Examinarea înțelegerilor eronate cu privire la puterea digitală

1 OCTOMBRIE 2018

Conversia puterii analogice a fost un element principal al alimentării în electronica de putere pentru decenii, iar pentru mulți proiectanți de putere digitală este relativ o necunoscută. Aceștia o pot descrie ca a doua venire a conversiei de putere sau ca o extravaganță care nu este necesară. Realitatea este că tehnologia oferă noi funcții și avantaje de sistem, pentru proiectele care au nevoie de acestea. Puterea digitală poate însemna o mulțime de lucruri diferite, iar tehnologiile digitale pot aduce numeroase beneficii dacă sunt utilizate judicios. În aceste rânduri examinăm câteva înțelegeri greșite uzuale pentru a ajuta la perceperea provocărilor, avantajelor și utilizării potrivite a tehnologiei digitale pentru conversia de putere.

Sursele de tensiune în comutație sunt exclusiv analogice sau digitale.
Conversia de putere în comutație este în mod inerent un sistem de semnal mixt. Semnalele de modulație în lățimea pulsului (PWM) sunt digitale, iar semnalul de reacție este analogic. Ceea ce se petrece între aceste două noduri este o conversie A/D cu o temporizare foarte precisă. Această conversie poate avea loc după ce o rețea de control bazată pe un amplificator decide când să comute, sau poate avea loc în urma unui semnal de reacție care permite unui algoritm digital să decidă când să comute. Mai mult ca niciodată, cipurile de control analogic includ interfețe digitale pentru control extern, iar microcontrolerele digi­tale includ componente analogice care permit controlul surselor de tensiune (vedeți figura 1). A fost întotdeauna posibil ca într-o sursă de tensiune să se adauge un microcontroler, dar astăzi, acest microcontroler poate avea mai multă influență în operarea sistemului. Sau, alternativ, întreaga buclă de control poate fi implementată într-un controler de semnal digital. În ambele moduri, proiectul de sursă de alimentare poate fi mai flexibil, mai ajustabil și poate răspunde mai inteligent la condițiile de mediu sau la intrări externe. Aceste funcții pot fi adăugate indiferent dacă bucla de control în sine este implementată în domeniul digital sau analogic. Astăzi, sursele de tensiune în comutație pot avea atâta logică digitală, cât are nevoie aplicația.

Funcțiile digitale necesită bucle de control digital
Metoda de control este numai una dintre caracteristicile sistemului de conversie de putere. Un microcontroler poate fi adăugat în orice sistem analogic pentru a permite includerea de management sau supervizare adițională în sursa de tensiune. Din punct de vedere istoric, abilitatea unui microcontroler de a afecta o buclă de control analogic a fost foarte limitată, deoarece componentele de control analogic dedicate aveau o configurabilitate dinamică foarte limitată. Totuși, noile dispozitive de control analogic conțin din ce în ce mai uzual interfețe digitale, cu mai multă configurabilitate sau programabilitate față de dispozitivele din generațiile anterioare.

Managementul digital al unei bucle de control analogice prezentat pentru MCP19118.

Similar, pe cipul microcontrolerelor sunt integrate produse de conversie a puterii, care permit noi dimensiuni ale configurabilității dinamice. Cu o selecție inteligentă a componentelor, într-un sistem de conversie a puterii pot fi implementate inteligent interfețe de comunicație digitală, moduri de așteptare, schimbări de frecvență, sincronizări, soft-start, protecție inteligentă la erori de funcționare și schimbări ale tensiunii/curentului de ieșire – adăugate implementărilor de bucle de control analogice sau digitale.

Puterea digitală este mai puțin robustă decât cea analogică
Robustețea este o funcție de sistem complicată și există numeroase lucruri ce pot fi făcute pentru a o îmbunătăți în cazul surselor de alimentare analogice sau digitale. În funcție de implementare, este posibil ca sursele de tensiune analogice să aibă un răspuns hardware mai rapid la eroare, cu comparatoare cu acționare rapidă la supra- sau sub- tensiune și limitare reală de curent ciclu-cu-ciclu. Totuși, aceste lucruri pot fi, de asemenea, implementate într-o sursă de tensiune cu control digital, posibil cu structuri analogice dedicate prezente în cipuri de control digital avansate.

Controlerele digitale pot include comparatoare limitatoare de curent analogice. Suplimentar, sursele de alimentare cu funcții digitale (chiar și cele care utilizează bucle de control analogice) au câteva avantaje distincte care nu pot fi cu adevărat imitate într-o soluție complet analogică. Codul programului digital poate oferi un răspuns particularizat la eroare sau cădere de tensiune, inclusiv pornire/oprire lină (soft) particularizată, sarcină de compensare sau încărcare intermitentă, abordări de expirare a timpului sau reîncercări, care ar putea fi dificil (sau chiar imposibil) de implementat utilizând controlere analogice. Buclele de control digital sau rețelele de reacție integrate pe cip reduc utilizarea de componente externe pasive, care adesea variază sau se degradează în timp. În final, interfețele digitale oferă informații de diagnosticare și raportare, care pot fi utilizate pentru a identifica probleme viitoare, evitând întreruperi dure în funcționarea sistemului. Dacă sunt adăugate, aceste funcții pot crea un sistem mult mai robust față de o soluție analogică simplă dedicată. Indiferent de implementare, toate sursele de alimentare necesită o testare cu atenție pentru a asigura durate de viață bune ale produselor, dar nu există limitări fundamentale de funcționare ale sistemelor de putere digitale, care să conducă la performanțe mai slabe prin comparație cu echivalentele lor analogice.

Puterea digitală este mai scumpă
Proiectanții trăiesc cu impresia că sursele de tensiune cu control digital sunt mai scumpe decât echivalentele lor analogice, dar nu întotdeauna este valabil acest lucru. Sursele digitale pot fi mai puțin scumpe, pentru că ele pot fi proiectate cu componente mai puțin precise, de unde și mai puțin scumpe. Ele pot, de asemenea, necesita un număr total mai mic de componente, reducând atât costul, cât și dimensiunea soluției. Sursele digitale pot economisi, de asemenea, bani în termeni de cost total al dreptului de proprietate. În aplicații cu condiții de sarcină variabilă, proiectanții pot implementa algoritmi adaptivi și non-lineari pentru a furniza randamentul cel mai mare posibil pentru orice set specificat de condiții de operare.

Un alt motiv pentru care sursele digitale pot fi mai ieftine în operare este acela că se pot baza pe componente care îmbătrânesc pe durata de viață a sursei, notificând utilizatorul asupra necesității unei intervenții preventive și evitând defectări totale (care conduc la opriri neașteptate, costisitoare).

Puterea digitală este mai eficientă
Sursele de tensiune cu control digital au un randament energetic mai ridicat pe o plajă largă de condiții de sarcină. Ele pot utiliza algoritmi adaptivi și chiar modifica topologia sistemului ca răspuns la schimbarea condițiilor, utilizând tehnici precum evacuarea fazelor. Sursele de control digitale pot utiliza algoritmi neliniari și predictivi pentru a îmbunătăți răspunsul dinamic la tranziții. Sursele de alimentare analogice pot fi exact la fel de eficiente energetic ca și sursele de putere digitale într-un punct de proiectare specificat, dar provocarea pentru sursele analogice este de a maximiza această eficiență dacă unele condiții, precum curentul de sarcină, variază față de punctul operațional optim. Pe de altă parte, puterea necesară pentru funcționarea unui controler digital poate depăși puterea necesară a unui controler analogic; controlerele digitale se potrivesc uzual mai bine pentru aplicații de putere mai mare unde energia solicitată de funcționarea lor este suplinită cu ușurință de economiile energetice posibile prin algoritmii de control permiși de tehnologia digitală.

Întârzierea controlerelor digitale are impact negativ asupra răspunsului tranzitoriu
Există două probleme majore legate de întârziere într-un sistem cu compensare digitală: efectele de eșantionare și timpul de calcul. În cadrul oricărei conversii de putere, frecvența de trecere (răspunsul tranzitoriu) va fi întotdeauna în echilibru cu limita fazei (stabilitatea). Sistemele digitale sunt în mod fundamental simi­lare, dar sistemele de control digitale sunt eșantionate. O eșantionare periodică (odată pe ciclu) adaugă o variație a fazei în funcția de transfer. Aceasta nu poate fi cu ușurință compensată; sistemul digital necesită o frecvență de trecere mică pentru a obține aceeași limită de fază (dacă se utilizează aceeași metodă de compensare). Suplimentar, procesorul trebuie să realizeze citiri ADC și calcule de diferențe în cadrul unui ciclu de comutație, ceea ce va conduce la o perioadă suplimentară de întârziere cauzată de timpul de calcul.

Schema din partea de sus reprezintă hardware-ul necesar pentru o buclă de control digital într-o sursă de tensiune în mod de comutație, iar schema din partea de jos prezintă echivalentul cu buclă de control analogică.

Totuși, aceste aspecte negative pot fi depășite cu ajutorul unor metode avansate de control neliniar și a unor tehnici de anticipare; acești algoritmi ar fi dificil (sau imposibil) de implementat într-un sistem de control analogic. Neajunsul însă îl reprezintă cerințele de procesare; trebuie realizat un echilibru între viteza de procesare, frecvența de comutație, complexitatea algoritmilor și răspunsul tranzitoriu. Acest lucru necesită proiectare, dar nu cauzează obligatoriu o reducere a răspunsului tranzitoriu datorat controlului digital.

Lipsa curentului de sarcină este o problemă
Sursele de tensiune în comutație rulează în mod tipic în unul din două moduri: conducție discontinuă și conducție continuă. În cazul conducției discontinue curentul pe inductor cade în zero la finalul fiecărui ciclu PWM. Operarea în conducție continuă menține un curent continuu în inductor. Avantajul conducției continue este acela că, prin inductor, curentul nu trebuie să crească de la zero la fiecare puls PWM, în acest fel livrând mai mult curent pe fiecare ciclu PWM. Dezavantajul este acela că amplificatorul de eroare / filtrul buclă trebuie să aibă combinația potrivită de poli și zerouri pentru a menține stabilitatea. Din nefericire, în cazul în care curentul în proiectul cu conducție continuă trece în zero, poate face ca bucla de control să fie instabilă.
Pentru a combate acest lucru, proiectele mai vechi fie specifică un curent minim, fie garantează un curent minim prin plasarea unei rezistențe de sarcină pe ieșire (conducție continuă forțată, FCC). Din fericire, astăzi există controlere pentru surse de tensiune care pot gestiona ambele moduri de operare, atât continuu, cât și discontinuu (PWM & PFM), cu un circuit de monitorizare pentru a determina când să comute dintr-un mod în altul. Astfel, în vreme ce acest lucru era odată o limitare datorată designului controlerelor surselor de tensiune, noile controlere gestionează automat comutația, iar limitarea este un pic mai mult decât o notă de subsol în istorie.

Sursele de alimentare digitale sunt dificil de proiectat
Proiectarea unei surse de tensiune cu control digital nu este în mod necesar mai dificilă decât proiectarea unei surse analogice, ci este doar diferită. Designul unui tren de putere este similar în ambele cazuri. Designul buclei de control sau al compensatorului este implementat în firmware-ul controlerului digital mai degrabă decât în cazul circuitului analogic. Locațiile polilor și zerourilor sistemului sunt utilizate pentru a defini caracteristicile compensatorului (la fel precum un design analogic), dar în cazul unui compensator digital sunt adesea utilizate unelte software pentru a configura răspunsul optim pentru bucla de control. De exemplu, bibliotecile software înalt optimizate incluzând algoritmi uzuali de compensare 2P2Z (tip II) și 3P3Z (tip III), pentru utilizare pe familia de controlere de semnal digital dsPIC de la Microchip, sunt disponibile gratuit pe website-ul Microchip. Proiectanții nu au nevoie să scrie software-ul pentru aceste funcții. Suplimentar, algoritmii în cauză sunt reglați pentru trenuri de putere specifice prin furnizarea de coeficienți care sunt derivați de uneltele de proiectare.

Proiectul de sursă de tensiune digitală este mai simplu decât cel analogic [pentru că este doar software]
Faptul că sursele de alimentare digitale utilizează software pentru algoritmii de control nu simplifică în mod perceptibil proiectarea. Proiectanții trebuie să înțeleagă complet sistemele de control și să caracterizeze răspunsul de frecvență al trenului de putere pentru a fi capabil să configureze corespunzător compensatorul utilizat, bazat pe software. Pe de altă parte, optimizarea operării sursei de tensiune pentru a obține reglaje fine, poate fi mai simplă în software decât modificările necesare în hardware pentru a obține schimbările. Tot ceea ce aveți nevoie este un DSP: puterea digitală va înlocui orice altceva
În vreme ce mulți specialiști prezintă puterea digitală ca glonțul de argint care rezolvă toate problemele, aceasta nu se potrivește oricărei aplicații.
De exemplu, nu are rost să se introducă toată această putere de procesare într-un MP3 player de dimensiunea unei palme, operând cu o baterie internă de litiu ion, doar pentru a îmbunătăți tensiunea de alimentare. Pe de altă parte, sursa de tensiune a unui server de nivel platinum trebuie să aibă capabilitatea unui convertor digital de putere pentru a genera eficient puterea de ieșire necesară și pentru a răspunde rapid la schimbările de sarcină.
De exemplu, stațiile pentru telefonia mobilă au o cerință de curent ridicată atunci când transmițătorul este pornit, dar utilizează mult mai puțin atunci când este oprit. Controlerul pentru transmițător știe când trece în starea de pornire, așa că alertează convertorul de putere și coordonează o creștere a curentului mediu, astfel încât atunci când este nevoie de curent, acesta este deja acolo. Aceasta permite evitarea căderii puterii în vreme ce filtrul buclei răspunde. Acest lucru este una dintre caracteristicile cele mai puternice ale puterii digitale, justificând complexitatea adițională a proiectului.
Pe de altă parte, un sistem cu cerințe de putere relativ constante poate utiliza un sistem analogic cu designul său mult mai simplu, o mai mică complexitate și un cost mai redus. La urma urmelor, este greu de bătut costul și simplitatea unui stabilizator bazat pe ASIC.

Puterea definită software va prelua controlul
Acum câțiva ani, predicția era că radioul definit software (SDR) va prelua controlul ca design implicit pentru receptoarele radio. În vreme ce SDR avea câteva avantaje, el suferea de un dezavantaj major: necesita un procesor cu de la 10x la 100x MIPs pentru receptarea frecvenței. Chiar și sistemele care utilizau un mixer analogic pentru a translata frecvența radio (RF) într-o frecvență mai mică intermediară (IF) ar necesita de la 10 la 100 MIPs, iar demodularea ar fi tot ceea ce ar putea gestiona procesorul. Acest lucru nu este în mod clar prea economic. Acum, când cineva spune că puterea definită software (SDP) va prelua controlul, nu este nevoie să fie luat prea în serios. Nu este nimic mai simplu și mai ieftin ca un stabilizator liniar și, chiar dacă ar fi disponibil la același preț un procesor cu valoarea MIPs necesară, tot veți avea nevoie de un stabilizator liniar de 5V pentru a asigura alimentarea procesorului. Cu toate acestea SDP are un loc definit în domeniul alimentării și este cu adevărat singurul lucru care poate îndeplini sarcina sa; nu este și nici nu va fi vreodată o soluție de conversie de putere general valabilă pentru orice.

Concluzie
Adesea este dificil de a separa vorbăria comercială de informația hard, în special atunci când piața este în flux, precum piața surselor de putere. Cei care propun elogierea noilor tehnologii, uită adesea să menționeze provocările lansate de acestea. Conservatorii se concentrează doar pe provocări și argumentează “dacă nu s-a stricat, nu o repara”. Desigur noi nu trăim în niciuna dintre extreme. În mod uzual trebuie să proiectăm și să lucrăm în zona de mijloc, luând noul împreună cu vechiul și realizând amestecul potrivit pentru necesitățile proiectului nostru curent. Iată de ce Microchip oferă un portofoliu larg de soluții de putere, de la analogice tradiționale până la digitale. Știm că lumea nu este formată doar din negru și alb, este continuă și vrem să fim pregătiți pentru oricare ar fi necesitățile dvs. de putere.

Microchip Technology |  www.microchip.com
Sigla-Microchip

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre