Controlul digital integrat facilitează strategii de control energetic adaptiv

5 SEPTEMBRIE 2012

Capacitatea de comutare fără întrerupere între linia de curent alternativ şi sursa locală de rezervă pe baterii, arhitectura IBA (intermediate-bus architecture) pe care industria de telecomunicaţii a rafinat-o pe parcursul anilor pentru a deveni competitivă din punct de vedere al costurilor cu sursele tradiţionale offline este o soluţie mai atractivă ca niciodată pentru arhitecţii de sisteme cu mare disponibilitate pentru o gamă largă de industrii. Dezvoltarea continuă în zone precum management energetic inteligent întăreşte argumentele în favoarea abordării IBA, iar în vreme ce asemenea strategii sunt posibile de mulţi ani, comercializarea recentă a convertoarelor digitale simplifică foarte mult implementarea lor. Sensibilităţile actuale economice şi de mediu fac ca potenţialele economii energetice să fie imposibil de ignorat – acest lucru aplicându-se în particular sistemelor de comandă conducere care se confruntă cu oscilaţii semnificative de sarcină-nivel.

de Patrick Le Fèvre, Director de Marketing şi Comunicaţii, Ericsson Power Modules
www.ericsson.com/powermodules

Evoluţie sau revoluţie continuă?

Re-examinarea practicilor stabilite de mult şi explorarea activă a celor noi nu a fost niciodată mai potrivită pentru un proiectant de sisteme de putere. Totuşi, revoluţia este o descriere realistă a schimbării de capabilitate pe care recent disponibilele convertoare de putere, ce exploatează controlul în buclă digitală internă, o oferă faţă de echivalentele lor analogice ce au decenii de evoluţie în spate. Se oferă astfel câştiguri de funcţionalitate sau performanţe greu de crezut.
Pentru a putea concura, abordarea digitală trebuie să fie mai bună încă de la lansarea produselor iniţiale, acesta fiind unul dintre motivele pentru care a durat aşa de mult până la comercializarea cu succes.
Procesele de semnal mixt care dau posibilitatea proiectanţilor pe siliciu să prindă în aceeaşi capsulă un subsistem de măsurare şi control şi interfeţe de comunicaţii pe lângă miezul controlerului PWM digital, cu un cost adiţional neglijabil, permiţând realizarea de produse superioare electric faţă de proiectele reali­zate analogic. De exemplu, la 396W cu stabilizare ±2%, Ericsson BMR453 aproape dublează densitatea de putere furnizată de convertoarele analogice stabilizate de magistrală intermediară.

Figura 1: Un convertor digital coborâtor de tensiune cu management energetic şi legătură PMBus™

Mai mult, platforma digitală dă posibilitatea unei mulţimi de funcţii programabile, începând de la constante de reglare (tensiune de ieşire, întârzieri de secvenţiere şi viteze de creştere) şi praguri de condiţii de eroare într-un singur pas de programare, până la parametri cheie de optimizare dinamică într-un sistem în funcţiune. Având ca bază hardware SMBus şi un limbaj de comandă standard pentru controlul puterii, PMBus™ – o poveste industrială de succes – face uşor de explorat şi implementat un nivel de control fără precedent în cadrul convertoarelor analogice, oferind oportunităţi irezistibile pentru îmbunătățirea sistemelor proiectate. Figura 1 prezintă funcţiile cheie pentru un convertor coborâtor de tensiune controlat digital reprezentativ.

Figura 2: Controlul digital adaptiv în buclă internă minimizează pierderile pe o plajă largă de condiţii

Fiind capabil de adaptare în timp real la condiţiile de linie şi sarcină, controlul digital în buclă închisă micşorează pierderile utilizând tehnici ce includ tehnici adaptive de control a timpilor morţi – aceasta însemnând varierea perioadei dintre comutaţia pute­rii pentru a evita shoot-through. Utilizând de exemplu un convertor coborâtor de tensiune, obiectivul este de a minimiza perioada de conducţie a diodei cu pierderi din FET-ul de sincronizare. Îmbunătăţirea randamentului care rezultă din optimizarea acestui parametru convenţional fix devine mai mare odată cu creşterea raportului de conversie şi a vitezelor de comutaţie mai mari, putând ajunge cu câteva procente mai mare. Faţă de convertoarele DC-DC analogice care sunt cel mai eficiente, undeva între 50 – 70% din întreaga sarcină, rezultatul din figura 2 pentru BMR453 privind curba de randament arată o zonă aproape plată de la aproape 10% din sarcină până la 96% sau mai bine de atât pentru operaţii tipice, fiind relativ insensibile la nivele diferite de tensiune de intrare. Semnificativ pentru proiectanţii de convertoare de putere, alte familii de produse cu nivele de putere foarte variate ce implică proiecte cu miezuri comune reflectă virtual aceleaşi caracte­ristici de eficienţă, promiţând o mai mare scalabilitate decât cea oferită de circuitele analogice.

Dispozitivul clasic de 48 VDC este potrivit sistemelor de mare putere

Sursele de putere de încredere devin din ce în ce mai importante odată cu dependenţa societăţii de disponibilitatea sistemelor de comunicaţii, şi de faptul că infrastructurile centrate pe date trimit în istorie diferenţierile dintre comunicaţiile de date şi telefonie. Modelul generic ce asigură disponibilitatea continuă a alimentării în astfel de sisteme combină un transformator AC-DC ce alimentează linia utilă de putere alături de o baterie de backup şi un generator de standby ce alimentează magistrala de distribuţie DC; acesta este un aranjament demonstrat, atractiv pentru numeroase industrii. Ţinând cont că rădăcinile acestui aranjament provin din tehnologia acumulatoarelor cu acid, ce sunt anterioare alimentării prin linii AC, nivelul de 48VDC definit de specificaţiile telecom ETSI EN 300 132-2 definit ca tensiune de serviciu de 40,5 – 57VDC, rămâne o alegere excelentă pentru magistrala de distribuţie de putere DC pentru sisteme ce pot solicita nivele de putere ordinul kW. Un nivel de distribuţie pe 12VDC se luptă pentru a funcţiona în aplicaţii de mare putere, 48VDC face mai uşoară problema pierderilor de rezistenţă şi reduce volumul de fire şi conectoare.

Figura 3: Sistemele practice cel mai adesea scurtcircuitează bariera izolatoare a IBC

Problemele legate de periferice includ necesitatea de a răspunde cerinţelor de siguranţă IEC/EN 60950-1, care sunt efectiv o condiţie globală, cerinţe mai uşor de respectat de o limită maximă de operare de 60VDC pentru sistemele de 48VDC. Aceste consideraţii au implicaţii asupra costurilor care sunt uşor de neglijat. Presupunând că partea de început privind conversia AC-DC furnizează o dublă izolaţie faţă de lina primară AC, aproape orice sistem necesită pur şi simplu un IBC pentru a forma o izolaţie funcţională direct construcţiei. Această abordare este mult mai eficientă energetic decât barierele care necesită o mai mare separare între elemente, precum înfăşurările transformatorului, după cum eficienţa transferului energetic scade rapid cu creşterea distanţei de cuplare.
Merită de asemenea amintit că izolaţia oferită de IBC are rar un scop de siguranţă, deoarece sistemele, aproape invariabil conectează masele intrărilor şi ieşirilor la nivelul plăcii sau la un punct de masă de referinţă – scurtcircuitând izolaţia IBC după cum se poate observa în figura 3. Opţiunea cu “două fire” nu necesită izolaţie cu IBC, dar majoritatea proiectanţilor preferă opţiunea cu “trei fire”, deoarece aceasta oferă mai multă flexibilitate în măsurarea EMC. Cel mai adesea, izolaţia în cadrul IBC există pentru a proteja dispozitivul faţă de tensiunile ridicate pe care curenţii tranzitorii îi pot crea în ie­rarhia legăturilor datorită unor evenimente din reţele externe sau datorită comutaţiei între surse de tensiune. În vreme ce convertoarele izolate sunt intrinsec mai puţin eficiente decât cele neizolate, aşteptările pieţei şi rezultatele economice ale producţiei în ceea ce priveşte oferta de IBC-uri izolate cu standard industrial de izolaţie 1500VDC depăşesc cerinţele majorităţii aplicaţiilor altele decât cele de nişă – conformitate IEEE 802.3af- legături exterioare Power-over-Ethernet ce necesită 2250VDC.

Optimizarea eficienţei conversiei pentru condiţii de sarcină variabilă în timp

După cum ilustrează figura 4, o placă tipică de sistem IBA include un IBC care transformă magistrala de distribuţie de putere într-o magistrală intermediară de nivel în care un număr de stabilizatoare puncte de sarcină (POL) o utilizează pentru a genera tensiunile finale. Montarea în cascadă a convertoarelor DC-DC prin această cale poate să nu fie cea mai intuitivă abordare pentru maximizarea eficienţei sau minimizarea numărului de componente. Alternativa evidentă este de a oferi izolaţie şi conversie coborâtoare către nivelul final într-o singură componentă, după cum o demonstrează modelul clasic al DPA (distributed power architecture). Acest aranjament încă poate crea mai multe probleme decât rezolvă deoarece mai multe convertoare izolate DC-DC pe placă sunt mai complexe, mai scumpe şi mai puţin eficiente decât un IBC şi echivalentul complementar pentru convertoarele neizolate coborâtoare de tensiune. De asemenea, probleme precum eficienţa echilibrului conversiei, stabilitatea necondiţionată a sarcinii şi performanţele răspunsului tranzitoriu, fac dificilă gestionarea unui număr mare de rapoarte de conversie coborâtoare, necesare proceselor de joasă tensiune într-un singur pas.

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