Adoptarea continuă a controlului digital în conversia de putere şi în distribuţia de putere se datorează flexibilităţii şi randamentului crescut pe care le furnizează. Cu toate acestea, beneficiile nu sunt gratuite; ele sunt rezultatul unor algoritmi complecşi lucrând la viteze de procesare în creştere, cu scopul de a optimiza randamentul surselor de tensiune în comutaţie.
Optimizarea surselor de tensiune în comutaţie este văzută din ce în ce mai mult ca o oportunitate semnificativă pentru producători de a aduce un randament mai mare în produsele finale. Provocarea este însă menţinerea acestui randament pe plaja largă şi variabilă de condiţii de sarcină. Lansarea PFC (corecţia factorului de putere) a condus la o nouă eră în valori de atins pentru randament – din punct de vedere al normelor şi pieţei – şi a devenit o ţintă majoră pentru furnizorii de semiconductoare, care luptă să îmbunătăţească continuu soluţiile de control digital al puterii.
Algoritmii bazaţi pe software oferă potenţial pentru soluţii mai flexibile şi eficiente, atunci când sunt cuplaţi cu hardware-ul corespunzător.
Control digital
Conversia de putere începe invariabil cu o sursă de curent alternativ (AC), care este apoi rectificată în curent continuu (DC) şi apoi tensiunea este coborâtă în trepte prin diverse valori intermediare de tensiune până când atinge eventual punctul de sarcină (POL). Factorul de putere al unui sistem este raportul dintre puterea reală şi cea aparentă; cu cât acest raport este mai aproape de unitate, cu atât sistemul este mai eficient. Corecţia factorului de putere (PFC) este metoda prin care se doreşte aducerea raportului la unitate (sau cât de aproape posibil), putând fi realizată utilizând condensatoare, dar este din ce în ce mai viabilă aplicarea PFC utilizând conversie coborâtoare, ridicătoare sau coborâtoare/ridicătoare de tensiune cu control digital. Trecerea între domeniile analogic şi digital aduce uzual o întârziere suplimentară: întârzierea cauzată de bucla de control; ea este descrisă ca timpul total necesar aplicării schimbării în conversie, măsurând efectul acestei schimbări.
În condiţii statice acest lucru ar fi relativ simplu, dar în condiţii de sarcină variabilă viteza cu care se execută bucla de control influenţează direct PFC şi randamentul total.
Provocarea creşte atunci când etajul POL necesită tensiune redusă, dar nivele ridicate de curent, acesta fiind adesea cazul sistemelor embedded moderne. Astăzi, microprocesoarele, FPGA-urile şi ASIC-urile operează invariabil la tensiuni reduse, de 3.3V şi mai mici – dar necesită curenţi mult mai mari pentru a răspunde cerinţelor globale de putere. Mai mult, solicitarea de putere va varia semnificativ în funcţie de cerinţele aplicaţiei. După cum se poate observa în figura 1, utilizarea controlului digital poate fi aplicată pe întreg fluxul conversiei de putere pentru a aduce nu numai un randament mai mare, ci şi flexibilitatea de a susţine acest randament pe o gamă largă de sarcini.
Acest lucru este activat prin dezvoltarea continuă de algoritmi complecşi, inclusiv algoritmi adaptivi care pot reacţiona la schimbări ale nivelelor de sarcină, algoritmi neliniari şi predictivi care pot îmbunătăţi răspunsul dinamic în condiţii tranzitorii. De vreme ce tehnologia de semiconductoare permite, producătorii sunt capabili de a utiliza aceşti algoritmi pentru a creşte performanţele soluţiilor de control digital, permiţând frecvenţe de comutaţie mai mari care conduc nu numai la randamente mai mari, ci şi la o densitate de putere mai mare.
Controlere de semnal digital
Apariţia controlului digital în zone precum conversia de putere, comandă motoare şi aplicaţii similare unde controlul adaptiv este avantajos, a condus la dezvoltarea de controlere de semnal digital (DSC). Aceste dispozitive aduc împreună avantajul unui procesor de semnal digital (DSP) – utilizat pe scară extinsă la procesarea audio şi video şi venerabilul microcontroler, pentru a crea o nouă clasă de dispozitive perfect reglate pentru a executa algoritmi de control care ar fi prea complecşi pentru un MCU tradiţional, cu periferice şi interfeţe care nu sunt uzual prezente într-un DSP.
Pe piaţă există un număr în creştere de DSC-uri, toate luptându-se să răspundă cerinţelor descrise. Cele mai bune dispozitive urmează o cale continuă de îmbunătăţire a arhitecturii, care permite dezvoltatorilor să îmbunătăţească şi ei viteza şi precizia buclei de control în cadrul aplicaţiei, beneficiind de avantajele complete ale celor mai recente dezvoltări în algoritmii de control.
DSC-urile sunt în esenţă soluţiile definitive de semnal mixt; ele trebuie să combine procesarea digitală cu perifericele analogice. Obţinerea unei soluţii generale necesită ca ambele domenii să funcţioneze împreună fără probleme, ceea ce însemnă că dispozitivele complet integrate oferă cea mai bună abordare. Cu toate acestea, combinarea tehnologiei analogice şi digitale pe un singur dispozitiv poate introduce compromisuri de proiectare, dar îmbunătăţirea performanţelor în ambele domenii într-un mod echilibrat este critică în furnizarea celor mai bune soluţii.
Figura 1: Utilizarea controlului digital pe întreg fluxul conversiei de putere.
Componentele de bază ale unui DSC sunt un nucleu capabil de executarea eficientă a algoritmilor de procesare a semnalului, cuplat cu conversia de semnal sub forma unui/unor convertoare analog/ digitale (ADC), împreună cu o formă de ieşire PWM (pulsuri modulate în durată) utilizată pentru comanda tranzistoarelor de putere precum MOSFET în circuite de conversie coborâtoare/ ridicătoare de tensiune. Aducerea împreună a acestor elemente într-o singură arhitectură care suportă bucle de control rapide este cheia realizării unui DSC de succes, care, la rândul său, este inima unei conversii de putere eficiente AC/DC şi DC/DC.
Soluţie de semnal mixt
A treia generaţie a familiei dsPIC33 GS de la compania Microchip, oferă performanţe crescute faţă de cea de-a doua generaţie, pentru domeniul descris mai sus. Nucleul furnizează acum 70MIPS (de la 50MIPS) dar include acum şi caracteristici precum seturi de regiștri de lucru selectate în funcţie de context, care cresc şi mai mult performanţele pentru aplicaţiile de putere digitală dincolo de ce ar putea sugera viteza brută crescută MIPS. Prin adăugarea a două seturi de regiștri de lucru adiţionale, nucleul suportă acum o comutaţie contextuală aproape instantanee. Performanţele perifericelor analogice au fost de asemenea îmbunătăţite relativ la generaţiile anterioare. De exemplu, produsele din această familie oferă până la cinci convertoare analog/digitale pe 12 biţi, cu o întârziere a conversiei ADC redusă de la 600ns la 300ns. Împreună, aceste îmbunătăţiri permit ca întârzierea compensatorului cu trei poli – trei zerouri să fie redusă de la aproximativ 2μs la mai puţin de 1μs, reducând astfel defazarea şi îmbunătăţind stabilitatea. Buclele de control mai rapide permit de asemenea frecvenţe de comutaţie mai ridicate şi un răspuns tranzitoriu mai bun. Câştigul de randament rezultat ca urmare a creşterii performanțelor, conduce de asemenea la o creştere a densităţii de putere; sursele de putere pot fi proiectate să fie mai mici, utilizând componente pasive discrete mai puţine şi mai mici.
O îmbunătăţire arhitecturală suplimentară în ‘GS’ este introducerea unor partiţii duale Flash, suportând o caracteristică cunoscută ca actualizare în timpul funcţionării (Live Update). Aceasta permite ca un algoritm de control sau orice alt software executat de DSC, să fie actualizat în câmp, în timp ce sursa de alimentare rămâne operaţională; noul software este încărcat în a doua partiţie Flash neoperaţională și, când este verificat, nucleul comută executarea pe partiţia secundară. Aceasta este o caracteristică binevenită în special în aplicaţii cu mare disponibilitate, precum surse de alimentare pentru servere, unde chiar şi un câştig mic de randament poate conduce la reduceri mari ale costurilor operaţionale. Fără caracteristica de actualizare în timpul funcţionării, asemenea aplicaţii ar trebui actualizate pe perioadele de întrerupere pentru operaţii de întreţinere programate (sau neprogramate), sau programul poate fi lăsat nemodificat, pierzând potenţialele beneficii aduse de actualizare. Desigur că ambele opţiuni nu sunt apreciate în mediile de servere.
Concluzie
Controlul digital al conversiei de putere continuă să se dezvolte progresiv, înlocuind controlul analogic, datorită flexibilităţii ridicate şi potenţialei creşteri a randamentului. În vreme ce complexitatea este, fără dubii, o consideraţie pentru dezvoltatori, avantajele pot fi convingătoare. Din punct de vedere al cerinţelor regulamentelor, utilizarea controlului digital poate în mod clar furniza soluţii de conversie de putere mai bune şi, cu introducerea actualizării în timpul funcţionării, oferă o cale de upgrade pentru soluţii deja implementate – chiar şi în aplicaţii cu înaltă disponibilitate.
DSC-urile reprezintă vârful controlului digital în această aplicaţie şi în multe altele, în care algoritmii complecşi întâlnesc periferice analogice de înaltă performanţă. “Lumea reală” a soluţiilor de semnal mixt continuă să ofere o oportunitate de câştiguri de performanţă la fiecare nivel; soluţiile complet integrate, cu programabilitate avansată, precum familia dsPIC33EP GS reprezintă avanpostul tehnologiei DSC, oferind dezvoltatorilor de surse de alimentare noi generaţii de soluţii de control.
Autor: Tom Spohrer, Product Marketing Manager MCU16 Division, Microchip Technology
Microchip Technology | www.microchip.com
