Dezvoltarea perifericelor pentru microcontrolere simplifică realizarea de surse de tensiune digitale în mod curent

15 OCTOMBRIE 2007

Primele proiecte de SMPS (Switch-Mode Power Supply) utilizau o abordare standard cu privire la operarea în mod tensiune. Una dintre intrările unui comparator de tensiune era comandată de un generator de tip rampă, iar cealaltă intrare era comandată de semnalul de eroare al amplificatorului de eroare / filtrului de reacţie (Figura 1). Rezultatul era un puls PWM (Pulse-Width Modulation) bazat numai pe semnalul de eroare.
În timp ce acesta funcţiona, el cauza uneori o creştere a câmpului magnetic al inductorului, dacă curentul prin inductor nu se descărcase complet pe durata perioadei “off” a semnalului PWM. Rezultatul natural al acestui efect era saturarea miezului inductorului, o creştere semnificativă a curentului prin inductor şi, uzual, defectarea bruscă a tranzistorului de comutaţie.

Figura 1 Amplificarea în modul de tensiune

Figura 2 Amplificarea în mod curent

Odată cu maturizarea proiectelor de SMPS, acestea s-au mutat către sisteme mai sigure, cunoscute ca sisteme de mod curent. Acest tip de sistem înlocuieşte generatorul de tip rampă cu un semnal de reacţie de curent comandat de curentul prin inductor. Rezultatul este un sistem în care curentul de vârf prin inductor este controlat direct de semnalul de eroare, ceea ce elimină creşterile câmpului magnetic al inductorului şi salvează tranzistoarele de comutaţie (Figura 2). Această schimbare către modul curent aduce şi alt avantaj: utilizarea tensiunii de eroare pentru a controla curentul maxim prin inductor transformă inductorul într-o sursă de curent controlată în tensiune. Ca şi sursă de curent, inductorul nu mai generează un pol în răspunsul în frecvenţă al buclei de reacţie. Acest lucru modifică reacţia din instabilă necondiţionat în stabilă condiţionat, ceea ce face ca proiectarea filtrului de reacţie să fie mult mai simplă.
Aşadar, dacă modul curent este un mod superior, de ce schemele de SMPS digitale utilizează încă modul de tensiune? Răspunsul este legat de metoda de monitorizare a reacţiei de curent, şi de rapiditatea necesară pentru asigurarea vitezei de eşantionare.
De exemplu, să considerăm un sistem de 500 kHz cu rezoluţia PWM de 8 biţi. Prin utilizarea unei configurări de mod tensiune, rezoluţia semnalului PWM limitează controlul asupra factorului de umplere la aproximativ 0,4% (100%/256). Suplimentar, reacţia de tensiune va trebui să fie eşantionată odată pe puls, 500000 de eşantioane pe secundă, pentru a oferi intrarea necesară pentru filtrul de reacţie intern bazat pe software.
Utilizând ca ţintă rezoluţia factorului de umplere a semnalului PWM, sunt necesare 256 conversii pe puls PWM pentru a atinge acelaşi nivel de control. Dacă factorul de umplere maxim este 50%, atunci viteza de eşantionare a ADC trebuie să fie de 256 milioane de eşantioane pe secundă:
256 / (2mS x 50%)
Suplimentar, este necesară suficientă putere de procesare pentru realizarea acestor 256 de milioane de conversii, compararea fiecăreia cu semnalul de eroare, şi închiderea ieşirii PWM la atingerea curentului dorit. Prin aproximare aceasta înseamnă un procesor cu un minim de 1 – 2 BIPS (Billion Instructions Per Second).
Cu un factor de umplere de 50%, aceasta înseamnă că jumătate din puterea de procesare este ocupată numai cu limitarea de curent ciclu cu ciclu, ceea ce nu este o abordare prea economică a problemei!
Deci trebuie proiectanţii să accepte modul de tensiune în schemele SMPS?

Răspunsul este nu: există o alternativă.
Alternativa există în utilizarea unui microcontroler sau a unui DSP (Digital Signal Controller) cu un periferic PWM on-board, care lucrează în acelaşi fel ca un generator PWM de mod curent (Figura 3). Diagrama bloc din Figura 3 prezintă două componente de semnal mixt, un comparator de tensiune şi un convertor digital/analog (DAC), adăugate unui periferic PWM normal. Comparatorul de tensiune furnizează un semnal de oprire pentru modulul PWM, care este controlat împreună cu ieşirea numărătorului factorului de umplere. Când acesta din urmă atinge valoarea zero, ieşirea comparatorului comandă trecerea în zero a semnalului PWM.

Figura 3 Circuit PWM cu numărător şi caracteristică de auto-închidere

Figura 4 Amplificarea digitală în mod curent

DAC primeşte intrarea sa de la microcontroler şi generează un semnal de referinţă către comparator. Când sistemul este construit într-un SMPS digital, numărătoarele din modulul PWM pornesc pulsul PWM, DAC generează o tensiune la intrarea inversoare a comparatorului, reprezentând curentul dorit în inductor, iar reacţia de curent este trimisă către intrarea ne-inversoare a comparatorului. Odată cu creşterea curentului în inductor, numărătorul factorului de umplere continuă să numere descrescător. Dacă curentul inductorului atinge nivelul necesar primul, comparatorul finalizează pulsul şi inductorul începe să se descarce pe condensatoarele de ieşire. Dacă numărătorul factorului de umplere atinge primul valoarea zero, finalizează pulsul PWM. Aceasta reprezintă un dublu avantaj: o reacţie rapidă de mod curent care nu necesită un procesor cu valoare mare MIPS şi abilitatea de a regla un factor de umplere maxim pentru limitarea curentului.
O altă caracteristică interesantă se poate obţine din acest exemplu. Rezoluţia factorului de umplere a semnalului PWM este stabilită numai de numărătoare în eventualitatea finalizării unui factor de umplere maxim. Închiderea comparatorului de tensiune este determinată de rezoluţia DAC, astfel încât rezoluţia la operarea normală a PWM nu necesită un ceas de înaltă frecvenţă pe perifericul PWM.
Cum este utilizat acest sistem? La început, sunt determinate frecvenţa PWM şi factorul de umplere maxime necesare. Aceşti parametri sunt apoi utilizaţi pentru configurarea numărătoarelor din circuitul PWM. Apoi, ieşirea de referinţă DAC este scalată pentru domeniul maxim aşteptat pentru semnalul de reacţie de curent. Aceasta oferă cea mai mare rezoluţie în controlul factorului de umplere PWM. În final este proiectat PID (Proportional Integrator Differentiator) software. Acesta va prelua reacţia de tensiune de la convertorul analog/digital (ADC), o va compara cu referinţa digitală internă, o va filtra corespunzător în vederea stabilităţii, şi apoi va trimite la ieşire curentul dorit către DAC, care generează referinţa comparatorului (Figura 4). Dar ce se întâmplă cu problemele de stabilitate în modul curent la factori de umplere mai mari de 50%?
Software-ul PID stabileşte nivelul curent, astfel încât este uşor de scalat valoarea DAC ori de câte ori nivelul de curent solicitat depăşeşte jumătate din domeniul DAC. Aceasta face ca implementarea unei compensări de pantă în mediul digital să fie mai uşoară decât în mediul analogic, deoarece tot ceea ce este necesar este software, în vreme ce soluţia analogică necesită un generator de tip rampă sincronizat cu pulsul PWM, precum şi o joncţiune de sumare în care semnalul rampă se adună reacţiei de curent. Rezultatul acestui proces este simplu, sistemul SMPS de mod curent care utilizează procesoare mai puţin scumpe, cu valoarea MIPS mai redusă, realizează acelaşi lucru pe care-l face un procesor de 1 – 2 BIPS. ştiindu-se că numai procesorul trebuie să calculeze noul nivel de curent înaintea începerii următorului puls, procesorul trebuie să aibă suficient timp liber şi pentru alte sarcini, inclusiv comunicaţii, monitorizarea sistemului şi funcţii deterministice precum pornire lină / secvenţe de pornire, precum şi funcţii de detecţie a erorilor de funcţionare şi remedierea acestora. Sistemul diminuează de asemenea şi solicitarea de module PWM de înaltă frecvenţă. Frecvenţele mari de ceas erau necesare în cazul schemelor de SMPS digitale de mod tensiune pentru a oferi suficientă rezoluţie factorului de umplere.
În cazul sistemului cu comparator analogic cu auto-închidere, rezoluţia este dictată de rezoluţia DAC, ce oferă comparatorului valoarea de referinţă. Singura cerinţă pentru frecvenţa de ceas a PWM este aceea de a fi suficient de mare pentru stabilirea cu precizie a curentului maxim. De exemplu, să presupunem acelaşi puls de 500 kHz cu un factor de umplere maxim de 60%. Pentru atingerea rezoluţiei necesare pentru un factor de umplere de 60%, sau 6/10 din perioadă, este necesar un numărător de numai 4 biţi. Frecvenţa de ceas PWM rezultată este de numai 5 MHz (10 x 500 kHz), ceea ce este o frecvenţă mult mai rezonabilă decât cea necesară pentru soluţia pur digitală. Identificarea componentelor pentru un sistem cu comparator analogic cu auto-închidere este simplă. Acest tip de periferic este disponibil de câţiva ani, ca dispozitiv de control pentru motoare. Modul de auto-închidere a fost proiectat original pentru a oferi protecţie la supracurent pentru motoare în cazul apariţiei unor astfel de situaţii. De fapt, există chiar şi generatoare PWM în microcontrolere cu 8- şi 14-pini care dispun de această opţiune de auto-închidere. Singura problemă cu microcontrolerele mici este lipsa lor de instrucţiuni de multiplicare hardware, necesare pentru implementarea eficientă a unei funcţii PID. Din fericire, producătorii de DSC-uri (Digital Signal Controllers) au clienţi pe piaţa controlerelor pentru motoare, aşa încât există componente la ora actuală ce dispun atât de multiplicare hardware, cât şi de opţiunile PWM necesare. Suplimentar, producătorii de DSC, precum Microchip au început să realizeze scheme noi, special concepute SMPS digitale. Cele mai multe dintre aceste scheme reţin opţiunea de închidere a comparatorului pe perifericul PWM şi, fiind vorba de DSC, ei includ funcţiile matematice necesare pentru procesarea eficientă a algoritmilor PID.
Rezultatul final este capacitatea sistemelor SMPS digitale de a migra către configuraţii de mod curent, cu toate avantajele inerente modului curent şi controlului digital, fără costul prohibitiv al procesoarelor cu valori ridicate MIPS.

de Keith Curtis, Principal Applications Engineer
Security, Microcontroller and Technology Development Division
Microchip Technology Inc.
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