Utfordringer og muligheter for digitale kraftdesign - Elektronikknett

Utfordringer og muligheter for digitale kraftdesign

Det har vært en rask vekst i digital kraftforsyning gjennom de siste fem årene, der teknologien har utnyttet de mange fordelene digital styring kan tilføre et tradisjonelt analogt domene.

XP_MichaelHallworth Dr. Michael Hallworth

Den økende bruken av digital styring er blitt støttet opp av de ange nye produktene fra mikrokontrollerprodusentene, som retter seg spesielt mot det digitale kraftforsyningsmarkedet.

Analog kraftforsyning

XPA088(Fig1) Figur 1: En analogt styrt kraftforsyning.

I en tradisjonell analog kraftforsyning er styringen implementert ved bruk av en styre-IC, bestående av operasjonsforsterkere og komparatorer kombinert med en serie nøye utvalgte eksterne kondensatorer og motstander, som utgjør kompensasjonskretsen. Denne kompensasjonskretsen er designet for å gi kraftforsyningen den ønskede reguleringen, transientlast- ytelsen og stabiliteten i frekvens- eller s-domenet. Kompensasjonskretsen er fast, og ofte kompromittert av en båndbreddebegrensende optokopler i tilbakekoplingssløyfen. Dette er vist i Figur 1.

Digital kraftforsyning
Digital kraftforsyning innebærer en digital styresløyfe som regulerer og stabiliserer kraftforsyningen, og erstatter de analoge styre-ICene som tradisjonelt er blitt brukt i svitsjede kraftforsyninger. I den digitale kraftforsyningen vist i Figur 2, er den analoge styre-ICen og de tilhørende analoge kompensasjonskretsene erstattet av mikrokontrolleren.

MCU

XPA088(Fig2) Figur 2: En digitalt styrt kraftforsyning.

Mikrokontrolleren brukes til å lukke tilbakekoplingssløyfen i kraftforsyningen. I en typisk, digitalt styrt kraftforsyning vil en Analog-til-Digital omformer- (ADC) modul om bord i mikrokontrolleren sample utgangsspenningen eller –strømmen, som så sammenlignes med en ønsket referanseverdi, der resultatet er en feilangivelse. Feilangivelsen brukes som inngang på den diskrete tidsstyrekretsen. Sistnevnte eksekveres ved eksakte, forhåndsdefinerte intervaller, hver gang det er en ny ADC sampling tilgjengelig.

Stabilisering
På samme måte som de analoge kompensatorene i s-domenet, har den diskrete tidsstyrekretsen en frekvensrespons i tids- eller z-domenet. Styrekretsens koeffisienter bestemmer frekvensresponsen og stabiliteten til kraftforsyningen, og må beregnes analytisk for å stabilisere kraftforsyningen.

Først ute i servere
Mikrokontrollere er blitt benyttet i kraftforsyninger i mange år, i den hensikt å implementere grunnleggende funksjonalitet, slik som seriegrensesnitt og styring av viftehastighet, som oftest med relativt enkle og rimelige mikrokontrollere. Komplett digital styring har tidligere vært mest anvendt i server- og telekommunikasjonsmarkedene, med en noe tregere inntreden i industrielle- og medisinske markeder.

Hindring
En dominerende hindring for å skifte til digital styring har vært kombinasjonen av kostnader og kompleksitet som digital kraftforsyning har vært assosiert med. Kostnaden for en moderne mikrokontroller med de DSP-funksjonene som trengs for å implementere full digital styring har imidlertid sunket dramatisk de siste årene, mens kompleksiteten fortsatt er et problem, basert på behovet for å håndtere flere domener ved design av en kraftforsyning – der ingeniørene må kombinere sine ferdigheter innen design av kraftforsyninger, med evne til å skrive effektiv kode og stabilisere den diskrete tidsstyringssløyfen.

Programmering
Utvikling av robust og effektiv fastvare for en kraftforsyning kan ta mye tid, avhengig av kompleksiteten i designet. Verifikasjon, testing og dokumentasjon som er påkrevd for ulike sikkerhetsgodkjenninger betyr at det kreves betydelige ressurser for å utvikle en robust og pålitelig digital kraftforsyning.

Så snart de initielle investeringene er gjort, er selvsagt en av fordelene med digital kraftforsyning evnen til å gjenbruke fastvare på tvers av mange forskjellige produkter. Endring i fastvare for produkter med ulike utgangsspenninger innenfor én serie kan være så enkelt som å endre styrekretsens koeffisienter.

Robust
Den digitale styresløyfen har mange fordeler, sammenlignet med sitt analoge motstykke. Den er ufølsom for omgivelsene, temperatur, aldring og toleranser i komponentene i styresløyfen. Den tillater systemet å overvåke ytelsen av kraftforsyningen i sanntid og justere parametere for å finjustere ytelsen etter behov. Videre tillater avanserte diskrete tidsstyringsteknikker oss å oppnå høyere ytelse, sammenlignet med analoge komparatorer, som å gjenopprette tilstanden etter transienter, kun i løpet av noen få svitsjeperioder, noe som er spesielt interessant i markedet for lastpunkt (POL) omformere, som var tidlig ute med å ta i bruk digital kraft.

Reduserer tap
Det stadig økende behovet for høyeffektive kraftomformere er et viktig område, der digitale kraftsystemer tilbyr løsninger som går langt utenpå typiske analoge styremetoder. Dette kan involvere justering av driften av en PSU for å oppnå optimal nullspenning- eller nullstrømsvitsjing – noe som reduserer tap og øker effektiviteten.

DSP-funksjoner

XPA088(Fig3) Figur 3: Typisk styresløyfesekvens sammenlignet med en PWM svitsjeperiode.

De nyeste mikrokontrollerne for digitale kraftforsyningsapplikasjoner inneholder DSP-funksjonalitet som gjør at den digitale styresløyfen kan eksekveres innenfor en brøkdel av en enkelt PWM svitsjeperiode, i hver eneste svitsjeperiode. Figur 3 viser PWM svitsjeperiode for en typisk digital kraftforsyning. I dette enkle eksemplet samples utgangsspenningen en gang per svitsjesyklus. En ADC omformingstid på noen få hundre nanosekunder er typisk for en mikrokontroller som er designet for digitale kraftapplikasjoner. Etterfulgt av ADC-omformingen kalles avbruddstjenesterutinen opp for å eksekvere den diskrete tidsstyrekretsen. Dette er en tidskritisk rutine.

Gjøre flere ting
Som vist i Figur 3, utgjør tiden som MCUen ikke tilbringer med å eksekvere kontrolleren, for dette eksemplet ledig båndbredde. Denne ledige båndbredden kan benyttes til å utføre andre oppgaver eller funksjoner, spesifikt for en applikasjon. Alle lavprioritets oppgaver kjøres i en langsom sløyfe, og vil få et avbrudd når høyt prioriterte oppgaver oppstår, slik som ADC-interrupt for å kjøre styresløyfekoden.

Kundespesifisering
Gitt fleksibiliteten som en mikrokontroller tilfører designet, støtter digitale kraftløsninger seg i stor grad til kundespesifiserte eller modifiserte standard kraftapplikasjoner, der standardproduktet kanskje ikke tilfredsstiller alle aspekter ved kundens krav. Her kan det være mange spesifikke kommunikasjonskrav, slik som å styre kraftforsyningen over USB, I2C eller EtherCAT. Kunden kan kreve at begrensningene på utgangsspenning eller strøm kan justeres, eller kreve sanntids overvåking, sekvensiering av kraftkomponentene eller nøyaktig strømdeling mellom utgangsmodulene. Applikasjonsspesifikke krav som kan ha tradisjonelt påkrevde maskinvareendringer kan ofte implementeres i fastvare.

Dyrere, men…
Én ting er sikkert, og det er at den kraftigere mikrokontrolleren som brukes for digital kraft vil være dyrere enn den analoge ICen den erstatter. Imidlertid åpner den digitale styrekretsen for å implementere annen funksjonalitet i MCUen, fremfor å benytte diskrete komponenter. Dette kan lede til et redusert komponentantall og mer kompakte løsninger, spesielt for design med komplekse signalkrav eller flere kraftkretser, som kan styres ved hjelp av én mikrokontroller. Resultatet kan være en generell løsning som er mer kosteffektiv Og selvsagt kan det for enkelte komplekse krav, være den eneste realistiske løsningen å gå digitalt.

Store muligheter
XP Power har kunnskapen og evnen til å implementere komplekse kraftløsninger bl.a. ved anvendelse av mangfoldet i vårt eget produktutvalg. Med en MCU i hjertet av kraftforsyningene vil mulighetene for applikasjonsspesifikke kraftløsninger være vidtrekkende. Ut fra de mange fordelene som digital kraftforsyning tilbyr, er vi ganske så sikre på at vi vil se et stadig økende nærvær av digital kraft de kommende årene .

Kommentarer