Vítejte, dnes je
sobota 23.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Řízení spínaných napájecích zdrojů (SMPS) je obvykle řešeno pomocí analogových obvodů. Nástup výkonných, ale přitom levných digitálních signálových kontrolérů (DSC), umožnil vznik nové generace tzv. digitálně řízených napájecích zdrojů (Digital Power Supplies).
Mezi jejich hlavní výhody patří:
Na obr. 1 je uvedeno zjednodušené blokové schéma typického analogového dvoustupňového AC/DC konvertoru. Jeho hlavními bloky jsou:
Obr. 1 Názorný blokový diagram hlavních funkčních bloků v klasickém analogovém – spínaném napájecím zdroji
Pro účely srovnání tedy uvažujme i dvoustupňový digitální napájecí zdroj. Vstupní obvod zdroje zajistí zvýšení hodnoty účiníku (PFC), zatímco jeho druhá část vytvoří DC/DC konvertor s regulací fáze a řízením můstku.
Samozřejmě některé části digitálního a analogového zdroje jsou shodné. Především jde o bloky Power train, Power switch drive a Feedback. Na obr. 2 je tedy upravené blokové schéma pro digitální napájecí zdroj. Je vidět, že zdroj má striktně oddělenu analogovou a digitální část, která pak může v jediném dsPIC® DSC kombinovat řídicí program i jeho podpůrné funkce.
Obr. 2 Obdobný napájecí zdroj jako na obr. 1, ovšem s digitálním řízením. Software zde nahrazuje hardware řady klíčových funkcí
Na obr. 1 a obr. 2 jsou uvedeny pouze hlavní rozdíly z hlediska blokového zapojení a v praktické aplikaci se do srovnání musí zahrnout i veškeré podpůrné obvody. Každá část typického analogového napájecího zdroje vyžaduje obvody pro řízení napájení, oscilátor s podporou synchronizace, sekvenční řízení, soft-start a kompenzační funkce, všechny připojené k řídicímu obvodu. Digitální řešení vyžaduje ještě navíc hardware pro pomocné obvody (pro řízení tranzistorů), ale všechny výše uvedené funkce řeší naopak pomocí software, běžícího na řídicím mikrokontroléru. To znamená nejen menší počet součástek, ale také fyzických spojů na DPS. Při analýze výrobní ceny tak musíme zvážit i náklady spojené s podporou obvodů, návrhem a velikostí desky s plošnými spoji. Samozřejmě některé z výše uvedených funkcí vyžadují (v analogovém provedení) pouze několik pasivních součástek, ale jiné jsou i výrazně náročnější (například samostatný MCU pro podpůrné funkce).
Možná tak nyní argumentujete tím, že digitální řešení vyžaduje použití samostatného budiče tranzistorů MOSFET, zatímco analogové řešení může tuto funkci integrovat přímo do řídicího obvodu. To je sice pravda, ovšem i nízkopříkonové nebo naopak výkonné, analogové řešení také vyžaduje externí řízení výkonových spínačů.
Podrobným srovnáním výrobních nákladů vyjde vždy levněji varianta digitálního napájecího zdroje, než funkčně srovnatelné, analogové provedení. Navíc i pouhé shrnutí výrobních nákladů neposkytuje úplný přehled o celkových úsporách. Existuje totiž řada dalších činitelů, které vyplývají z jednodušší konstrukce digitálního napájecího zdroje. Výrazně menší DPS totiž snižuje nejen náklady na výrobu, ale také montáž a uskladnění, stejně jako vede ke zvýšení kvality a spolehlivosti celého produktu.
V uplynulých letech jsme mohli zaznamenat výrazné zdokonalení technologie výkonových tranzistorů a vývoj nových topologií, které přispěly k výraznému zvýšení účinnosti napájecích zdrojů. Nicméně, při pohledu do katalogových údajů napájecích zdrojů zjistíme, že maximální účinnost se vztahuje pouze na určité provozní podmínky (může být specifikována při polovičním zatížení nebo při plném výstupním napětí). Přidanou hodnotou digitálních zdrojů je právě i možnost optimalizace účinnosti pro více provozních bodů.
Pro PFC převodník mohou spínací ztráty znamenat omezení provozní zátěže a nižší spínací frekvenci. Ta, v kombinaci s nižší zátěží, poté znamená možnost použití levnějších magnetických prvků (transformátoru, či tlumivky) pro nižší provozní frekvence. Pokud je obvod realizován v podobě prokládaného PFC konvertoru, může být při nízké zátěži jedna fáze zcela vynechána.
Uvedený postup platí samozřejmě i pro fázově řízený převodník, který své spínací ztráty může omezit i tím, že zcela vypne synchronní MOSFETy a využije místo nich přirozené vodivosti diod.
Zcela jiným příkladem je však aplikace snižujících převodníků. Synchronní snižující převodníky jsou obvykle konstruovány pro vysoké výstupní proudy a při malém zatížení trpí cirkulací proudu v synchronních spínačích typu MOSFET, což vede k vyšším ztrátám. Z toho důvodu se v případě synchronních/volněběžících MOSFETů využívá přerušení provozu celého snižujícího převodníku, pokud tedy pracuje v nespojitém proudovém režimu.
Uvedené techniky zvýšení účinnosti jsou samozřejmě výsledkem použití moderních topologií, jako jsou například rezonanční a kvazi-rezonanční měniče. Digitální řízení tyto topologie plně podporuje a to i včetně fázově řízeného můstku a LLC rezonančních měničů, dosahujících velmi vysoké účinnosti a výstupního výkonu. Výsledkem je digitální napájecí zdroj, který podporuje řadu možností, optimalizujících účinnost v celém provozním rozsahu.
Řízení spotřeby v typickém analogovém zdroji je obvykle realizováno pomocí tzv. „Housekeeping“ MCU (obr. 3). Ten zajišťuje přenos dat z lokálního systému do řídicího obvodu zdroje, nebo jejich záznam: pro získání požadovaných údajů o provozním stavu využívá obvykle dalších snímacích obvodů, jejichž stav pak předává nadřazenému systému. V některých případech může také nadřazený systém vyslat pokyny k řízení provozu výkonového měniče. To samozřejmě vyžaduje realizaci hardwarového rozhraní mezi MCU a obvody napájecího zdroje, což zvyšuje složitost zdroje a samozřejmě i výrobní náklady.
Obr. 3 Ukázka řízení výkonového stupně pomocí samostatných obvodů analogového zdroje a jejich integrace do jediného mikrokontroléru v případě digitální verze
Digitální napájecí zdroj měří všechny provozní parametry přímo systémem DSC a ke své činnosti další obvody nevyžaduje. Získané parametry mohou být uloženy v interní paměti DSC a následně předány nadřazenému systému pomocí některé z integrovaných periferií, jako jsou například komunikační rozhraní SPI, I2C™, UART nebo CAN. Jakékoli úpravy funkce systému mohou být v tomto případě řešení pomocí jednoduchých softwarových rutin, bez zásahu do hardwaru zdroje.
Digitální koncepce napájecího zdroje snižuje celkové náklady na systém také tím, že odstraňuje zbytečné obvody. Při stejném řešení dvoustupňového AC/DC napájecího zdroje je možné výstupní napětí prvního celku použít pro funkci regulační smyčky. Jedná se samozřejmě o shodné napětí, které vstupuje do druhé části napájecího zdroje a jde tedy o data, která je ve druhém stupni možné využít pro zpětnou vazbu nebo pro vstupní pod/přepěťovou ochranu.
Jeden DSC tedy minimalizuje počet snímacích obvodů a zároveň interně produkuje všechny hodnoty, potřebné pro různé typy regulací nebo ochranné funkce. Výhodou DSC je i rychlejší a efektivnější schopnost reakce na konkrétní chybové stavy, než jakou nabízí diskrétní analogový regulátor. Tak například, pokud ve dvoustupňovém analogovém AC/DC převodníku dojde k poruše snižujícího regulátoru, vstupní obvod kompenzace PFC se to dozví pouze v případě, kdy mu to někdo sdělí. Naproti tomu digitální regulátor dokáže snadno detekovat možné poruchy v celém svém systému, díky čemuž může téměř okamžitě reagovat příslušným opatřením, bez ohledu na to, kde se problém vyskytl.
Při zapnutí napájecího napětí dojde k jeho rozvodu po desce dané aplikace, kde jsou samozřejmě umístěny různé pasivní prvky – především kondenzátory a tlumivky, které do té doby neobsahovaly žádnou energii. Aby se zabránilo velkým napěťovým a proudovým skokům, aplikuje se v obvodech napájecího zdroje funkce tzv. soft-startu. Ta je přímo podporována celou řadou (samozřejmě ne všemi) analogových regulátorů. Avšak obvykle s různými omezeními, především co se týče délky zpoždění startu a nebo jeho průběhu.
V případě vícenásobného napájecího zdroje je rovněž nutné zajistit přesně definované sekvenční zapnutí jednotlivých výstupů, protože některé jsou závislé na jiných. To lze provést buď pomocí samostatného sekvenčního obvodu, nebo pomocí malého MCU, doplněného o další obvody.
V případě digitálního napájecího zdroje všechny tyto další obvody odpadají a veškeré sekvencování a soft-start rutiny, které mohou být libovolně konfigurovatelné, lze implementovat jako součást řídicího software. Soft-start rutina může být aplikována pro každý napájecí výstup zvlášť, vždy v kombinaci s volitelnou délkou zpoždění a jeho průběhu. Typický příklad soft-start funkce je uveden na obr. 4 ve fragmentu kódu jazyka C.
Obr. 4 Fragment zdrojového kódu s příkladem funkce Soft-Start, obvykle implementované na úrovni zdrojového kódu
V samotném programu je pak funkce soft-startu volána ihned po inicializaci dsPIC DSC. Jakmile je ukončena čekací smyčka, spustí se měření a regulace výstupního napětí. Jeho hodnota je poté plynule zvyšována a neustále porovnávána s referenční hodnotou a to až do té doby, kdy je na výstupu dosaženo požadované hodnoty napětí. V tomto bodě funkce soft-startu končí a systém přechází do normálního provozu. Díky plně digitálnímu řízení je tato funkce velmi flexibilní a umožňuje celou řadu modifikací, stejně jako volání s různými parametry a v různých časech. Pokud například došlo k nějaké poruše a systém se pokouší restartovat, mohou být při soft-startu použity jiné hodnoty apod.
Nežádoucí zpětná vazba od proudových spínacích obvodů musí být buď dostatečně dobře potlačena, nebo filtrována, aby nemohla ovlivňovat měření a nezpůsobovala poruchové stavy. Samozřejmě čím rychlejší spínače jsou v obvodu použity, tím silnější rušení na nich vzniká a to se pak snadněji přenáší do regulačních obvodů. Pokud problém nijak neřešíme, může se stát, že indukované napětí překročí prahovou hodnotu a začne ovlivňovat regulaci výstupního napětí.
V případě analogového zdroje se jedná o vážný problém, protože odfiltrovat nežádoucí signál tak, aniž by se tím ovlivnil tvar signálu zpětné vazby, je poměrně obtížné. Přesný tvar signálu je přitom nutné zachovat pro stabilní provoz regulačního obvodu a obvodu nadproudové ochrany. Technika omezení vlivu přechodových jevů se jinak nazývá „Leadingedge blanking“ – LEB a často se řeší prostým ignorováním signálů, blízkých provozní frekvenci zdroje.
Pro analogové řídicí obvody se do systému vkládají vypínací, nebo také „zatemňovací“ obvody, které filtrují pevně dané impulsy (nebo naopak mezery) signálu zpětné vazby. Obvykle se to řeší tranzistorovým spínačem, řízeným přes RC integrační článek ze stejného pinu, jako se řídí hlavní MOSFET. Vložený integrační člen zajišťuje zpoždění, které právě zamezuje průchodu signálu například při každé náběžné hraně. V obvodech dsPIC33F řady „GS“ je tato funkce standardní vlastností a velikost zpoždění je možné softwarově konfigurovat. Funkci lze navíc kdykoliv zapnout nebo vypnout a uživatel má možnost vybrat si, které hrany PWM signálu chce filtrovat.
V případě digitálních napájecích zdrojů je možné měnit jejich funkci i za běhu. Touto schopností se nám otevírá celá řada možností a samozřejmě z nich plynoucí konkurenční výhoda, oproti jiným dostupným produktům.
Jednou z hlavních možností využití adaptivního řízení je použití většího množství koeficientů pro regulační obvod. Vzhledem k tomu, že tím můžeme měnit výkon systému v různých provozních stavech a při různém vytížení, můžeme v každém pracovním bodě jednoduše dosáhnout nejlepšího možného výkonu.
Dalším příkladem může být reakce na růst teploty. Dejme tomu, že systém je určen pro provoz do 50 °C, ale z nějakého důvodu dojde k nárůstu okolní teploty i nad tuto mez. V tomto případě může být software navržen tak, aby současnou limitní hranici upravil a funkci zařízení zachoval i nadále. Toto řešení může pomoct bezpečně rozšířit provozní rozsah systému až za jeho obvyklé hranice, pokud se zároveň provede například omezení výkonu.
Aplikace digitálního signálového kontroléru dsPIC33F řady „GS“ umožňuje dosáhnout všech schopností digitálního řízení napájecího zdroje a otevírá nové možnosti pro dříve netušené funkce.
