Microcontrolerele şi controlul surselor de tensiune în comutaţie

25 FEBRUARIE 2007

Introducere
Sursele de alimentare, parte integrantă a majorităţii sistemelor electronice, reprezintă acum o piaţă semnificativă, una în creştere cu o viteză extraordinară. Timp de mulţi ani, proiectele de surse de alimentare au constat dintr-o combinaţie complexă între componente analogice şi semiconductoare de putere. Proporţia de surse de tensiune în comutaţie (SMPS) creşte, luând locul surselor liniare tradiţionale.
De fapt, estimările curente arată că mai mult de jumătate din câştigul producătorilor de surse de alimentare este generat de vânzarea surselor în comutaţie.
O sursă de tensiune în comutaţie poate oferi multe avantaje faţă de o sursă liniară, precum un randament mult mai ridicat, domenii de operare mai largi, preţ mai mic, dimensiune mai mică, în particular pentru aplicaţii de putere ridicată. Oricum, numeroasele avantaje ale unei surse în comutaţie au devenit astăzi aşteptări normale de la performanţele unei surse de tensiune, iar proiectanţii caută implementarea de bucle de control digital, pentru a oferi randament şi performanţe tot mai ridicate, reducerea numărului de componente, creşterea siguranţei şi posibilitatea de adăugare de noi caracteristici.

Ce este o sursă de tensiune în comutaţie?

Figura 1 Creşterea nivelelor de integrare a microcontrolerelor în proiectele de surse de alimentare

O sursă de tensiune în comutaţie (SMPS – Switched-Mode Power Supply) poate fi utilizată atât în aplicaţii de conversie AC / DC, cât şi în aplicaţii de conversie DC / DC, precum în cazul UPS-urilor (Uninterruptible Power Supplies).
Designul liniar tradiţional pentru convertoarele AC / DC utilizează un transformator mare (şi greu) pentru coborârea valorii AC. Valoarea obţinută este apoi convertită în DC, prin utilizarea tipică a rectificării cu diode (cu pierderile inerente). Tensiunea rectificată este apoi filtrată prin utilizarea unor inductoare şi condensatoare de filtrare mari. O sursă în comutaţie AC / DC converteşte semnalul de intrare AC în semnal DC uşor filtrat şi apoi comută rapid această tensiune DC la frecvenţă înaltă. Lăţimea pulsului semnalului DC modulat este controlată prin feedback de către ieşire, pentru stabilizarea tensiunii de ieşire a sursei. Această metodă de control este cunoscută sub numele de PWM (Pulse Width Modulation). Semnalul comutat la înaltă frecvenţă este apoi aplicat unui transformator mic pentru coborârea tensiunii. Transformatorul poate fi mult mai mic datorită înaltei frecvenţe a semnalului DC. Ieşirea de joasă tensiune şi înaltă frecvenţă de la ieşirea din transformator este apoi redresată. Redresarea poate fi obţinută prin utilizarea unor FET-uri sincronizate, preferabil faţă de diode din punct de vedere al pierderilor.
Suplimentar, pentru că frecvenţa de riplu este înaltă, pot fi utilizate inductoare şi condensatoare de filtrare mult mai mici.

Metode de control al surselor de tensiune în comutaţie
În cadrul unei surse în comutaţie, bucla de control care comandă PWM (modulatorul) şi FET-urile sincrone este uzual realizată prin tehnici analogice. Era posibilă înlocuirea acestor tehnici analogice cu nişte forme de control digital, dar până de curând costul acestor tehnici şi componente era prea mare, chiar şi pentru cele mai speciale aplicaţii.
Drept rezultat, majoritatea proiectanţilor de SMPS sunt încă nefamiliarizaţi cu tehnicile de control digital, ei căutând să dezvolte soluţii de circuite analogice divergente şi confidenţiale în încercarea de a fi economici şi în acelaşi timp competitivi pe piaţa surselor de tensiune în comutaţie.

Microcontrolere în schemele de proiectare ale surselor de tensiune
În afară de funcţiile de bucle de control digitale, microcontrolerele simple şi-au găsit deja locul în numeroase scheme de SMPS, oferind control, monitorizare, funcţii deterministice şi comunicaţii (în mod uzual bazat pe I2CTM – ca de exemplu standardul PMBusTM). La nivelul cel mai simplu, microcontrolerele pot oferi multe funcţii deterministice de tip “ON/OFF” în cadrul sistemelor de surse de alimentare, precum pornire lină, secvenţiere la pornire, monitorizarea tensiunii şi detectare funcţionare defectuoasă / restabilirea funcţionării. Unele proiecte de SMPS utilizează un microcontroler pentru supravegherea buclei de control, oferind un control proporţional pentru un dispozitiv de control existent dedicat. Microcontrolerele avansate, special destinate pieţei surselor de alimentare, pot oferi semnal mixt, resurse on-chip pentru minimizarea numărului de componente necesare şi joacă un rol tot mai activ în comanda topologiilor buclelor de control al SMPS. Oricum, în toate aceste cazuri, bucla de control în sine rămâne o funcţie analogică, deoarece microcontrolerele nu au performanţele de procesare necesare pentru a gestiona digital bucla în mod eficient.

Avantajele unei bucle de control digitale

Figura 2 Microcontrolerele oferă control simplu ON/OFF al funcţiilor discrete

Figura 3 Control proporţional cu microcontroler pentru un CI PWM separat dedicat pentru sursă de alimentare

Figura 4 Un microcontroler specializat operează în cadrul topologiei buclei de control

Figura 5 Implementarea complet integrată a buclei de control digital prin utilizarea unui controler de semnal digital

Implementarea unei surse de alimentare în comutaţie cu buclă de control complet digitală poate aduce multe avantaje comparativ cu schemele analogice.
Capacitatea de a oferi un suport rapid diferitelor cerinţe ale clienţilor (precum sarcini capacitive sau inductive) poate fi realizată prin simpla particularizare software a caracteristicii de răspuns a sursei de alimentare. Configurarea software poate asigura suportul pentru diferite configuraţii de surse cu platformă hardware comună, sau poate modifica topologia sistemului în timpul funcţionării, bazat pe o tensiune de intrare, precum descreşterea alimentării de la baterie. Sistemele pot beneficia astfel şi de upgrade firmware la locul de funcţionare.
Prin utilizarea unei platforme comune şi particularizare software pot apare numeroase avantaje de fabricaţie. Posibilitatea de fabricare a unui sistem cu control digital conduce şi la reducerea numărului total de componente, la capacitatea de compensare automată a variaţiilor în câmpul de toleranţă, eliminarea toleranţei componentelor prin filtrul buclei, şi testare simplă. Reducerea numărului de componente este de asemenea un avantaj în cazul proiectelor de surse cu factor de formă redus.
Cu toate că nu este o caracteristică exclusivă a designului complet digital, capacitatea de a procesa rapid bucle de control multiple poate uşura adăugarea de caracteristici avansate unei surse de alimentare, precum: controlul independent sau partajarea sarcinii unor terminale de alimentare multiple într-o schemă unică; integrarea PFC (Power Factor Correction) – funcţie cerută în Europa pentru toate sursele AC/DC peste 75 Watt; şi chiar şi un control adaptiv, predictiv al frecvenţei PWM pentru atenuarea oricăror întârzieri în bucla de control / comunicaţii, optimizarea răspunsului tranzitoriu şi îmbunătăţirea randamentului şi performanţelor.

Alte avantaje, asigurate numai de controlul complet digital, includ: abilitatea de a avea o caracteristică de răspuns ce nu poate fi obţinută într-o buclă de control analogic; răspuns mai rapid prin “pre-încărcarea” filtrului buclei. Suplimentar pot fi oferite cu uşurinţă caracteristici precum: calibrarea automată a sistemului, compensarea cu temperatura, tensiunea de intrare şi sarcina, sincronizarea dintre conversia de putere şi evenimente externe, capacitate de schimbare rapidă.
Capacitatea de procesare integrată necesară unui design complet digital poate cuprinde şi alte funcţionalităţi anterior menţionate ca: monitorizare de tensiune şi deconectare în condiţii de supratensiune sau tensiune redusă, măsurare de la distanţă, pornire lină, secvenţiere a alimentării, gestionarea funcţionării defectuoase, detectarea problemelor de funcţionare, controlul ventilatorului, comunicaţie serială – fără necesitatea unui procesor suplimentar.
În timp ce beneficiile generale ale unui control digital sunt foarte clare, costurile asociate cu implementarea duceau la limitarea numai la acele aplicaţii care necesitau cu adevărat caracteristici de control avansat.

Implementarea unui control digital economic
Controlerele de semnal digital (DSC) – o nouă clasă de microcontrolere de înaltă performanţă cu capacitate integrată de procesare de semnal – oferă acum performanţele de procesare necesare pentru implementarea economică a unei bucle de control complet digitale pentru majoritatea aplicaţiilor de surse de alimentare.

Un bun exemplu este Microchip dsPIC® DSC (Digital Signal Controller) – un microcontroler de 30MIPS, 16-biţi, memorie flash, cu capacităţi extinse DSP, care conferă dispozitivului capacitatea, de exemplu, de a procesa o buclă simplă de control PID (Proportional Integral Differential) cu o viteză de peste 600kHz. Circuitul dsPIC standard prezintă opţiuni de temporizare flexibile, control resetare şi management al puterii, periferice hardware (precum comunicaţie serială), funcţii pe care le pot utiliza aplicaţii de surse de alimentare. Suplimentar, dispozitivele sunt disponibile în capsulă foarte mică QFN 6 mm x 6 mm, şi suportă domeniu extins de temperatură de până la 125OC.
Cu scopul de a oferi dispozitive economice cu cele mai mari performanţe posibile, Microchip a dezvoltat circuitele dsPIC cu PWM înalt optimizat, modul comparator şi modul convertor analog / digital destinate special aplicaţiilor de surse.
Ca şi caracteristică a noilor circuite dsPIC30F1010 şi dsPIC30F2020/2023, modulul SMPS PWM suportă operaţii PWM standard, complementare, contratimp, multi-fază, fază variabilă, resetare curent şi limitare curent. El are o rezoluţie de 1 nanosecundă, suportă o varietate de configuraţii de timpi de bază şi funcţii de manipulare a erorilor de funcţionare.
Modulul de comparator dual de mare viteză al noilor dispozitive, cu intrări de referinţă individuale programabile pe 10-biţi şi histerezis integrat, oferă un control direct asupra modulului PWM, aceste lucruri făcând circuitele să fie primele DSC de pe piaţă care pot implementa topologii de surse de alimentare de mod curent.
Convertorul analog/digital pe 10-biţi dispune de până la 12 canale de intrare, poate funcţiona la o viteză maximă de conversie de 2 MSPS, şi prezintă funcţii de sincronizare avansată. Această din urmă funcţie oferă capacitatea implementării la operarea în mod curent a unor algoritmi simpli, eficienţi, cu compensare de pantă.

Prin combinarea celor trei module descrise anterior se obţin bucle de control cu latenţă scăzută, foarte flexibile, de înaltă rezoluţie pentru feedback de tensiune şi de curent.
Noile dispozitive SMPS DSC combină periferice de înaltă performanţă cu randamentul mare software al miezului dsPIC pentru a oferi cea mai economică modalitate de implementare a unei bucle de control digital.

Concluzii
Sursele de alimentare în comutaţie sunt recunoscute ca oferind randament crescut, dimensiuni reduse şi flexibilitate mai mare decât sursele liniare. Unui astfel de sistem îi este adesea adăugat un microcontroler simplu pentru a se obţine caracteristici suplimentare de control şi comunicaţie. Microcontrolerul era rar utilizat în cadrul buclei de control, care, până de curând, era domeniul unor scheme analogice de diferite complexităţi.

În timp ce beneficiile implementării unei bucle de control complet digitale pot fi rapid înţelese, modalitatea actuală de implementare a rămas o sarcină scumpă şi complexă – şi cu siguranţă peste capabilitatea unui microcontroler standard.
De aceea a fost dezvoltată o nouă clasă de microcontrolere, cu capacitate integrată de procesare de semnal, ce a adus viteza de procesare necesară la îndemâna proiectanţilor de surse de alimentare. Prin adăugarea de module periferice speciale, aceste controlere de semnal digital permit realizarea de surse de înalt randament şi flexibilitate, precum şi o întreagă paletă de caracteristici ce pot fi implementate pentru prima oară în cadrul surselor.

www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre