Controlul digital al surselor de tensiune: respectarea promisiunilor

31 AUGUST 2011

de Bill Hutchings, Product Marketing Manager, Divizia de microcontrolere de înaltă performanţă, Microchip Technology Inc.
Controlul surselor de tensiune în comutaţie (SMPS) a fost realizat uzual cu circuite pur analogice. Apariţia controlerelor de semnal digital (DSC) înalt performante şi economice furnizează o cale practică de a beneficia de avantajele surselor de tensiune digitale în ceea ce priveşte:
• Costul componentelor necesare (BOM) pentru surse digitale comparativ cu cele analogice;
• Flexibilitatea controlului si abilitatea de a controla topologii avansate;
• Implementarea de funcţii noi fără costuri suplimentare.

Economii aduse de sursele de tensiune digitale
Figura 1 ilustrează o diagramă bloc de nivel înalt pentru o sursă de tensiune generică AC-DC analogică cu două nivele. Funcţiile cheie includ:
• Tren de putere: comutatoare cu semiconductoare, inductoare, condensatoare şi transformatoare de putere.
• Driver de comutaţie de putere: drivere de poartă şi circuit de suport.
• Reacţie: senzori, amplificatoare şi reţele de rezistenţe.
• Control: controlere dedicate pentru fiecare nivel de putere.
• Operaţii auxiliare: un microcontroler dedicat şi circuitele de suport pentru secvenţiere, monitorizare şi comunicaţii.

Cu scop de comparaţie este propusă o sursă de tensiune cu două nivele. Convertorul frontal este un circuit PFC (power factor correction) ridicător de tensiune, în vreme ce al doilea nivel este un convertor DC-DC în punte cu defazare.

Unele dintre aceste elemente, de exemplu trenul de putere, circuitele de comandă şi de reacţie, sunt în principiu identice pentru o sursă de tensiune analogică sau digitală.
Figura 2 ilustrează sursa de tensiune digitală corespunzătoare pentru acelaşi exemplu.
Pentru versiunea digitală a acestei surse de tensiune, funcţiile controlerului analog dedicat şi ale microcontrolerului de gestionare pot fi combinate într-un singur DSC dsPIC®.

Figura 1: Schema prezintă, într-o vedere de nivel înalt, blocurile funcţionale majore ale unei surse de tensiune în comutaţie uzuale controlată analogic.

Figura 2: Pentru o implementare digitală a aceleiaşi surse ca în figura 1, software-ul înlocuieşte hardware-ul pentru un număr de funcţii cheie.

Figurile 1 şi 2 prezintă numai diferenţele majore dintr-o perspectivă de nivel înalt; pe de altă parte tot circuitul de suport trebuie inclus în comparaţie. Fiecare nivel al sursei analogice solicită uzual circuitului să ofere putere auxiliară, plus funcţii de compensare, start soft, control secvenţiere, oscilator etc., toate conectate la un controler central. O implementare digitală va necesita şi ea hardware pentru circuite auxiliare de putere, dar fiecare dintre celelalte funcţii de mai sus vor deveni software ce rulează pe controlerul central. Nu numai că sunt necesare mai puţine componente, dar sunt mult reduse şi conexiunile fizice (trasee PCB). Analiza listei de componente necesare va trebui să ţină cont de acest circuit de suport, complexitatea layout-ului şi dimensiunea PCB. Unele dintre funcţiile identificate mai sus pot necesita (în implementarea analogică) doar câteva componente pasive, în vreme ce altele au un cost mai ridicat (de exemplu un microcontroler separat pentru funcţii de management).

Unii ar putea argumenta că o soluţie digitală necesită drivere de poartă MOSFET dedicate, în vreme ce o soluţie analogică poate oferi drivere de poartă pe cip. Acest lucru este adevărat pentru proiecte de joasă putere, însă majoritatea proiectelor analogice de înaltă putere vor necesita drivere de poartă externe.

O comparaţie detaliată a costurilor din lista de componente va arăta invariabil un total semnificativ mai mic pentru o sursă digitală faţă de o sursă analogică comparabilă ca şi caracteristici. O însumare simplă a costurilor componentelor este numai o parte a chestiunii: există numeroase economii ce rezultă dintr-o sursă digitală, aceasta oferind un layout mai simplu, PCB mai mic, operaţii de prelucrare PCB mai reduse şi costuri mai mici de asamblare, o calitate şi siguranţă de funcţionare mult îmbunătăţite.

Optimizări ale randamentului
În ultimii ani, îmbunătăţirile continue în ceea ce priveşte performanţele tranzistoarelor de putere şi utilizarea de topologii noi au contribuit la o îmbunătăţire semnificativă a randamentului surselor de tensiune. Însă randamentul maxim anunţat se aplică cel mai adesea numai în anumite condiţii specifice de operare (randamentul de vârf se specifică la jumătate de sarcină, sau la tensiuni de linie ridicate). Sursele de tensiune digitale oferă versatilitatea necesară pentru optimizarea randamentului în multiple puncte de operare.
Pentru convertoarele ridicătoare de tensiune PFC, pierderile de comutaţie pot fi reduse la sarcini mai uşoare prin operarea convertorului la o frecvenţă de comutaţie mai scăzută. Acest lucru se datorează faptului că la sarcini mai scăzute, componentele magnetice vor performa încă adecvat la frecvenţe de comutaţie mai scăzute. Dacă este implementat un convertor intercalat PFC, o fază poate fi oprită la sarcini uşoare.
Similar, pentru un convertor în punte cu defazare, pierderile de comutaţie suplimentare pot fi eliminate la sarcini reduse prin oprirea comutării MOSFET-urilor sincrone, şi utilizarea în schimb a diodelor dispozitivului.
Un alt exemplu apare în aplicaţiile convertoarelor coborâtoare de tensiune. Convertoarele sincrone coborâtoare de tensiune sunt tipic preferate pentru ieşiri de curenţi ridicaţi. În acest caz, utilizarea MOSFET de sincronizare conduce la curenţi periodici la sarcini reduse, ceea ce cauzează pierderi mari. De aceea, MOSFET-urile sincrone din convertoarele coborâtoare de tensiune pot fi dezactivate atunci când convertorul operează în mod de curent discontinuu.
Aceste tehnici completează creşterea de randament obţinută prin utilizarea de topologii avansate, precum convertoare rezonante şi quasi-rezonante. Controlul digital asigură suport complet pentru aceste topologii avansate, incluzând punte cu defazare, şi convertoare rezonante LLC, pentru obţinerea unui randament foarte mare şi a unei densităţi mari de putere.
Ca rezultat, controlul digital oferă numeroase opţiuni de optimizare a randamentului surselor de tensiune pe întreg domeniul de operare.

Management energetic

Figura 3: Controlul căii principale a sursei de tensiune şi controlul funcţiilor de management intern – circuite separate în designul analogic – sunt realizate împreună în cadrul unui singur controler pentru versiune digitală.

O sursă de tensiune analogică tipică va îndeplini cerinţele de management energetic prin utilizarea unui microcontroler de gestionare internă (Figura 3). Acest MCU transmite parametrii sistemului local către un controler master sau către un înregistrator de date: acesta utilizează circuite de detecţie suplimentare pentru a colecta datele necesare, şi apoi pentru a le retransmite. În unele cazuri, un sistem de comandă de la distanţă poate de asemenea trimite instrucţiuni pentru operaţii de control a convertoarelor de putere locale. Această configuraţie necesită adăugarea de interfaţă hardware între microcontrolerul de gestionare internă şi circuitele de conversie de putere, adăugând cost şi complexitate.
O sursă de tensiune digitală elimină necesitatea acestor circuite adiţionale deoarece toţi parametrii sistemului sunt deja măsuraţi de DSC.

– continuare în numărul viitor –

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