11.01.2018

Некоторые заблуждения о цифровых источниках питания

В течение многих десятков лет основу силовой электроники составляли аналоговые преобразователи, и многие разработчики имели смутное представление о цифровых источниках питания, считая их, скорее всего, «экзотикой». Однако к настоящему времени благодаря этой технологии появилось много новых функций и преимуществ. В статье развенчивается несколько общераспространенных заблуждений в отношении цифровых источников питания, рассматриваются их преимущества и недостатки в сравнении с аналоговыми эквивалентными решениями. Ману Венкатегауда (Manu Venkategowda), инженер по приложениям, Microchip Technology

Импульсные источники питания бывают только аналоговыми или цифровыми

По сути, импульсные преобразователи представляют собой аналого-цифровые системы. ШИМ-сигналы являются цифровыми, сигнал обратной связи - аналоговым. Между этими двумя узлами осуществляется аналого-цифровое преобразование в соответствии с очень точно рассчитанным временным режимом. Это преобразование происходит после того, как управляющая цепь на базе усилителя примет решение о переключении, или после срабатывания цифрового алгоритма при поступлении сигнала обратной связи. Чаще, чем прежде, управляющие аналоговые кристаллы оснащаются цифровыми интерфейсами для внешнего контроля, а цифровые микроконтроллеры - аналоговыми компонентами по управлению источниками питания (см. рис. 1).

В источник питания всегда можно было интегрировать микроконтроллер, но современные МК оказывают гораздо большее влияние на работу системы, чем прежде. В качестве альтернативы можно в цифровой сигнальный контроллер установить весь управляющий контур. В любом случае, современные схемы источников питания можно сделать более функционально гибкими, регулируемыми и «умными», т. е. реагирующими на условия окружающей среды или внешние воздействия. Эти функции добавляются независимо от того, как реализован управляющий контур - в цифровом или аналоговом виде. В настоящее время импульсные источники питания удовлетворяют любые потребности приложений в цифровой логике.

Цифровым функциям требуются цифровые контуры управления

Метод управления - еще одна возможность, которой располагает система силового преобразования. Установленный в любую аналоговую систему микроконтроллер обеспечивает дополнительное управление, включая контроль над источниками питания. Сложилось так, что возможность микроконтроллера влиять на аналоговый управляющий контур очень ограничена из-за того, что отдельные аналоговые управляющие элементы обладают очень ограниченной способностью к динамическому изменению конфигурации. Однако новые аналоговые управляющие устройства чаще оснащаются цифровыми интерфейсами и в большей мере конфигурируются или программируются, чем устройства предыдущего поколения.

Интегральные силовые преобразователи со встроенными в кристалл микроконтроллерами обладают гораздо большими возможностями динамического конфигурирования. В аналоговые или цифровые управляющие контуры источников питания можно интегрировать цифровые коммуникационные интерфейсы, добавить режимы сна, функции смещения частоты, синхронизации, плавного пуска, интеллектуальную защиту от отказов, информацию об изменении выходного тока или напряжения.

Цифровое питание менее надежное, чем аналоговое

Известно немало способов повысить надежность аналоговых или цифровых источников питания. В зависимости от приложения можно уменьшить время реакции оборудования на отказы с помощью быстродействующих компараторов, которые регистрируют провалы напряжения или перенапряжения, а также ограничения не по среднему току, а по току в каждом цикле рабочей частоты. Однако те же функции можно реализовать в источнике питания с цифровым управлением, в т. ч. с помощью аналоговых устройств, интегрированных в современные кристаллы для цифрового управления. В состав цифровых контроллеров могут входить аналоговые токоограничивающие компараторы. Кроме того, источники питания (даже те, в которых применяются аналоговые управляющие контуры) с цифровыми функциями обладают несколькими явными преимуществами над чисто аналоговыми решениями.

Программный код позволяет реализовать требуемые характеристики защиты от короткого замыкания или провалов напряжения в сети, в т. ч. заданные значения плавного пуска и выключения, непрерывной подзарядки, времени ожидания или повторов, которые трудно (или невозможно) реализовать с помощью аналоговых контроллеров. Цифровые управляющие контуры или интегрированные в кристалл цепи обратной связи уменьшают зависимость от внешних пассивных компонентов, параметры которых меняются или деградируют со временем. Наконец, цифровые интерфейсы представляют информацию о результатах диагностики и отчеты, которую используются для обнаружения возможных проблем, чтобы избежать выхода системы из строя. Эти функции повышают надежность системы по сравнению с простыми узкоспециализированными решениями. Независимо от способа реализации все источники питания тестируются, чтобы обеспечить эксплуатацию в течение расчетного срока службы, однако цифровые системы питания практически не имеют ограничений по надежности, которые ухудшили бы их функционирование по сравнению с аналоговыми приложениями.

Цифровое питание обходится дороже

Это утверждение не всегда верно. Цена цифровых источников питания может быть ниже аналоговых за счет использования менее точных и, следовательно, менее дорогостоящих компонентов. Кроме того, в цифровых источниках питания может применяться меньшее количество компонентов, что позволяет сократить стоимость и размер решения. Цифровые источники питания позволяют уменьшить расходы на общую стоимость владения. В приложениях с переменной нагрузкой реализуются нелинейные и адаптивные алгоритмы, обеспечивающие наибольшую эффективность при заданном наборе условий эксплуатации. Кроме того, стоимость эксплуатации цифровых источников питания бывает ниже в тех случаях, когда они контролируют ухудшение качества компонентов в течение всего срока службы источника и извещают пользователей о необходимости проведения профилактического обслуживания во избежание катастрофических отказов.

Цифровое питание - более энергоэффективное

Источники питания с цифровым управлением обладают большей энергоэффективностью в широком диапазоне переменной нагрузки. Эти приборы могут использовать адаптивные алгоритмы и даже изменять топологию системы в зависимости от меняющихся условий путем изменения фазы рабочей частоты. В источниках питания с цифровым управлением могут применяться нелинейные и прогностические алгоритмы, чтобы улучшить динамические характеристики в переходных процессах. Энергоэффективность аналоговых источников питания не уступает цифровым в определенном расчетном режиме, но аналоговым источникам приходится в максимальной мере повышать свою эффективность, если величина нагрузочного тока отклоняется от оптимальной рабочей точки. С другой стороны, энергия, необходимая для управления цифровым контроллером, может превысить энергопотребление аналогового контроллера; цифровые контроллеры, как правило, лучше подходят для приложений со сравнительно большой мощностью, где избыточное энергопотребление легко компенсируется дополнительной экономией благодаря использованию более совершенных управляющих алгоритмов, которыми располагают цифровые технологии.

Задержка цифровых контроллеров отрицательно влияет на переходную характеристику

Двумя основными причинами задержки в системах с цифровой компенсацией являются эффекты выборки и время вычисления.

В преобразователе любого типа выбор между частотой среза (переходной характеристики) и запасом устойчивости по фазе всегда является компромиссным. Цифровые системы, в основном, схожи друг с другом, но системы цифрового управления имеют дело не с аналоговым сигналом, а с выборкой, получающейся после аналого-цифрового преобразования. Периодическая выборка (одна на цикл) добавляет фазовый сдвиг в передаточную функцию. Этот сдвиг не просто компенсировать; цифровой системе требуется меньшая частота среза, чтобы обеспечить тот же запас по фазе (при использовании одинакового метода компенсации). Кроме того, процессору необходимо обрабатывать результаты оцифровки АЦП и вычислять разность за один коммутационный цикл, иначе возникнет задержка – отклонение от расчетного времени.

Однако эти негативные эффекты преодолеваются с помощью усовершенствованных нелинейных и упреждающих методов – алгоритмов, которые трудно (или невозможно) реализовать в аналоговой управляющей системе. Недостаток этих методов состоит в необходимости найти компромисс между скоростью обработки данных, коммутационной частотой, сложностью алгоритма и переходной характеристикой. Заметим, что компромиссное решение не всегда негативно сказывается на переходной характеристике системы с цифровым управлением.

Проблема - в отсутствии нагрузочного тока

Импульсные источники питания, как правило, работают в одном или двух режимах – прерывистой и непрерывной проводимости. В первом из них ток индуктивности уменьшается до нуля в конце каждого ШИМ-цикла. Во втором режиме через индуктивность протекает непрерывный ток. Преимущество режима прерывистой проводимости в том, что току индуктивности нет необходимости увеличиваться с нулевого значения при каждом ШИМ-импульсе, благодаря чему в каждом ШИМ-цикле протекает больший ток. Недостатком же является то, что у усилителя ошибок или контурного фильтра должна быть правильная комбинация полюсов и нулей для поддержания стабильного функционирования. К сожалению, если ток в схеме с непрерывной проводимостью уменьшается до нуля, управляющий контур становится нестабильным.

Во избежание этого отрицательного эффекта прежде часто указывался минимальный ток, или минимальный ток обеспечивался путем использования выходного резистора (режим принудительной непрерывной проводимости). К счастью, современные контроллеры источников питания эффективно работают в режимах непрерывной и прерывистой проводимости (ШИМ и ЧИМ), а мониторинговая схема определяет моменты времени для переключения из одного режима в другой. Таким образом, ограничение, связанное со схемотехническим решением прежде применявшихся контроллеров источников питания, новые контроллеры преодолели благодаря автоматической коммутации режимов.

Цифровые источники питания трудно проектировать

Проектирование источника питания с цифровым управлением не во всех случаях бывает более сложным, чем аналогового источника - просто у каждого из них имеется своя специфика (см. рис. 2). Схемы силовой цепи очень похожи в двух этих случаях. Управляющий контур или цепь компенсации источника питания с цифровым управлением реализована в микропрограммном ПО цифрового контроллера, а не в аналоговой цепи. Параметры компенсатора определяются по расположению полюсов и нулей, как и в аналоговом приборе, но в случае с цифровым компенсатором часто применяются программные средства, с помощью которых конфигурируется оптимальная характеристика управляющего контура. Например, используются хорошо оптимизированные программные библиотеки, в т. ч. алгоритмы компенсации 2P2Z (тип II) и 3P3Z (тип III), бесплатно распространяемые на сайте компании Microchip для семейства цифровых сигнальных контроллеров dsPIC. Разработчикам не придется самостоятельно писать программное обеспечение для реализации этих функций. Кроме того, упомянутые алгоритмы настраиваются в зависимости от конкретной силовой цепи с помощью коэффициентов, значения которых рассчитываются средствами проектирования.

То, что цифровые источники питания используют программное обеспечение для управляющих алгоритмов, вовсе не значит, что проектирование этих приборов проще. Инженеры должны очень хорошо разбираться в управляющих системах и определять частотную характеристику силовой цепи, чтобы корректно настраивать программный компенсатор. С другой стороны, регулирование функций источника питания с помощью программного обеспечения проще, чем аппаратным способом.

Цифровое питание полностью заменит аналоговое

Цифровые источники питания необходимы не для всех приложений. Например, не имеет смысла оснащать MP3-плеер, который работает от литиево-ионной батареи, большой вычислительной мощностью, чтобы повысить напряжение питания. С другой стороны, источникам питания платинового уровня для серверов требуются возможности цифрового силового преобразователя для эффективной генерации заданной мощности и быстрой реакции на изменения нагрузки.

Например, оборудование вышек сотовой связи должно обеспечить высокий ток при работающем передатчике и намного меньший ток, когда передатчик выключен. Контроллер, управляющий передатчиком, включает силовой преобразователь и координирует уровень среднего тока во избежание просадки питания, которая может возникнуть из-за инерционности фильтра в цепи обратной связи. Такая эффективная функция цифрового источника питания оправдывает те дополнительные сложности, которые возникают при его проектировании.

С другой стороны, в системе с относительно постоянными требованиями по питанию можно использовать аналоговую схему, которая проектируется намного проще и меньше стоит. В любом случае, разработчикам приходится выбирать разумный компромисс между стоимостью и простотой использования приложения с регулятором на базе ASIC.

В будущих системах питания функции станут определяться программно

Несколько лет тому назад считалось, что программно определяемое радио (SDR) получит самое широкое распространение во всех радиоприемниках. И хотя у SDR-решений имеется несколько преимуществ, у таких радиосистем - один главный недостаток: для обработки сигналов им требуется процессор с быстродействием 10-100 MIPS. Даже системам с аналоговыми смесителями для преобразования РЧ-сигнала в сигнал с меньшей промежуточной частотой необходимо быстродействие 10-100 MIPS, но такой процессор способен только демодулировать сигнал. Понятно, что цена этих систем достаточно велика. По аналогии, можно то же самое утверждать в отношении источников питания с программно определяемыми функциями (softwaredefinedpower, SDP): не следует полагать, что они появятся буквально во всех приложениях. Нет ничего проще и дешевле линейного регулятора. Даже если бы процессор с быстродействием 10-100 MIPSимел ту же цену, что и линейный регулятор, для загрузки процессора потребовался бы 5-В линейный регулятор. Таким образом, источники питания с программно определяемыми функциями никогда не станут универсальным решением для систем преобразования питания.

Выводы

Часто очень трудно отделить маркетинговую составляющую от объективной информации, особенно когда на рынке, в т. ч. рынке источников питания, происходят изменения. Сторонники перемен превозносят преимущества новой технологии, часто забывая упомянуть ее недостатки. В свою очередь, приверженцы традиционных решений исходят из принципа «от добра добра не ищут». В такой ситуации истина находится где-то посередине.

В свою очередь, компания Microchip использует уже освоенные и новые технологии исходя из текущего спроса на рынке. Мы предлагаем большой ассортимент решений, начиная с традиционных аналоговых и заканчивая цифровыми источниками питания для самого широкого ряда приложений.

Источники:

1. www.elcomdesign.ru