Zasilacze sterowane cyfrowo - nowe podejście do konwersji mocy

Korekcja współczynnika mocy wprowadziła nowe podejście - zarówno od strony wymagań, jak i rynku - i przyciągnęła zainteresowanie dostawców półprzewodników, którzy starają się dostosować do wymagań odbiorców. Algorytmy oprogramowania zasilaczy zapewniają elastyczne i sprawne rozwiązania, gdy są powiązane z odpowiadającym im sprzętem.

Sterowanie cyfrowe

Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza cyfrowego

Zasilacz jest zwykle związany ze źródłem napięcia zmiennego, które jest następnie prostowane do napięcia stałego, a następnie w pośrednich stopniach obniżane, aż dotrze w końcu do punktu obciążenia (Point of Load, POL). Współczynnikiem mocy systemu nazywany jest stosunek mocy rzeczywistej do pozornej. Im jest on bliższy jedności, tym sprawność systemu jest wyższa.

Korekcja współczynnika mocy (Power Factor Correction, PFC) sprowadza się do sposobu przybliżania tego współczynnika jak tylko to możliwe do jedności. Może to być dokonywane przy użyciu filtrów LC, ale najskuteczniejsze jest impulsowe przetwarzanie podwyższające, obniżające czy podwyższająco-obniżające.

Przechodzenie z domeny analogowej do cyfrowej, które wywołuje dodatkową zwłokę, opóźnienie w pętli sterowania, wyznacza całkowity czas wprowadzania zmiany w konwersji i wywołanego przez nią skutku. Działanie takie jest stosunkowo proste w stanie ustalonym, ale przy zmiennym obciążeniu szybkość, z jaką cyfrowa pętla sterowania nadąża za zmianami obciążenia, wpływa na działanie zasilacza i na całkowitą sprawność systemu.

Trudności rosną, gdy od zasilacza wymaga się dużego natężenia prądu przy niskim napięciu, co zdarza się często w aplikacjach współczesnych systemów wbudowanych. Mikroprocesory, FPGA czy ASIC-e działają pod niskimi napięciami, nie wyższymi od 3,3V, ale pobierają duże prądy. Pobór prądu znacznie zmienia się ponadto w trakcie działania.

Jak pokazuje przykładowy schemat blokowy, dla zapewnienia większej sprawności i podatności w szerokim zakresie obciążeń, sterowanie cyfrowe działa w trakcie całego procesu przetwarzania. Dzięki nieustannemu rozwojowi powstają coraz bardziej skomplikowane algorytmy, także adaptacyjne, reagujące na zmiany obciążenia, również nieliniowe i przewidujące, dynamicznie usprawniające działanie systemu w zmiennych warunkach.

A w miarę ich rozwoju twórcy układów półprzewodnikowych wprowadzają do nich potrzebne rozwiązania sprzętowe, stosując wyższe częstotliwości przełączania, wyższą sprawność i większą gęstość mocy.

Kontrolery sygnałów cyfrowych

Pojawienie się cyfrowego przetwarzania w takich domenach, jak konwersja zasilania, sterowanie silnikami czy w podobnych aplikacjach, w których sterowane adaptacyjne jest korzystne, doprowadziło do rozwoju sterowników sygnałów cyfrowych (Digital Signal Contrtoller, DSC).

Łączą one zalety powszechnie używanych do przetwarzania audio i wideo procesorów sygnałów cyfrowych (Digital Signal Processor, DSP) oraz mikrokontrolerów MCU, tworząc nowy rodzaj urządzeń, perfekcyjnie dostosowanych do obsługi zbyt złożonych dla tradycyjnych MCU algorytmów sterujących, z nietypowymi dla DSP peryferiami i interfejsami.

Na rynku można znaleźć rosnącą liczbę DSC, w większości niemogących jednak sprostać tym wymaganiom. Niektóre z nich wykazują się jednak udoskonaleniami, pozwalającymi programistom stosować je w cyfrowych układach sterujących, zwiększając szybkość przełączania, w pełni wykorzystując najnowsze osiągnięcia w rozwoju algorytmów sterowania.

Podstawową częścią kontrolera DSC jest rdzeń mikrokontrolera, zdolny do skutecznego wykonywania algorytmów transformacji sygnału, z równoczesnym jego przetwarzaniem przez jeden lub kilka przetworników analogowo-cyfrowych ADC z modulacją szerokości impulsów PWM. Ich sygnał wyjściowy służy do sterowania tranzystorami mocy, często MOSFET-ami w stopniach obniżającego lub podwyższającego przetwarzania.

Zgromadzenie wszystkich tych elementów razem we wspólnej architekturze, zapewniając szybkie sterowanie pętlami, jest kluczowe dla konstrukcji skutecznego DSC, będącego sercem wydajnej konwersji AC/DC i DC/DC w zasilaczu.

Układy o sygnałach łączonych

Układy trzeciej generacji dsPIC33 z rodziny GS firmy Microchip, dsPIC- 33RP GS, odznaczają się lepszymi niż układy drugiej generacji parametrami w krytycznym dla szybkiego przetwarzania zakresie. Ich rdzeń ma wydajność 70 MIPS w stosunku do 50 MIPS poprzedniej generacji, zawiera też poprawione peryferie, zwiększające możliwości w zakresie aplikacji cyfrowego zasilania silniej, niż wynikałoby to ze wzrostu MIPS.

Układy z tej rodziny zawierają na przykład do pięciu 12-bitowych ADC, o zwłoce konwersji ADC zmniejszonej z 600 do 300 ns. Wszystkie te usprawnienia umożliwiają zmniejszenie trójbiegunowej, trójzerowej zwłoki układu kompensacji pętli sprzężenia zwrotnego z około 2 µs do poniżej 1 µs, redukując przesunęcie fazy, co poprawia stabilność.

Szybsza pętla sprzężenia zwrotnego pozwala również zwiększyć częstotliwość przełączania i szybkość reakcji. Poprawa sprawności umożliwia zwiększenie gęstości mocy, zasilacze mogą zatem być mniejsze, przy mniejszej liczbie mniejszych dyskretnych komponentów biernych. Dalszym udoskonaleniem architektury układów rodziny "GS" jest wprowadzenie podwójnych partycji Flash, umożliwiających właściwość znaną pod nazwą Live Update.

Pozwala to uruchamiać proces aktualizacji oprogramowania firmware, gdy zasilacz jest w pełni czynny. Nowe oprogramowanie jest ładowane w ciągu sekund do nieczynnej w danej chwili partycji Flash. Po jego zweryfikowaniu rdzeń przerzuca się do działania z drugiej partycji. Właściwość ta jest szczególnie pożądana w aplikacjach o wysokiej dyspozycyjności, jak zasilacze serwerów, gdy nawet niewielka poprawa sprawności może skutkować znaczną redukcją kosztów działania.

Bez Live Update takim aplikacjom pozostałaby możliwość aktualizacji kodu tylko w trakcie planowych (lub nieplanowych) przerw serwisowych, czy nawet pozostawianie ich na dłuższy czas bez aktualizacji, ze stratą korzyści. Funkcjonalność Live Update jest bardzo przychylnie widziana przez obsługę techniczną serwerowni.

Zakończenie

Cyfrowe sterowanie zasilaniem jest nieustannie usprawniane dzięki elastyczności i wzrostowi sprawności, stopniowo więc zastępuje sterowanie analogowe. Jego złożoność jest niewątpliwie utrudnieniem dla producentów, ale efekty zaletą. Stosowanie sterowania cyfrowego z pewnością prowadzi do lepszych rozwiązań i podwyższania sprawności zasilania.

Układy DSC to szczytowe rozwiązania sterowania cyfrowego w zasilaczach i wielu innych aplikacjach, gdzie złożone algorytmy cyfrowe współpracują z analogowymi peryferiami. Rzeczywisty świat rozwiązań o sygnałach łączonych ciągle oferuje możliwości poprawy parametrów na każdym poziomie. W pełni zintegrowane zaawansowane rozwiązania programowalne, jak dsPIC33Ep rodziny GS, reprezentują wysokiej klasy technologię DSC, zapewniając nowe możliwości projektantom kolejnych generacji zasilaczy .