)和数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)取代误差放大器和脉冲宽度调制器的数字开关稳压器,仍然也需要电压基准、电流检测电路和开关或金属氧化物半导体场效应晶体管(Metallic Oxide Semiconduc-tor Field Effecttransistor,MOSFET)驱动器。此外,电感器或变压器和电容器在实现数字电源时也是不能缺失的。

目前人们所认识的数字电源与模拟电源的区别主要集中在控制与通信部分。在简单易用、参数变更要求不多的应用场合,模拟电源产品由于其应用的针对性可以通过硬件固化来实现,从而更具优势。

但在可控因素较多、实时反应速度更快、复杂的高性能系统应用中,数字电源则具有优势。此外,在特殊的应用环境中,数字电源通过软件编程来实现多方面的应用,其具备的可扩展性与重复使用性使用户可以方便更改工作参数,优化电源系统,还可以减少外围器件的数量。

目前所要解决的技术问题是,电源子系统要实现与系统的其他部分的通信,并对其进行程序控制。

传统电源的功能很简单,只要能够供电就可以了,系统也不用知道有关电源的信息。如今,电源系统的功能要复杂得多,而且要在特殊情况下提供很多的扩展功能,因此双向通信并具程序控制的优点为数字电源开辟了广阔的天地。

从国内外来说,数字电源都是一种新技术。由于绝大多数开关电源设计人员一直采用传统模拟电路,数字控制电源作为一种新兴技术还处于研究探索中,需要建立起一套新的理论和方式方法。在电源系统数字化、智能化的趋势下,对电源的状态控制和了解的要求也越来越高,模拟控制到数字控制面临很多技术难点,例如响应速度或带宽、模拟控制对信号状态的瞬时反应等。数字控制电路是一个采样系统,涉及到延时问题,需要中央处理器(CentralProcess Unit,CPU)、ADC等具有很高的计算速度。

近几年来,国内外的电力电子专业研究学者和各大高校都开始做数字电源方面的研究。其中用微控制器监控电源以及用数字的方式对电源进行控制和调节,已在一些大型的电源应用系统中使用,如服务器电源和通信电源管理系统等。

作为产品化的数字电源在2005年才真正进入国际市场,并且主要限于服务器、不间断电源(Un-interrupted Power Supply,UPS)、电信设备和图形卡等高端应用。

在航天领域,数字电源更是一个全新的概念。天领域具有特殊的应用环境,如高可靠性、高要求、高风险和不可维修性,所以数字电源具有的优点,应该是航天技术发展所希望具备的功能,并且也符合航天器数字化的要求。因此,数字电源不仅是电源技术发展的趋势,也能适应航天技术发展的需求。

3　数字电源控制技术

目前许多高性能的DC-DC变换器,仍是通过无源元件产生的模拟信号来进行设置和控制。既是具有最先进电源转换拓扑结构的高性能变换器,也需要使用调节电阻和电容来确定诸如启动时间、输出电压及开关频率等参数。这些参数没有一个是可以轻易去更改的,因此自适应的电源管理方案就不可能实现。

数字控制技术中,数字脉宽调制(Pulse-WidthModulation,PWM)的精度、ADC采样精度和数字

控制系统的建模是目前研究的主要内容。

在控制与调节方面,数字电源遇到很大的挑战。首先是反馈回路的基本任务。如今,开关频率已经超过1MHz,逐周地进行监测变得更加困难,特别是还必须满足低功耗和低成本的要求。典型的微控制器中有模拟数字转换器,它的采样速率是20万次/s。在开关频率为1MHz时,要求模数转换器的采样速率不低于100万次/s,这将导致更大的功耗。

数字电源有用DSP控制的,也有用微控制处理器(Micro Controller Unit,MCU)和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)控制的。传统MCU做为控制应用比较友好,但数字处理能力弱;传统DSP具有强大的计算处理能力,但由于缺乏做控制应用必需的片上闪存、数据接口、ADC等外设,其控制应用不是很友好。相对来讲,DSP控制的电源采用数字滤波方式,比MCU控制的电源更能满足复杂的电源需求;实时反应速度更快;电源稳压性能更好。因而,DSP与MCU融合成为行业发展趋势。

新一代针对电力电子数字控制领域应用的高性能通用数字信号控制器(Digital Signal Controllers,DSC)正在快速发展。这种数字电源控制器拥有控制回路所需要的全部信息。利用DSC的功能,同样的信息可以用来描述负载和功率级的特性。其中一种用来描述电源特性的办法是调节负载电流,并且监测电源的响应。控制器能够微调占空比并监测与负载有关的响应。此外,DSC还能够轻微地改变工作频率。

DSC设计集成了单片机的专用对象设计和数字信号处理器的高性能,并结合电力电子应用特点对相关内外设资源做了专门的设计和优化,诸如高分辨率的PWM和高速度的ADC,支持单指令流而被众多设计者所看好。

DSC的选择是数字电源设计的关键之一,目前世界上能提供该芯片的主要有德州仪器公司(Tex-as Instruments,TI)和美国科技微芯公司(Micro-chip)。

TI新型F280x产品是DSP高性能与MCU易用性的完美融合。该系列产品有个特点,一方面是具有DSP功能的CPU,有强大的计算能力和数学计算速度,同时具有作控制应用所必须的外设和片上应用模拟模块。DSP设计方便,而且模型建立后,其编程也很方便,加之其系统性、可移植性、可维护性的优势。Microchip公司则认为兼具DSP功能的MCU更贴近客户使用习惯。Microchip公司原来的产品是两个指令流,一个用于DSP,一个用于单片机,Microchip公司新推出的DSC是单指令流,在整个架构中,它使用C语言编译器,编程非常高效。

4　数字电源控制软件技术

数字电源的一个很大优势和功能就是可编程,如通信、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现。系统控制能力的优劣很大程度取决于软件,控制软件除了灵活性、可靠性和通用性之外,还要具有很好的实时性。控制软件的设计在满足实时性的前提下,充分发挥灵活性,使系统的控制质量得以提高。对于系统采用DSP为核心的控制器来说,硬件设计完成后,软件就成为控制器的关键。要根据系统采用的PWM控制技术和算法实现,进行软件设计,输出合理的脉宽控制信号,达到良好的闭环稳定性能。

设计软件程序一般包括初始化子程序、主程序、中断服务子程序和算法控制以及完成各个功能的子程序。初始化子程序主要完成DSP事件管理系统的初始化,以及参变量的初始化。主程序以调用子程序:航天器数字电源应用概述的形式,按循环结构运行,实现控制参数输入、运行状态显示、闭环控制等。中断服务子程序完成实时性高的任务,主要是跟踪电压、电流的变化,完成各种信息的检测,当检测到故障信息后,程序立刻进入故障处理子程序,同时送出故障代码显示并报警。

目前在数字电源软件设计中,最常用到的编程语言有DSP汇编语言和C语言,还有一些专用芯片配套开发的硬件语言。编程语言的选择主要由所选用的控制器决定,不管采用何种编程语言,现在均采用模块化编程方法,子程序之间尽可能减小关联,参数传递通过变量和标志进行,增强了程序的可读性和移植性。

现在芯片提供商还专门开发了针对系统芯片的软件设计程序,这将使程序编写变得更简单和直接,如只需处理向导程序驱动的图形用户界面(Graph-ical User Interfaces,GUI),以获得各种系统级优点,其中包括:

1)通过实时遥测技术简化了系统级温度管理;

2)通过实时遥测技术提高了在故障出现前事先

预测的可靠性;

3)通过在最终模块或者主板测试阶段完全自动

化的检查和可变电阻器微调等功能提高可制造性。

5       数字电源在航天器上应用研究

数字电源特别适合复杂电源系统,当电源系统越复杂,数字电源的成本越具有竞争力,甚至比模拟电源还便宜,附加功能更强大,更能满足用户的特殊要求。因为数字电源可以集成系统中很多功能,特别是电源管理功能,因此如果用户需要电源时序管理、电压/电流监控、温度监测、参数调整和修改等功能,以及用于灵活的系统级控制和实时的故障诊断反馈,那么在模拟世界里,这些功能可能需要不同的IC或根本不能实现。而在数字电源世界,这些功能被集成在数字芯片中,不需要额外的芯片,这种高集成度可以提高产品质量,提高产品化水平和实现性能的一致性。

对航天器上应用的电源管理系统或是DC-DC变换器来说,所有这些目前能知道的数字电源的优点,都是航天器总体设计和应用所希望具备的。因为,对于一个系统复杂、功能庞大、可靠性要求非常高的航天器,尤其是为关键设备供电的电源,设计人员总是需要得到更多的电源信息,以了解电源的工作状况,确保关键设备的正常供电。特别是在发生故障时,需要了解故障发生的位置,是设备问题还是电源问题,如果有了电源实时监控的详细数据,就会对故障的判断提供很大的帮助。

数字电源还可通过软件控制来预测故障,尤其是对于负载设备引起的故障,需做出及时处理,以防止故障的扩大,降低对设备产生的危害。一旦故障发生,可根据情况,对电源进行适当的控制,调整其参数以改变电源的某些技术参数,如输出电压、过流保护值等,使电源适应设备故障状态下对电源的特殊要求,并保证设备工作,完成基本的功能。此外,还有数字电源将在深空探测及星际探测工程中,发挥可通信和可控制的作用。航天器的发展对数字电源的需求是必不可少的,数字电源也将提高航天器整体设计数字化的水平。

但是,数字电源在航天器上的应用还是一种全新的技术。目前,航天器上的供配电分系统以及给各设备供电的DC-DC变换器基本都是模拟技术,它们的设计和使用都已定型和成熟。所以,航天器上什么样的系统层次适宜用数字电源,什么样的关键设备适合用数字电源以及怎么使用数字电源,都是需要解决的问题。随着数字电源在航天器上应用的探索和研究,数字电源将最终会应用于航天器,推进我国航天器数字化技术的发展。