STNRG - sposób na cyfrową konwersję mocy

Rys. 1. Konstrukcja wewnętrzna jednostek SMED

Bezsprzecznie każda nowa seria zasilaczy, napędów czy przetwornic wchodzących na rynek jest coraz bardziej złożona. Implementuje się w nich wiele obwodów zabezpieczających, sygnalizacyjnych i regulacyjnych. Do tego dochodzi możliwość programowania parametrów, dokładnego trymowania wartości nastawionych, sygnalizacji awarii itp.

Zasilacze można łączyć równolegle, zapewniając proporcjonalny rozpływ prądu na poszczególne jednostki po to, aby tworzyć systemy zasilania z redundancją lub można podłączać je do komputera, aby monitorować i zapisywać na bieżąco parametry. Nowoczesne systemy zasilania muszą dzisiaj dopasowywać mechanizm konwersji energii (pośrednio więc topologię pracy stopnia mocy) do aktualnego obciążenia i warunków zasilania na wejściu po to, aby uzyskać maksymalną sprawność.

Taka rozbudowa funkcjonalności układowej w domenie analogowej oznacza ogromną komplikację i duże koszty konstrukcji, stąd producenci wykorzystują mikrokontrolery po to, aby na ich bazie tworzyć sterowniki proste, tanie i funkcjonalne. Takie zasilacze z mikrokontrolerami jako układem sterującym nazywa się cyfrowymi.

Idea jest taka, aby za pomocą wbudowanego w MCU przetwornika A/C mierzyć prądy i napięcia na wyjściu zasilacza oraz kontrolować za ich pomocą działanie obwodów zabezpieczających, przetwarzać te dane i poprzez jednostki PWM sterować stopniem mocy. A firmware mikrokontrolera musi zapewnić panowanie nad tymi sygnałami wejściowymi sterowaniem konwersją mocy i realizować wszystkie opisane funkcje nowoczesnego zasilacza.

Idea ta jest z pewnością prosta, ale niełatwa w implementacji. Po pierwsze, taki mikrokontroler musi działać bardzo szybko. Reakcja na zdarzenia, takie jak nagły wzrost obciążenia, powinna być natychmiastowa, a niestety konwersja A/C i obróbka sygnału zabiera sporo czasu i jest też, o czym się bardzo często zapomina, źródłem opóźnień sygnału, które prowadzą do braku stabilności (wzbudzeń).

Z kolei sterowanie stopniem mocy przez PWM było dobre dekadę albo i dwie temu. Dzisiaj mamy zasilacze rezonansowe, prostowanie synchroniczne oraz zmienne topologie pracy. Przy niskich mocach wyjściowych sterownik zmienia mechanizm działania, aby oszczędzić pobieraną moc, np. gubi impulsy sterujące, obniża częstotliwość taktowania - takich bajerów nierzadko nie da się zrobić na zwykłym PWM-ie.

Efekt jest niestety taki, że zasilacz w pełni cyfrowy, nawet jeśli zawiera procesor DSP lub wydajny 32-bitowy mikrokontroler, wcale nie musi być lepszy od analogowego. Może mieć, i nierzadko ma gorsze parametry dynamiczne, ale za to jest droższy, bo wydajne chipy kosztują, a opracowanie oprogramowania też nie jest tanie.

Dlatego najczęściej cyfryzacja systemów zasilania impulsowego jest połowiczna - kluczowe obwody związane z realizacją pętli sprzężenia zwrotnego (wzmacniacz napięcia błędu, PWM) zwykle dalej są analogowe. Z uwagi na komplikację oprogramowania niezbędnego do sterowania procesem konwersji energii na rynku dominuje także podejście "hybrydowe", a więc takie, gdzie konwersją steruje się na poziomie sprzętowym, nierzadko za pomocą wbudowanych w mikrokontroler zaawansowanych obwodów analogowych, a oprogramowanie nadzoruje działanie takich jednostek. W ten sposób zyskuje się dobre parametry i niezbędny kompromis po stronie kosztów realizacji projektu.

STNRG

Rys. 2. Programowalna matryca połączeń układów wewnętrznych

Układy scalone z serii STNRG firmy STMicroelectronics to przykład nowoczesnych sterowników do systemów zasilania, których funkcje wydają się, w świetle powyższych rozważań, dobrze dopasowane do pracy w roli cyfrowego sterownika. Konstrukcja układu bazuje na czterech (STNRG288A), pięciu (STNRG328A) lub sześciu (STNRG388A) sprzętowych generatorach PWM typu SMED (State Machines Event Driven) zapewniających krótki czas reakcji rzędu 10 ns - znacznie szybszych w porównaniu do rozwiązań bazujących na układach peryferyjnych mikrokontrolerów, a zwłaszcza tych, które wykorzystują wbudowane PWM bazujące na programowanych timerach.

Za ich pomocą można stworzyć elastyczny układ sterowania stopniem mocy, pracujący w dowolnej topologii konwersji, także zmieniać topologię w locie. Ta druga cecha jest dzisiaj niezbędna, aby zapewnić wysoką sprawność konwersji energii w każdych warunkach obciążenia. Duża szybkość działania zapewnia wysoką jakość regulacji i bezpieczeństwo zasilania, co jest istotne zwłaszcza w układach przemysłowych.

Pracę układu SMED kontroluje wbudowany mikrokontroler zgodny z STM8 wyposażony w 32 KB EEPROM, 6 KB RAM, przetwornik A/C wzmacniacz operacyjny, interfejs I²C za pomocą którego można programować parametry, kontrolera i monitorować jego parametry oraz wolne linie GPIO. Zarządza on działaniem całości i realizuje opisywane wcześniej funkcje komunikacji, diagnostyki, zabezpieczeń itd.

Układy STNRG zawierają też interfejs DALI, czyli szeregowy cyfrowy protokół komunikacyjny dla układów oświetleniowych - to standard zdefiniowany w normie IEC 929 i przeznaczony do tworzenia inteligentnych instalacji oświetleniowych, głównie balastów lamp wyładowczych i lamp LED. Implementacja DALI w kontrolerze STLUX wyróżnia się wbudowanym filtrem szumów poprawiającym działanie interfejsu w środowiskach o dużym poziomie zakłóceń lub przy dużej odległości.

Możliwości SMED

Rys. 3. Struktura wewnętrzna STNRG

Generatory PWM typu SMED pozwalają na realizację układu sterowania bazującego na sygnałach zewnętrznych i wewnętrznych kontrolera, bez nadzoru oprogramowania, z czasem reakcji na zdarzenia sięgającym 10 ns. Jest to znacznie lepszy wynik w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań sprzętowych i daleko lepszy od rozwiązań programowych.

Konfigurowanie każdego z 6 dostępnych generatorów SMED następuje z poziomu wbudowanego w strukturę kontrolera mikrokontrolera za pomocą 15 rejestrów sterujących. SMED (analogicznie do innych automatów cyfrowych) może znajdować się w jednym z czterech stanów stabilnych S0-S3 i w trybie Hold.

Przejścia pomiędzy stanami programuje się, definiując zdarzenia, które wywołują przełączenia i tym samym zmianę sygnału wyjściowego PWM (synchroniczne lub asynchroniczne). Zmiana stanu może następować na skutek informacji zewnętrznych napływających z końcówek I/O lub układów wewnętrznych jak na przykład timery.

Po skonfigurowaniu przejść i taktowania SMED działają autonomicznie, ale jednocześnie mogą być łączone w grupy. Taki sposób działania pozwala na generowanie za pomocą układów PWM sygnałów wyjściowych o znacznie większej dokładności i częstotliwości wyjściowej.

Sześć dostępnych układów SMED może pracować niezależnie od siebie (single), pojedynczo razem synchronicznie lub asynchronicznie, a także dwójkami w podobnych układach, przez co impulsy wyjściowe mogą być łączone w jeden strumień lub przeplatane między sobą.

SMED-y mogą być wyzwalane z wewnętrznego timera lub zdarzeniem zewnętrznym takim jak szczytowa wartość prądu obciążenia, przejściem sygnału przez zero, bez konieczności nadzoru ze strony procesora. Dzięki temu konfiguracja SMED nie wymaga zaawansowanej wiedzy z zakresu sterowania i przetwarzania sygnałów. Prosty system regulacji P-I (proporcjonalno-całkujący) wymaga dnia, dwóch pracy, a nie miesiąca.

Układy z rodziny STNRG kosztują od 2,2 USD (STNRG388A w TSSOP38 dla min. 1000 sztuk).

Robert Magdziak