Proč si vybírat, když můžete mít obojí?

Od vzniku technologie digitálního řízení napájecích zdrojů mohou konstruktéři volit mezi použitím analogové a digitální koncepce. Každý přístup má své nesporné výhody, ale i nevýhody, takže teprve s příchodem kombinovaných a hybridních napájecích regulátorů mohou konstruktéři využívat to nejlepší z obou světů.

Analogem k vyšším výkonům

Výhodou analogového napájecího regulátoru je poměrně velká účinnost řízení, která je však v praxi vykoupena naopak poměrně malou pružností systému. Časté výkonnostní kompromisy musí být řešeny individuálně pro každou konstrukci, včetně optimalizace zvolené sestavy, v celém rozsahu předpokládaného zatížení a provozních parametrů.

Čistě analogové řešení s individuální optimalizací návrhu bylo průmyslovým standardem po mnoho dlouhých let, neboť i přes své nepružné řešení nabízelo poměrně dobrou účinnost. Nicméně, aktuální průmyslové standardy i zvyšující se nároky koncových uživatelů jsou v poslední době hnacím motorem ve snaze dosažení ještě vyšší účinnosti. Tím jsou analogové napájecí zdroje tlačeny až na samou mezní hranici své provozní účinnosti a stále více konstruktérů přechází k digitálnímu řízení.

Obr. 1 Blokové schéma hybridního regulátoru MCP19111

Flexibilita digitálního řešení

Hlavní výhodou digitálně řízených napájecích zdrojů je jejich velmi vysoká flexibilita, kterou analogové obvody postrádají. Jednoduchá úroveň výkonové optimalizace je nahrazena mnohem efektivnější, vícebodovou optimalizací. A rovněž schopnost aktivní komunikace se systémem zajišťujícím konverzi energie vede k možnosti integrace celkové optimalizace a k zajištění dlouhodobé výkonnosti systému.

Naproti tomu však stojí i řada nevýhod, jako je například vyšší výrobní cena. Rovněž digitální systémy stojí za vyšší složitostí celého systému, neboť klasickou analogovou zpětnou vazbu je před tím, než může být použita k řízení napájení, nutné digitalizovat. To znamená přidání analogově-digitálního převodníku a samozřejmě také rychlého mikroprocesoru nebo DSP obvodu, který je schopen zajistit dostatečný výpočetní výkon potřebný pro digitální řízení.

Rychlost A/D převodníku a výpočetní výkon MCU/DSP určuje šířku pásma digitálního regulačního obvodu. Takže pokud v návrhu potřebujeme větší šířku pásma, musíme použít rychlejší a dražší ADC a MCU.

Další nevýhodou je, že digitální regulační techniky jsou obvykle velmi odlišné od technik známých z oblasti analogového řízení. Přechod z analogu na digitální řešení tak vyžaduje nemalé investice do vzdělání konstruktérů, jejich nástrojů a procesů potřebných pro digitální systém a softwarové inženýrství. Tato investice tak může být pro některé společnosti poměrně významnou překážkou.

Kombinovaná síla hybridních regulátorů

Výrobci elektronických součástek tento problém řeší tím, že eliminují možnost volby mezi analogovým a digitálním návrhem a nabízejí kombinované (mixed-signal) nebo hybridní obvody. Promyšlenou kombinací hlavních předností z analogové a digitální koncepce jsou hybridní regulátory schopny kompenzovat nedostatky, které jsou vlastní jednotlivým řešením. Konstruktéři díky tomu mohou snadno dosáhnout flexibility digitálního řešení s účinností, regulačními parametry a reakcí na přechodové jevy analogového systému. Jejich použití navíc eliminuje potřebu získat speciální dovednosti nebo investovat do nových designových procesů.

Obr. 1 ukazuje blokové schéma obvodu MCP19111 společnosti Microchip. Jedná se o hybridní obvod, který ve svém pouzdře integruje analogový regulátor pracující v režimu špičkového proudu a malý 8bitový mikrokontrolér. Ponecháním regulační smyčky v analogové oblasti tak integrovaný 8bitový mikrokontrolér v MCP19111 poskytuje dostatek výpočetního výkonu a zajišťuje sledování a úpravu výkonu analogového regulátoru.

Součástí obvodu MCP19111 jsou také budiče výkonových MOSFET tranzistorů a malý LDO regulátor. Vysoká úroveň integrace umožňuje MCP19111 významně snížit počet externích komponent, které jsou potřeba pro návrh napájecího zdroje, ale zároveň nabízí určitý stupeň pružnosti, kterého není možné s použitím čistě analogového řešení dosáhnout. Ještě větší flexibilitu pro konstruktéry pak nabízí poměrně velmi široký rozsah napájecího napětí od 4,5 až do 32 V.

Použití hybridních nebo kombinovaných napájecích regulátorů přináší možnost provázání výkonu analogového řešení s flexibilitou digitálního řízení, navíc za cenu, která je přístupná velmi široké škále aplikací. Zatímco tak někteří konstruktéři budou i nadále řešit omezení vzniklé pouze z analogového nebo pouze digitálního řešení, jiní kombinují to nejlepší z obou světů a sáhnou po výkonných a flexibilních hybridních regulátorech.