Zasilacze stają się bardziej cyfrowe

Rys. 1. Schematy blokowe systemów stabilizacji analogowej i cyfrowej

Zasilanie cyfrowe jest definiowane i realizowane przez dostawców w różny sposób i rodzi wątpliwości. Czy jest opłacalne? Jakie są jego właściwości w porównaniu do rozwiązań analogowych? Czy jest niezawodne? Na ile komplikuje procesy konstruowania i rozwoju sprzętu? Czy wymaga specjalnego przygotowania projektantów?

Na ile jest znormalizowane i czy podlega licencjonowaniu? Powyższe pytania wymagają odpowiedzi, aby końcowy użytkownik - integrator systemu, czy producent urządzenia (OEM) - mógł z zasilania cyfrowego korzystać z pełnym zaufaniem. Dlaczego napięcia są przeważnie przetwarzane analogowo? W dziedzinie zasilania decydującym parametrem jest sprawność.

Niezależnie od tego, ile udogodnień może zaoferować cyfryzacja, jeśli pogorszy sprawność, spotka się z minimalnym zainteresowaniem. Wzrost zapotrzebowania na moc, związaną z dodatkowymi obwodami sterowania cyfrowego, pozbawiał dotychczas te rozwiązania atrakcyjności. Istotne są również koszt i gęstość upakowania układu. Na szczęście nadejście techniki CMOS wyeliminowało te trudności, umożliwiając przetwarzanie cyfrowe przy wysokiej gęstości, oszczędnym zużyciu energii i niskich kosztach.

Cyfrowe zarządzanie i kontrola

Rys. 2. Parametr czasu martwego w synchronicznym stabilizatorze obniżającym może być nieustannie poddawany optymalizacji w zależności od obciążenia, co podnosi sprawność zasilacza

Cyfrowe zasilanie jest pojęciem szerokim, obejmującym kilka obszarów, a użytkownik może z nich korzystać na kilku różnych poziomach. Jedną z głównych cech zasilania cyfrowego jest to, że w każdej aplikacji systemowej użytkownik może wybrać jedno z różnych dostępnych rozwiązań. Decyzję tę może oprzeć na kilku czynnikach, takich jak koszt, złożoność, dostępność systemu i wymagania serwisowe.

Kluczowym jest rozróżnienie pomiędzy sterowaniem i zarządzaniem zasilaniem. Termin "zarządzanie zasilaniem" stosuje się do łączności z i/lub kontroli jednym lub kilkoma zasilaczami. Obejmuje to takie funkcje jak konfiguracja systemu zasilania, sterowanie, monitoring i wykrywanie uszkodzeń. Obecnie funkcje te są w części analogowe, a w części cyfrowe. W cyfrowym zarządzaniu zasilaniem wszystkie są realizowane cyfrowo, a do przesyłania danych służy magistrala cyfrowa.

Kontrola zasilania

Rys. 3. Nieliniowe lub adaptacyjne pętle sterujące pomagają łączyć stabilność z czułością

Klasyczna analogowa pętla sterowania zasilaniem jest pokazana na rysunku 1. Głównym elementem sterowania jest scalony modulator szerokości impulsów (PWM). Napięcie wyjściowe zasilacza jest próbkowane za pośrednictwem rezystorowego dzielnika napięciowego i przez wzmacniacz błędu porównywane ze stałoprądowym napięciem wzorcowym. Sygnał wyjściowy tego wzmacniacza steruje czasem przewodzenia w PWM.

Do kompensowania pętli, zapewniającej równowagę dynamiki i stabilności, zwykle służy specjalny układ RC, umieszczony na zewnętrz układu PWM. Poza nim głównymi sekcjami zasilacza są filtry wejściowy i wyjściowy, które składają się z indukcyjności, pojemności i rezystancji i pełnią kilka funkcji. Filtr wejściowy pomaga chronić zasilacz przed przepięciami w napięciu wejściowym i zapewnia pewną zdolność magazynowania energii w zasilaczu w czasie dynamicznych zmian obciążenia, a także ogranicza emisję zaburzeń EM do sieci.

Filtr wyjściowy wygładza napięcie wyjściowe, zgodnie z wymaganiami ogranicza tętnienia i szumy, a także zapewnia energię na rzecz obsługi dynamicznych wymagań prądowych obciążenia. Należy tu zaznaczyć, że filtry wejściowy i wyjściowy oraz obwody zasilania w analogowych i cyfrowych strukturach sterujących zasilaczy nie różnią się. Struktury te są skrótowo przedstawione na rysunku 1.

Napięcie wyjściowe w zasilaczu cyfrowym jest odczytywane podobnie jak w analogowym. Ale odczytu dokonuje przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) i przesyła go do obróbki do mikrokontrolera (µC). Z przetwarzanych w µC danych z ADC powstaje sygnał błędu, który reguluje szerokość impulsów dla tranzystorów mocy. Kontroler optymalizuje także wielkości opóźnienia w poszczególnych wyjściach sterownika oraz parametry kompensacyjne pętli. Zewnętrzny obwód kompensacji pętli nie jest już potrzebny.

Wartości wszystkich parametrów, jak napięcie wyjściowe, prąd wyjściowy i temperatura, są przechowywane w EEPROM, wprowadzane w trakcie produkcji, albo przez magistralę.

Sterowanie cyfrowe jest znacznie elastyczniejsze w reagowaniu na zmiany napięcia i obciążenia niż sterowanie analogowe. Jest zdolne do zmieniania parametrów sterowania w zależności od warunków działania zasilacza.

Korzyści z cyfrowego sterowania

Rys. 4. Cyfrowy system zarządzania zasilaniem składa się z zasilaczy podrzędnych, połączonych z nadrzędnym kontrolerem za pośrednictwem magistrali, pokazanej żółtą linią

W synchronicznym zasilaczu obniżającym górny i dolny MOSFET działają w ten sposób, że nigdy oba nie przewodzą równocześnie. Jest to zabezpieczane przez czas martwy między zablokowaniem jednego z nich a odblokowaniem drugiego. Przy sterowaniu cyfrowym długość tego czasu nie musi być ustalona, może się zmieniać za pośrednictwem pętli sterującej w funkcji warunków pracy, optymalizując w ten sposób sprawność zasilacza. Technika ta jest szczególnie przydatna przy małym obciążeniu, co pokazuje rysunek 2.

W układach ze sterowaniem analogowym kompensacja pętli sprzężenia zwrotnego jest kompromisem pomiędzy stabilnością a szybkością działania. W układach sterowania cyfrowego można tworzyć nieliniowe lub adaptacyjne pętle sterowania, które zmieniają kompensację w zależności od warunków działania. Stabilizator zatem gdy trzeba, reaguje szybko, lub w innych warunkach wolniej.

Na rysunku 3 pokazano przykłady takiego zachowania adaptywnego. Oprócz usprawnienia reakcji dynamicznej rozwiązanie takie ma jeszcze inne zalety. Do zapewnienia wymaganej tolerancji napięcia wystarczy mniej wyjściowych kondensatorów odsprzęgających, co obniża koszt i objętość. Nieliniowe sterowanie może umożliwić działanie w sposób nieciągły bez strat w dynamice.

Dzięki opisanym zaletom sterowanie cyfrowe staje się obecnie podejściem preferowanym i coraz częściej znajdzie zastosowanie w nowych zasilaczach. Fakt, że niektóre obwody cyfrowego sterowania w zasilaczach mogą być wykorzystywane do celów zarządzania zasilaniem, jest dodatkową zaletą. Zatem opisane dalej układy stanowią "darmowy" dodatek, który może się przydać projektantom systemów.

Zarządzanie systemem zasilania

Rys. 5. Za pomocą cyfrowego zarządzania zasilaniem można kontrolować sekwencyjną kolejność włączania i wyłączania szeregu zasilaczy

Cyfrowe zarządzanie zasilaniem oferuje szereg korzyści i możliwości, i może być stosowane w kilku różnych stadiach cyklu powstawania zasilacza i systemu zasilania. Kluczem jest elastyczność. Projektant systemu zasilania może wybrać i użyć tylko te właściwości i możliwości, które są ważne w konkretnej aplikacji:

• w czasie wytwarzania zasilacza do konfigurowania parametrów, takich jak, trymowanie napięcia wyjściowego, ochrona punktów trymowania i ładowanie kodów daty i numeru seryjnego, może zostać zastosowany automatyczny system testujący (ATE),
• w czasie optymalizacji projektu systemu zasilania do pomiaru temperatury, napięcia i prądów wyjściowych, oraz do ustalenia punktów trymowania obwodów ochrony przed błędami, może zostać użyty interfejs cyfrowy,
• cyfrowy interfejs zarządzania zasilaniem może zostać użyty przez ATE w czasie montażu i testowania płytki drukowanej i systemu,
• przy kontroli systemu zasilania przez hosta mogą zostać przygotowane sekwencje startu i wyłączenia. Do sterowania wentylatorami i detekcji uszkodzeń może być monitorowana temperatura pracy, a standardowe programy zarządzania mogą uwzględniać warunki w każdym z obszarów systemu.

Podstawowa architektura systemu zarządzania zasilaniem, w której zasilacze komunikują się ze scentralizowanym hostem kontrolnym systemu poprzez cyfrową magistralę łączności, jest pokazany na rysunku 4.

Poszczególnymi zasilaczami są stabilizatory DC/DC instalowane tuż przy odbiornikach energii (POL - Point of Load). Układ sterujący może przybierać formę kontrolowanego przez system zasilania układu scalonego, zwykłego mikrokontrolera, a nawet laptopa działającym oprogramowaniem konfiguracyjnym oraz systemu ATE w trakcie testowania procesu włączania zasilania lub systemu.

Systemowa kontrola zasilania komplikuje się w miarę wzrostu liczby poziomów napięcia na typowej płytce drukowanej. Zwiększa to znacznie złożoność sekwencjonowania napięć. Kolejność sekwencjonowania napięć i czasy ich narastania i opóźnienia, muszą być kontrolowane dla zachowania poprawności procesu włączania i wyłączania, a także na wypadek niektórych uszkodzeń. Wszystko to w cyfrowym systemie zarządzania zasilaniem staje się proste, bez konieczności instalowania analogowych podzespołów do sterowania i kontroli czasów, czy korzystania z lutownicy.

Innym zadaniem działania cyfrowego zarządzania zasilaniem jest wyznaczanie rezerw zakresów napięcia dla kontroli zasilaczy. Jest to potrzebne w końcowej fazie wytwarzania do sprawdzania ich odporności. Napięcia są wtedy zmieniane w rozmaitych kombinacjach z grubsza o ± 5%. Za pośrednictwem cyfrowej magistrali łączności jest to możliwe w ciągu sekundy bez użycia dodatkowego sprzętu i przełączeń. W granicach konfiguracji mieści się programowanie poziomów detekcji błędów. Doskonała elastyczność cyfrowej magistrali na to pozwala:

• można ustalić poziomy ochrony temperaturowej i cyfrowo skonfigurować jej działanie z przerzutnikowym lub automatycznym restartem,
• można ustalić poziomy ochrony nadprądowej i zaprogramować jej działanie z przerzutnikowym lub automatycznym trybem restartu,
• trymowanie poziomu wyzwalania ochrony nadnapięciowej napięcia wyjściowego daje się łatwo zaprogramować w trybie automatycznej regeneracji.

Rys. 6. Cyfrowe zarządzanie zasilaniem może także służyć do wyznaczania rezerwowych zakresów napięć wyjściowych zasilacza

Monitorowanie zasilania polega na pomiarze napięcia i prądu wejścia i wyjścia, częstotliwości pracy i temperatury wewnątrz zasilaczy. Dla większości producentów OEM możliwości te będą bardzo użyteczne w trakcie projektowania i rozwoju nowego systemu.

Dzięki cyfrowemu monitorowaniu wszystkich tych pomiarów będą można dokonywać za pomocą laptopa, zamiast mierników, termopar i wymieniania podzespołów z użyciem lutownicy. Szybkie zapoznawanie się z parametrami na tym etapie ułatwia optymalizowanie systemu zasilania i wybieranie najbardziej opłacalnych rozwiązań zasilaczy.

Projektanci powszechnie dostępnych systemów z górnej półki chętnie uzupełnią swoje produkty o takie możliwości, dzięki którym dane parametryczne będą mogą być gromadzone w systemowym środowisku pracy. Oto przykłady możliwości tego podejścia:

• sprawność może być monitorowana, a jej degradacja rejestrowana zanim dojdzie do uszkodzenia, co pozwala na wczesną wymianę podejrzanej części urządzenia bez narażenia dyspozycyjności systemu,
• skuteczność wentylatora systemu może być kontrolowana w zależności od temperatury wewnątrz zasilaczy,
• całkowita liczba zainstalowanych w terenie systemów może być przeszukiwana zdalnie, dla lokalizacji zasilaczy o konkretnych numerach seryjnych, w celu wymiany podejrzewanych o wady, zanim ulegną uszkodzeniom.

Większość projektantów nie będzie potrzebowała w swoich produktach aż takiego stopnia wyrafinowania. Prostszym podejściem jest zastosowanie projektów ze sterowaniem przerwaniami. Wtedy kontroler nie monitoruje okresowo parametrów, jest przez zasilacz powiadamiany tylko w razie pojawienia się problemu.

Magistrala zarządzania zasilaniem

Rys. 7. Poziomy ostrzegania o przegrzaniu i o błędach mogą zostać zaprogramowane dla temperatury, napięcia wyjściowego i prądu wyjściowego

Magistrala ta, Power Management Bus (PMBus), jest to protokół przyjęty i wspierany przez szereg producentów zasilaczy. PMBus jest szerokim rodzajowym interfejsem, dostosowanym do wielu różnych urządzeń, dobrze współdziałającym z wszelkimi rodzajami umawianych urządzeń.

W swojej najbardziej podstawowej postaci PMBus jest dwuprzewodową magistralą szeregową, opartą na łączu System Management Bus (SMBus), pochodnej popularnej I²C, ale z udoskonaleniami zwiększającymi funkcjonalność w aplikacjach do kontroli zasilania.

Realizacja fizyczna nie jest zdefiniowana przez PMBus. Producenci zasilaczy i organizacje przemysłowe, jak Distrtibuted-power Open Standard Alliance (DOSA) i Point of Load Alliance (POLA) współpracują nad ustanowieniem znormalizowanych konfiguracji, współczynników kształtu, rozmieszczenia wyprowadzeń i mechanicznych interfejsów dla ich łączenia i programowania.

Zakończenie

Rys. 8. PMBus jest standardowym interfejsem cyfrowego sterowania i zarządzania zasilaniem

Zasilacze cyfrowe pojawiły się kilka lat temu, ale nie mogły wówczas konkurować z rozwiązaniami analogowymi. Dzięki lepszym przetwornikom ADC i szybkim mikrokontrolerom zastosowanie cyfrowego przetwarzania w zasilaczach zyskało na atrakcyjności. Poszerzyło to możliwości oraz sprawność zasilaczy i systemów zasilania do poziomu nieosiągalnego w technice analogowej.

Chociaż większość sporów i kontrowersji dotyczących cyfrowych technik zasilania skupia się wokół zarządzania systemowego, to do postępu w tej dziedzinie najwięcej przyczyniły się układowe usprawnienia samych zasilaczy. Osiągane z nich korzyści są rzeczywiste i mierzalne:

• wzrost sprawności,
• poprawa niezawodności, dzięki zwiększeniu integracji cyfrowych obwodów sterujących,
• obniżenie kosztów systemu z powodu zmniejszeniu liczby kondensatorów, dzięki usprawnieniu adaptacyjnego sterowania cyfrowego,
• zwiększenie gęstości mocy zasilaczy dzięki zmniejszeniu obwodów sterowania cyfrowego,
• zacieśnienie tolerancji napięcia wyjściowego, dzięki ulepszonemu trymowaniu punktu początkowego,
• zmniejszenie kosztu całkowitego.

Ze względu na porównywalność kosztów rozwiązań cyfrowych i analogowych współczesne realizacje technologiczne są dla użytkownika końcowego "darmowe" i przedstawiają rzeczywistą wartość dla odbiorcy. Użycie cyfrowego interfejsu zasilaczy już w czasie projektowania systemu, udoskonalania i oceny ma realne zalety. Magistrala łączności pozwala na całkowite przystosowanie systemu do użytkownika, a zyskiem jest redukcja czasu projektowania, ułatwione zarządzanie zasilaniem i skrócenie czasu od projektu do efektu.

Możliwość przystosowywania systemu do klienta pozwala na posługiwanie się numerem seryjnym produktu do różnych celów, do remanentów, czy ułatwienie poszukiwania zasilaczy.

KKP