Tehnicile digitale de putere oferă beneficii pe întreg ciclul de viaţă al PSU

1 NOIEMBRIE 2010

În urma unei perioade de gestaţie de câteva decenii, tehnicile digitale de control de putere câştigă rapid în cota de piaţă pe măsură ce proiectanţii încep să aprecieze avantajele oferite de această tehnologie faţă de echivalentul său analogic. Cum a fost descoperit, combinaţia dintre controlul digital de putere şi managementul energetic digital depăşesc aşteptările evolutive de a oferi o schimbare reală şi economică.

de Patrick Le Fevre, Director Marketing şi Comunicaţii, Ericsson Power Modules

În acest caz, controlul digital de putere se referă la implementarea buclei interne de control a unui convertor de putere cu circuite digitale, în locul utilizării schemelor analogice cunoscute. Pentru un convertor coborâtor de tensiune, acest fapt semnifică înlocuirea convertorului analog / digital pentru tradiţionalul amplificator de feedback pentru semnalul de eroare, şi derivarea corecţiei pentru modulatorul de lăţime de puls care conduce comutatoarele de putere utilizând tehnici de procesare de semnal digital în locul unei referinţe de tensiune, a unui generator rampă şi a unui comparator.
În contrast, managementul energetic digital denotă circuite de supraveghere şi control care comunică printr-o schemă I/O digitală, ce utilizează, aproape invariabil în ziua de azi, standardul industrial de putere PMBus™.
Dată fiind tendinţa universală pentru un randament energetic cât mai mare, orice convertor digital de putere trebuie cel puţin să egaleze performanţele celor mai bune soluţii analogice, fără a sacrifica niciun aspect al performanţei electrice. Acesta trebuie de asemenea să ofere densitate de putere compe­titivă şi să fie la fel de uşor de implementat în aplicaţii ca un convertor analogic.

Figura 1: Reprogramarea constantelor buclei de control într-un convertor digital de putere îi poate optimiza performanţele dinamice pentru un mediu de lucru dat.

Odată cu dezvoltarea primului dispozitiv dintr-o familie de produse digitale de putere – amplificatorul DC/DC BMR453 – Ericsson a demonstrat că este posibil să se îmbunătăţească cu aproximativ 5% puterea ridicată a unui convertor de magistrală interme­diară convenţional stabilizat imprecis pentru a “stoarce” 396W de la formatul quarter-brick. Concomitent, convertorul digital oferă stabilizarea fermă a tensiunii de ±2% a unui convertor analogic DC/DC complet stabilizat care comandă doar 204W la aceeaşi dimensiune. Randamentul conversiei este îmbunătăţit, ajungând la mai bine de 96% de la aproximativ 10% în sus din puterea totală de ieşire, extinzând semnificativ gama peste care convertorul lucrează cu pierderi minime. În timp ce convertorul digital integrează interfaţa PMBus, se pot ignora facilităţile şi se poate aplica dispozitivul la fel de uşor ca oricare dintre echivalentele sale analogice.

Configurabilitatea digitală oferă beneficii pentru ciclul de viaţă
Dar puterea digitală are mult mai mult de oferit decât doar îmbunătăţirea performanţelor electrice şi a celor legate de cerinţele de densitate de putere, care au dominat anterior starea de spirit a proiec­tanţilor de surse de alimentare. În esenţă, asemenea îmbunătăţiri de performanţă se dato­rează abilităţii unei bucle de control digital de a-şi adapta dinamica pentru a se potrivi optim în timp real condiţiilor li­niei şi sarcinii; în contrast, componentele pasive stabilesc răspunsul convertorului, care este inevitabil un compromis între stabilitate şi răspuns dinamic pentru condiţiile de lucru aşteptate. Dar în dezvoltarea conceptului 3E (enhanced performance, energy management, end-user value), Ericsson a observat că puterea digitală poate oferi beneficii aplicabile pe întreg ciclul de viaţă al produsului.
Din moment ce nucleul convertorului digital este un IC cu semnale mixte, este posibil să se încapsuleze hardware-ul de măsurare şi control supervizor împreună cu interfaţa PMBus a acestuia pe aceeaşi pastilă de siliciu la costuri suplimentare neglijabile. Această abordare optimizează cuplajul electric între nucleul convertorului şi sistemul său de control, micşorează consumul de putere şi reduce din suprafaţa PCB-ului necesară implementării func­ţionalităţii echivalente utilizând soluţii analogice. Este acum posibil să se configureze convertorul di­gital atunci când este realizat iniţial, în timpul fazei de dezvoltare a aplicaţiei proiectantului de sisteme de putere, la depozitul distribuitorului, când este produs echipamentul, şi/sau atunci când acesta

Figura 2: PMBus uşurează monitorizarea şi controlul dispozitivelor compatibile cu sistemul de putere cum este familia 3E.

operează cu echipamentul utilizatorului final.
Acest grad neegalat de flexibilitate extinde pentru prima dată modelul logic programabil la industria conversiei de putere.
Fiecare convertor de putere din familia 3E oferă o gamă de parametri programabili care includ selectarea tensiunii de ieşire, activarea/dezactivarea timpilor de întârziere pentru a implementa secven­ţierea pentru sarcini pentru trasee multiple, contro­lul vitezei de creştere care asigură protecţie la şocul de curent la pornire, testarea sistemelor la tensiuni limită şi praguri multiple pentru condiţii de avertisment şi de defectare la supracurent, supra­tem­pe­raturi şi sub- sau supra-tensiuni. Este chiar po­si­bil să se ajusteze răspunsul buclei de control a unui convertor digital pentru a-i optimiza perfor­manţa la un anumit set de condiţii.
Figura 1 prezintă rezultatul ajustării fine a constantelor care stabilesc răs­punsurile unei bucle de control al unui stabilizator pentru punct de sarcină 3E pentru a-i optimiza răs­punsul tranzitoriu într-un mediu dat. Acesta este echi­valentul digital al mutării polilor şi zerourilor într-un convertor analogic prin ajustarea continuă a valorilor rezistenţelor şi condensatoa­relor din bu­cla sa de feedback, ceea ce este practic de neconceput.

PMBus™ este un factor cheie
PMBus poate fi de nepreţuit în timpul evaluării şi dezvoltării produsului. Aici, managerul puterii plăcii care controlează dispozitivele compatibile PMBus ar putea fi un PC conectat la o placă prototip printr-un adaptor corespunzător. Deoarece stratul fizic al PMBus are la bază SMBus – care este o dezvoltare a I2C – PMBus este în general limitat la domeniul plăcii, lăsând proiectanţii liberi să implementeze propria alegere la conectivitatea backplane-ului. Figura 2 prezintă schema generală.
Pentru a face disponibile imediat aceste realizări, Ericsson a dezvoltat un kit de evaluare compatibil PC pentru produsele 3E, care include un adaptor USB-PMBus şi un driver software care înlocuieşte managerul de putere al plăcii din figură.
PC-ul şi software-ul de aplicaţie al kit-ului îşi asumă apoi rolul de sistem gazdă şi interfaţă cu utilizatorul.
Această abordare oferă o metodă extrem de rapidă pentru experimentarea cu parametri precum configuraţia tensiunii de ieşire, rutinele de secvenţiere a puterii, testarea la tensiuni limită şi gestionarea defectărilor, fără a necesita modificări hardware asupra plăcii supuse testării.
Când proiectantul este satisfăcut cu parametrii implementaţi, soft-ul de aplicaţie poate salva un fişier cu configuraţia pentru fieca­re dispozitiv 3E pentru utilizare ulterioară. Figura 3 prezintă câteva dintre opţiunile pe care le pune la dispoziţie software-ul într-un singur ecran de configurare.
În timp ce clienţii pot solicita configuraţii specifice, Ericsson oferă de cele mai multe ori componente 3E preprogramate cu o configuraţie standard care reflectă un profil de aplicaţie tipică pentru convertor. De exemplu, utilizatorii pot comanda un stabilizator punct de sarcină cum este 20 A-rated BMR450 presetat să scoată 1, 3.3, 5, sau 5.5VDC. Este posibil să se reprogrameze ulterior dispozitivul pentru orice nivel de la 0.6 la 5.5VDC cu rezoluţie de 1mV prin PMBus (este de asemenea posibil să se seteze tensiunea de ieşire a produsului de la 0.7 la 5.0VDC în 25 de paşi cu o rezistenţă). Ca rezultat, un dispozitiv acoperă o gamă largă de tensiuni de ieşire, permiţând reduceri ale inventarului şi mana­gement uşor de logistică. De asemenea merită notat faptul că BMR450 şi companionul său 40A BMR451 pot îm­păr­ţi o placă PCB comună, permiţând proiectanţilor să schimbe convertoarele de putere pe măsură ce nevoile de putere ale sistemului evo­luează. Beneficii similare se aplică la toate convertoarele de putere ale familiei 3E.
Dacă este necesară numai o schimbare unică a tensiunii de ieşire sau a oricărui alt parametru programabil, un moment logic de efectuare a modificării este în faza ATE de producţie a plăcii.
Alternativ, un distribuitor poate oferi un serviciu de programare. Presupunând o simplă aplicaţie pentru utilizatorul final, precum este îmbunătăţirea unui model analogic, este posibil să se renunţe la logica managementului energetic al plăcii de pe placa ţintă.
Totuşi, incluzând conectivitatea PMBus completă, se îmbunătăţeşte extensiv gama de opţiuni care sunt disponibile proiectanţilor de sisteme de putere.
Din moment ce PMBus utilizează doar patru conductori şi un microcontroler low-cost pentru implementarea cu uşurinţă logicii managementului energetic al plăcii, această abordare merită considerată.
Implementarea conectivităţii PMBus permite sistemului gazdă să monitorizeze fiecare dispozitiv compatibil PMBus pe tot ciclul de viaţă al echipamentului. Depinzând de gradul de complexitate al software-ului de supervizare al sistemului, această capacitate de culegere de date ar putea forma baza pentru analiza costului energetic, analiza cauzelor de bază pentru defectări, sau satisfacerea altor funcţii specifice utilizatorului; ar putea ajuta şi la evitarea defectărilor sistemului. De exemplu, dacă software-ul de supraveghere detectează un tipar deosebit de ridicat de condiţii de avertizare pentru un dispozitiv anume, acesta poate semnala o alertă de service pentru a exclude dispozitivele suspecte înainte ca acestea să se defecteze.
În mod similar, dacă tensiunea de ieşire a unui convertor de putere deviază uşor în timp sau ca rezultat al variaţiilor mari de temperatură, software-ul de supraveghere ar putea să ajusteze dispozitivele în specificaţiile corespunzătore.
Altă posibilitate oferită de monitorizarea consumului de putere al plăcii este conservarea dinamică de energie, pentru care software-ul de supraveghere variază inteligent tensiunea de ieşire furnizată de convertorul de magistrală intermediar la stabilizatoarele punct de sarcină.
Deoarece teoretic toate convertoarele de putere au randament redus la sarcini mici, reprogramarea convertorului de magistrală intermediar de la 12VDC la 9VDC evită disiparea de putere, în timp ce stabilizatoarele punct de sarcină lucrează sub sarcini mici.
Când este nevoie de mai multă putere, software-ul de supraveghere poate creşte cu uşurinţă în rampă tensiunea de magistrală intermediară la nivel optim pentru noile condiţii de sarcină. Acolo unde operează o pereche de convertoare de putere cu aranjament de partajare a curentului în paralel, acesta va economisi ener­gie oprind unul dacă nivelul sarcinii scade la capacitatea unui singur convertor. Această abordare activă a managementului energetic se potriveşte în special sistemelor care stau perioade semnificative sub condiţii de sarcină extrem de diferite.

Figura 3: Interfaţa grafică cu utilizatorul a software-ului pentru kit-ul de evaluare 3E simplifică semnificativ configurarea dispozitivelor.

Acesta este doar începutul
Este important să se sublinieze că aceste scenarii date ca exemplu reprezintă doar câteva posibilităţi pe care convertoarele de putere 3E cu conectivitate PMBus le fac posibile, iar proiectanţii ino­vativi vor găsi fără îndoială altele noi.
De asemenea, oricare din convertoarele acestea pot îmbunătăţi modelele analogice fără mare efort din partea proiectantului.
Aceştia pot uşor să opereze independent oferind funcţii tip analogice, precum ajus­tarea tensiunii de ieşire printr-o singură rezistenţă, detecţia tensiunii la distan­ţă şi control hardware on/off pe un singur pin.
Capacitatea “set-and-forget” impusă de PMBus înseam­nă de asemenea că orice con­vertor de putere 3E poa­te fi preprogramat cu parametri definiţi de utilizator care sunt reţinuţi apoi de dispozitiv pe tot ciclul de viaţă sau până la reprogramare. Acest lucru face posibilă ajustarea fină a convertorului pentru o aplicaţie specifică fără nevoia unui PMBus în sistemul ţintă.
Comparativ cu tehnici analogice binecunoscute, dezavantajul conversiei digitale de putere este cantitatea substanţială de efort R&D care este necesară pentru a produce un convertor digital care să merite să fie produs – motivul principal pentru selectarea soluţiilor dovedite, pre-calificate. Pentru a ajuta la acomodarea utilizatorilor cu mediul conversiei digi­tale de putere, Ericsson oferă asistenţă pentru aplicaţiile inginereşti şi completează kit-ul său de evaluare cu o arhivă extinsă de documentaţii tehnice şi informaţii despre aplicaţii. Pentru mai multe detalii vizitaţi www.ericsson.com/powermodules

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