Cloud vyžaduje napájení. Kontroléry je zajistí s více stupni

Cloudové služby se podepisují pod obrovským rozmachem datových center, dalším budováním počítačových sítí a také lepší telekomunikační technikou. Vždyť internet věcí již zaznamenal více zařízení s IP adresami připojených do cloudu, než je lidí na Zemi. Veškerý takovýto nárůst má výrazný dopad na servery, úložiště a také síťové switche zpracovávající stále větší objem dat a také videa. Pokud jde o výkon při zpracování nebo šířku pásma, jednotlivé prvky infrastruktury se dostávají až na hranice svých možností. Vývojáři navrhující zdroje napájení se proto potýkají s hlavním úkolem, jak svá zařízení efektivně napájet nebo i chladit a zajistit u toho minimální spotřebu elektrické energie. Při současném využití moderních procesorů, obvodů ASIC či polí FPGA je kromě toho nutné vše na desce sladit rovněž z pohledu teplotního zatížení.

V článku si ukážeme, jak daleko se při řešení těchto požadavků dostaly vícestupňové měniče, a porovnáme i různé způsoby řízení. Představíme rovněž novou vícestupňovou architekturu, která pro účely vyvažování proudu v jednotlivých cyklech a také k dosažení rychlejší odezvy využívá způsobu řízení odvíjejícího se od uměle vytvářeného proudového signálu.

Napájení IoT vede přes více stupňů

Výkon potřebný ke zpracování je soustředěn do datových center, ve kterých špičkové CPU, digitální obvody ASIC nebo síťové procesory „pohání“ servery, úložiště a také síťová zařízení. V rámci sítě se pak s nimi setkáváme v rámci telekomunikační techniky a vyskytují se rovněž na prodejních místech, kde nacházíme pokladní terminály, počítače nebo vestavné výpočetní systémy založené na CPU či FPGA.

To, co ale mají všechna tato zařízení společné, bude jejich srovnatelný profil napájení odvíjející se od číslicového zpracování. Díky zmenšujícím se geometriím a také rostoucímu počtu tranzistorů vyžadují nyní procesory větší výstupní proudy, které se pohybují zhruba od 100 A až do 400 A, případně ještě výš. Na obr. 1 vidíme příklad vícestupňového řešení, které pro CPU se svými čtyřmi fázemi zajišťuje 150 A.

Obr. 1 Vícestupňové řešení zdroje využívající čtyřech fází

Takový trend není ničím novým, nicméně technika se přizpůsobuje a z pozice digitální zátěže začala vykazovat stavy s nízkou vlastní spotřebou. V praxi to pak znamená fáze nečinnosti s relativně malými proudovými odběry prokládané v případě potřeby plným špičkovým zatížením. Z hlediska celkového výkonu dostupného pro daný systém je něco takového sice prospěšné, nicméně vývojářům pracujícím na zdrojích napájení to přidává další vrásky na čele. Pravda, stále přitom potřebujeme pokrývat plná zatížení s proudy přesahujícími 200 A a také vše ošetřit i z hlediska teploty, nicméně napájení teď musí za méně než mikrosekundu reagovat na obrovské skoky přes 100 A a stále přitom udržet svůj výstup v docela omezeném regulačním pásmu.

Situace se obvykle řešila prostřednictvím vícestupňového snižujícího DC/DC měniče zajišťujícího potřebnou konverzi napájení – ze vstupních 12 V na výstup s typickou úrovní cca 1 V. Pro vykrytí vyšších proudů je totiž snadnější navrhnout vícestupňové řešení, které zátěž „obslouží“ s využitím několika menších stupňů, zvaných též fáze, spíše než aby celý náklad nesl pouze jeden blok. Pokud se totiž pokusíme zvládnout obrovské proudové zatížení pouze s jediným stupněm, čekají nás při návrhu komplikace spojené s indukčnostmi nebo i tranzistory FET. A poplatně Ohmovu zákonu nesmíme zapomenout ani na související ztráty a otázku teploty. Vícestupňové řešení naproti tomu pro větší odběry zajišťuje vysokou účinnost, menší fyzické rozměry a rovněž i nižší cenu než v případě jediného bloku. Situace je analogická s CPU v podobě výše zmiňovaných koncových zátěží, které si své zatížení rovněž dělí mezi jednotlivá jádra.

Správný způsob řízení

Vícestupňová řešení zde pro napájení sice znamenají nejlepší možnou architekturu, konkrétní návrh však bude nutné pečlivě posoudit, aby tak vyhověl požadavkům poslední generace procesorů. Koncové systémy si vždy zakládaly na ještě lepších funkcích, menších rozměrech a kvalitnějším řízení napájení. To se rovněž odráží v řešení zdrojů, které pro dosažení minimálních rozměrů zvyšují své spínací kmitočty, zatímco se musí umět při plném zatížení a navzdory provozním změnám vypořádat i s menším výstupním napětím, resp. rostoucími proudy. Pokud jde o způsob, jak u zdroje dochází k regulaci, zmíněné trendy přinesly určité komplikace. Mají-li tedy řídicí smyčky „udržet krok“, potřebují se v průběhu času nutně i vyvíjet.

Základní otázka se v případě kontrolérů s více stupni dotýká nakládání s proudem v každé fázi. Bude proto nezbytné zohlednit následující klíčové předpoklady:

• proud musí u každého stupně přispívat do zátěže rovným dílem; máme-li tedy k dispozici N fází, potřebujeme vždy dosáhnout průtoku, který pro každý ze stupňů stanovíme jako I_PHASE = I_OUT / N,
• proudy jednotlivých stupňů musí být vyrovnané během ustáleného stavu, stejně jako při vynucených změnách.

Pokud zmíněné požadavky nedodržíme, jen stěží se při návrhu svého zdroje napájení pohneme z místa. Ke splnění obou podmínek je důležité, aby řídicí smyčka měla pokaždé k dispozici úplné informace o proudech tekoucích dílčími stupni, stejně jako o výstupním napětí, a to bez prodlevy či zpoždění způsobeného vzorkováním.

Řízení s uměle vytvářeným proudem

Nový přístup řeší otázku snímání proudu, spíše než aby se soustředil pouze na řízení napětí. Společnost Renesas zde dosahuje výrazného posunu díky aktuálně dostupné technologii číslicového řízení. Moderní postupy lze aplikovat tím, že veškeré ovládání, monitorování a také kompenzaci přesuneme do digitální sféry. Výsledkem se pak stává řídicí smyčka s uměle vytvářeným proudem, která s rychlou odezvou a v jednotlivých cyklech za sebou zajišťuje vyvažování proudu tekoucího dílčími stupni.

Nový způsob řízení se odvíjí od poznatku, že proudový signál na vyšší straně napájení je pro smyčku sice klíčový, nicméně jej nelze měřit přímo. Mohou za to krátké časy a také prostředí s vysokým rušením. Nové vícestupňové kontroléry od společnosti Renesas proto místo toho využívají uměle vytvářeného proudového signálu. Lze se tak oprostit od šumu a zajistit přesné výsledky s nulovým zpožděním. Základní princip spočívá v tom, že veškeré parametry potřebné ke stanovení proudu tekoucího konkrétním stupněm je možné v každém cyklu přímo změřit. Kontrolér si tak dokáže proud odvodit, přesně jak to vidíme na obr. 2.

Obr. 2 Časový průběh proudu tekoucího indukčností

Strmost bude u proudového průběhu spojená se vstupním/ výstupním napětím a také indukčností. K syntetickému generování charakteristiky proudu pak dochází na základě nepřetržitého měření napětí a výpočtu indukčnosti. Díky kalibraci řešené prostřednictvím skutečných měření při klesajícím proudu pak může kontrolér vyloučit jakoukoli chybu spojovanou s offsetem či strmostí. Dokáže proto kompenzovat i nejrůznější změny v systému způsobené stárnutím, teplotou či nasycením indukčnosti. Kromě interní charakteristiky proudu, která nebude zatížena rušením, může kontrolér počítat rovněž se zpožděním smyčky. Vzhledem k tomu, že je průběh proudu tekoucího indukčností provázán s PWM a takový signál pochází z kontroléru, dokáže číslicově řešená smyčka započítat veškerá průchozí zpoždění u chytře navržených koncových stupňů a eliminovat přitom prodlevu interních proudových průběhů.

Výše zmíněná schopnost však bude pouze jednou z předností odvíjejících se od řídicí smyčky, která se celá nachází v digitální sféře a má k dispozici informace o proudu či napětí. Na blokovém diagramu z obr. 3 sledujeme způsob zpracování číslicového signálu, který lze pro zlepšení celkové odezvy využít v různých oblastech. Kompenzace napěťové smyčky se odvíjí od klasických koeficientů PID, které lze v reálném čase přizpůsobit na základě GUI PowerNavigator™ od společnosti Renesas.

Obr. 3 Blokový diagram řídicí smyčky

Uměle znamená výhodně

Díky způsobu řízení založenému na uměle vytvářeném proudu máme přesnou informaci o průtoku v každém stupni napájecího zdroje. Lze tak zajistit stabilní činnost navzdory neustálým změnám na zátěži, zatímco veškeré fáze budou sdílet proud rovným dílem. Pokud navíc uvážíme nulové zpoždění zpětnovazební proudové trasy, syntetické řízení umožňuje obvodu rychleji reagovat na měnící se zatížení a minimalizovat přitom velikost výstupních kondenzátorů. Dokonce i v případě CPU s vysokými odběry lze proto u výstupní kapacity uvažovat „kompletně keramické“ řešení. Poplatně nulové prodlevě, plné šířce pásma a také číslicově vyjádřeným proudovým signálům proto může řídicí smyčka zajišťovat přesné výstupní napětí a spolehlivě přitom reagovat na aktuální zatěžovací poměry. Vyhneme se tak tradičnímu poklesu spojenému s analogovým RC členem, který lze pozorovat na výstupním napětí při ustalování na nové hladině.

Závěr

Řídicí architektura se u vícestupňových systémů napájení postupně rozvinula tak, aby mohla spolehlivě řešit náročnou dodávku energie do zátěží odebírajících vysoké proudy. Veškerá nastavení dokáže přizpůsobit a systém dále ovládat či sledovat softwarovou cestou. Pro návrh a odladění řídicích smyček na této vyšší úrovni zároveň nabízí i jednodušší přístup. V průběhu testování zdroje na desce lze proto okamžitě porozumět jeho konkrétnímu stavu, resp. podmínkám a dále vše kompenzovat s ohledem na zarušené prostředí. Pro vývojáře to pak znamená jistotu, že jakékoli potíže, které snad nastanou, bude možné vyřešit bez nutnosti přepracování celého návrhu.

Více informací o číslicově řešených vícestupňových kontrolérech získáte na stránkách výrobce, kde rovněž můžete zhlédnout přehledové video.