Zasilacz - cyfrowy czy analogowy?

Zasilacze impulsowe są w całości albo analogowe, albo cyfrowe

Rys. 1. Cyfrowe wykorzystanie analogowej pętli sterowania zasilacza MCP19118 firmy Microchip

Impulsowy układ zasilania jest z zasady systemem mieszanym. Sygnał z modulowaną szerokością impulsów (PWM) jest sygnałem cyfrowym, a sygnał sprzężenia zwrotnego jest sygnałem analogowym. Kojarzy je bardzo precyzyjnie taktowana konwersja analogowo-cyfrowa (ADC). Konwersja ta działa poprawnie, jeśli o momencie przełączenia sygnału PWM decyduje albo wzmacniający obwód sterujący, albo cyfrowy algorytm sygnału sprzężenia zwrotnego. Często analogowe chipy sterowania są wyposażone w kontrolowane z zewnątrz interfejsy cyfrowe, a mikrokontrolery zawierają analogowe komponenty do sterowania zasilaniem (rys. 1).

Dodanie do zasilacza mikrokontrolera możliwe było zawsze, ale współczesne układy mają na działanie zasilaczy szerszy niż dotąd wpływ. Mikrokontrolery z funkcjami ukierunkowanymi na przetwarzanie sygnałów (DSC) mogą zawierać nawet całą pętlę sprzężenia zwrotnego. W obu rozwiązaniach układ zasilacza może być elastyczniejszy, łatwiejszy w regulowaniu i inteligentniej reagujący na warunki i sygnały zewnętrzne. Jego parametry dają się formować niezależnie od realizacji pętli kontrolnej tak w domenie cyfrowej, jak analogowej. Współczesne zasilacze impulsowe PWM mogą zawierać tyle cyfrowych układów logicznych, ile wymaga aplikacja.

Zasilacze cyfrowe wymagają cyfrowych pętli sterowania

Metoda sterowania jest tylko jednym z parametrów stabilizowanego zasilacza. Do każdego układu analogowego, także do zasilacza, w celu poszerzenia możliwości jego sterowania i kontroli, może zostać dodany mikrokontroler. Nowsze mikrokontrolery mają większy wpływ na analogową pętlę sterowania. Dawniej wpływ ten był bardzo ograniczony, ponieważ podzespoły analogowe są dynamicznie konfigurowalne w stopniu bardzo ograniczonym.

Natomiast nowsze analogowe układy sterujące przeważnie zawierają interfejsy cyfrowe, bardziej konfigurowalne i programowalne niż układy poprzedniej generacji. Istnieją również zasilacze zintegrowane z mikrokontrolerami w chipie, łatwiejsze do dynamicznego konfigurowania.

Przy rozumnym doborze elementów interfejsów komunikacji cyfrowej, trybów uśpienia, zmian częstotliwości, synchronizacji, miękkiego startu, inteligentnej ochrony przed błędami czy zmianami napięcia i prądu wyjścia, które dają się implementować w systemie przetwarzania zasilania, zasilacze mogą działać zarówno z analogowymi, jak i cyfrowymi pętlami sterowania.

Zasilacz cyfrowy nie jest tak niezawodny jak analogowy

Rys. 2. Powyżej: schemat pętli sterowania zasilacza impulsowego w wersji cyfrowej, poniżej: schemat pętli wersji analogowej

Niezawodność jest skomplikowaną wartością systemu, a dla jej poprawienia w zasilaczach tak cyfrowych, jak analogowych, daje się wiele zrobić. W zależności od realizacji, zasilacz analogowy może szybciej reagować na sprzętowe uszkodzenia, za pomocą szybko działających komparatorów pod- i nadnapięciowych oraz ograniczania prądowego w każdym cyklu.

Ale funkcje te mogą być również realizowane w zasilaczach cyfrowych, na przykład w specjalnych obwodach analogowych, znajdujących się w bardziej zaawansowanych chipach cyfrowego sterowania. Sterowniki cyfrowe mogą zawierać analogowe komparatory do ograniczania prądu. Zasilacze cyfrowe (również z analogowymi pętlami sterowania) mają ponadto szereg szczególnych zalet, których brak w zasilaczach w pełni analogowych.

Cyfrowy algorytm może generować specjalny sygnał uszkodzenia lub awarii z miękkim startem, miękkim wyłączeniem, powolnym ładowaniem, z ponawialnym (lub nie) czasem przerwy, co jest trudne (lub niemożliwe) w sterowniku analogowym. Cyfrowe pętle sterowania albo zawarte w chipie obwody sprzężenia zwrotnego redukują uzależnienie od starzenia się zewnętrznych komponentów biernych.

A cyfrowe interfejsy umożliwiają diagnostykę i dostarczają informacji użytecznych do identyfikowania w przyszłości przyczyn ewentualnych przestojów. Możliwości te pozwalają tworzyć systemy bardziej niezawodne od prostych systemów analogowych. Jednak wszystkie rodzaje zasilaczy, niezależnie od zastosowanych rozwiązań, dla zapewnienia niezawodności wymagają starannych testów. Nie istnieją żadne istotne ograniczenia niezawodności zasilaczy cyfrowych w porównaniu z analogowymi.

Zasilacz cyfrowy jest droższy

Przekonanie, że zasilacze cyfrowe są kosztowniejsze od analogowych, nie jest zawsze słuszne. Cyfrowe mogą być tańsze, ponieważ są konstruowane z mniej dokładnych, a zatem tańszych, komponentów, których całkowita liczba jest często mniejsza, co redukuje koszt, a także rozmiary. Zasilacze cyfrowe bywają tańsze także w szerszym pojęciu.

Aplikacje o zmiennym poborze prądu mogą korzystać z nieliniowych i adaptacyjnych algorytmów, zapewniających najwyższą możliwą sprawność zasilania w każdych warunkach działania. Zasilacze cyfrowe także wykazują się długofalowo liczoną obniżką kosztów działania, uwzględniając wpływ starzenia się podzespołów, przypominając o regularnych przeglądach zapobiegających kosztownym awariom i przerwom działania.

Sprawność zasilacza cyfrowego jest wyższa

Zasilacze cyfrowe cechują się wyższą sprawnością w szerokim zakresie zmian obciążenia. Mogą korzystać z adaptacyjnych algorytmów, a nawet mogą zmieniać sposób działania systemu w zależności od zmieniających się warunków, stosując na przykład technikę wydzielania fazy (phase shedding).

W cyfrowych zasilaczach mogą być stosowane algorytmy nieliniowe i predykcyjne, które poprawiają dynamiczną reakcję na stany nieustalone. Zasilacze analogowe mogą być dokładnie tak samo sprawne energetycznie w jednym punkcie jak cyfrowe, ale już nie w całym zakresie zmian obciążenia.

Ale z drugiej strony moc potrzebna do działania zasilacza cyfrowego bywa większa niż analogowego. Zasilacze cyfrowe zazwyczaj lepiej nadają się do aplikacji o wyższej mocy, których ogólne zużycie energii może być łatwo kompensowane dodatkowymi oszczędnościami dzięki możliwym w technologii cyfrowej kompleksowym algorytmom sterującym.

Zwłoka w cyfrowych sterownikach opóźnia reakcję na stany nieustalone

Zwłoka w systemach kompensowanych cyfrowo może mieć dwie przyczyny: okresowe próbkowanie i złożoność obliczeniową. Szybkość reakcji na stany nieustalone zawsze konkuruje z marginesem fazy (stabilność). Próbkowanie okresowe (raz w cyklu) zwiększa przesunięcie fazy i prowadzi do niestabilności.

Nie jest ono łatwe do skompensowania, system cyfrowy dla takiego samego marginesu fazy wymaga niższej częstotliwości rozgraniczania (przy tej samej metodzie kompensacji). Jeśli ponadto procesor nie dokona odczytu z ADC wraz z obliczeniem różnicy w ciągu jednego cyklu przełączania stopnia mocy, pojawia się dodatkowa zwłoka.

Te wady mogą jednak być pokonywane za pomocą zaawansowanych nieliniowych metod sterowania i technik sprzężenia zwrotnego do przodu (feed forward), a więc algorytmami trudnymi (lub wręcz niemożliwymi) do zrealizowania w analogowym systemie kontroli zasilacza.

Problem braku obciążenia

Zasilacze impulsowe działają w jednym z dwóch trybów: przewodzenia nieciągłego i ciągłego prądu w indukcyjności. W działaniu nieciągłym na końcu każdego cyklu PWM prąd w indukcyjności (dławiku) spada do zera, a w działaniu ciągłym przepływ tego prądu nie jest przerywany. Zaletą trybu przewodzenia ciągłego jest fakt, że prąd nie musi w trakcie każdego impulsu narastać od zera.

Dzięki temu jego natężenie w cyklu PWM jest większe. Wadą tego trybu jest to, że wzmacniaczowi błędu i filtrowi pętli dla zachowania stabilności trzeba przypisać właściwą kombinację biegunów i zer. Niestety, gdy prąd w tym trybie spadnie do zera, pętla sterowania może stracić stabilność.

W starszych rozwiązaniach przeciwdziałanie temu zjawisku polegało na zagwarantowaniu już w danych technicznych minimalnego prądu obciążenia albo na umieszczeniu w obwodzie wyjściowym rezystora obciążającego (Forced Continuous Conduction, FCC). Są jednak obecnie sterowniki zasilaczy, gwarantujące zarówno nieciągły, jak i ciągły tryb działania PWM czy PFM, z obwodami sterującymi przełączaniem trybów. Brak obciążenia przestał więc być ograniczeniem.

Zasilacze cyfrowe są trudne do zaprojektowania

Projektowanie zasilacza cyfrowego nie jest trudniejsze niż analogowego, jest po prostu inne. Ścieżka przepływu prądu i transmisja mocy są w obu przypadkach podobne. Układy pętli sterowania czy kompensacji mieszczą się w cyfrowym kontrolerze, a nie w obwodach analogowych. Charakterystykę układu kompensacji pętli sprzężenia zwrotnego definiuje rozmieszczenie biegunów i zer w paśmie (tak samo jak w rozwiązaniu analogowym), ale w przypadku wersji cyfrowej konfigurowanie działania pętli sterowania dokonuje się często za pomocą oprogramowania narzędziowego.

Zoptymalizowane biblioteki programistyczne, jak algorytmy kompensatorów 2P2Z (typu II) i 3P3Z (typu III) dla cyfrowych kontrolerów dsPIC firmy Microchip, są na przykład dostępne nieodpłatnie w witrynie tej firmy. Projektant nie musi więc sam pisać oprogramowania dla tych funkcji. Algorytmy te ponadto są dopasowywane do specjalizowanych rozwiązań zasilania pod kątem aplikacyjnym.

Tworzenie projektów zasilaczy cyfrowych jest łatwiejsze niż analogowych, bowiem bazują one w dużej mierze na oprogramowaniu. Fakt, że w zasilaczach cyfrowych do algorytmów sterowania stosowane są programy, niezauważalnie upraszcza ich projektowanie. Ale projektant, aby właściwie skonfigurować software'owy kompensator, musi doskonale rozumieć systemy sterowania i znać charakterystykę częstotliwościową pętli sprzężenia zwrotnego. A dokładne działanie zasilacza łatwiej dopracowuje się modyfikowaniem oprogramowania niż sprzętu.

Zasilacz cyfrowy umożliwi realizację wszelkich wymagań

Wielu mędrców uważa cyfrową wersję zasilania za panaceum na wszelkie problemy, ale nie we wszystkich aplikacjach się to sprawdza. Wykorzystywanie całej cyfrowej mocy przetwarzania w prostym odtwarzaczu MP3 tylko do podwyższenia napięcia z pojedynczego ogniwa zasilającego nie ma przecież sensu. Natomiast zasilacze w farmie serwerów do skutecznego dostarczania niezbędnej mocy i szybkiego reagowania na zmiany obciążenia wymagają korzystania z wszystkich możliwości zasilacza cyfrowego.

Na przykład nadawczo-odbiorcze wieże telefonii komórkowej pobierają prąd o dużym natężeniu w trakcie nadawania, a znacznie mniejszym w trakcie spoczynku. Sterownik zasilacza nadajnika jest o nadawaniu uprzedzany, przygotowuje się do wzrostu natężenia prądu jeszcze przed włączeniem nadajnika. Pozwala to unikać, wywoływanego zwłoką w filtrze pętli sterowania, początkowego spadku natężenia prądu. Jest to jedna z ważnych zalet cyfrowych zasilaczy, która uzasadnia zwiększoną ich złożoność.

Natomiast w systemie o stosunkowo stabilnym obciążeniu może być używany znacznie prostszy i tańszy zasilacz analogowy. A konkurencja z niskim kosztem i prostotą scalonego stabilizatora ASIC nie jest łatwa.

A może zasilacz zdefiniowany programowo

Przed kilku laty przepowiadano, że software'owe radio (Software Defined Radio, SDR) stanie się radioodbiornikiem standardowym. SDR ma wiele zalet, ale jedną poważną wadę, do odebrania częstotliwości potrzebuje procesora o dużej wydajności. Nawet odbiorniki, w których do uzyskania częstotliwości pośredniej użyto mieszacza analogowego, potrzebują silnego procesora. Nie jest to więc opłacalne.

Teraz twierdzenia, że zasilacze software'owe (Software Defined Power, SDP) wyjdą na prowadzenie, nie można traktować serio. Podobnie jest w zasilaczach - nie ma nic prostszego i tańszego niż stabilizator liniowy, nawet jeśliby procesor z niezbędną liczbą MIPS-ów był dostępny w tej samej cenie. Chociaż SDP zajmuje ważną i jedyną pozycję w obszarze zasilania, nie jest i nigdy nie będzie rozwiązaniem jedynym.

Zakończenie

Często jest trudno oddzielić marketingowy bełkot od rzeczowych informacji, zwłaszcza gdy rynek jest w natarciu, tak jak aktualny rynek zasilaczy (bez wymądrzania się). Rzecznicy chwalenia zalet nowej technologii często zapominają wymieniać ich wady. Konserwatyści skupiają się tylko na wadach, argumentując: "nie naprawiaj, jeśli się nie popsuło".

Nie żyjemy oczywiście w żadnej skrajności. Musimy po prostu projektować i twardo stąpać po ziemi, brać nowe i stare i znajdować właściwą dla naszych aktualnych projektowych potrzeb mieszankę. Świat nie jest czarno-biały i w każdej decyzji inżynierskiej konieczne jest wyważone podejście.

Kimberly Kulesh
Microchip Technology
www.microchip.com