Цифровое управление питанием. Реальность и вымысел

Введение

В последнее время очень активно рекламируются методы цифрового управления питанием (Digital Power) — направления, которое очень медленно развивалось в течение последних десятилетий (см. рис.1). И теперь, когда некоторые из этих разработок фактически умирают, настало время определиться, где цифровые методы могут применяться, как они работают, каковы их недостатки и достоинства.

Рис. 1. Цифровые методы управления питанием вышли на плато производительности

Ниже приведены часто встречающиеся утверждения о цифровом управлении питанием.

– Цифровые методы могут способствовать снижению стоимости, улучшению точности и упрощению разрабатываемой системы.

– Цифровые методы идеально поддерживают выходное напряжение в заданных границах (output margining) и выполняют пошаговую (cycle-by-cycle) компенсацию контура регулирования.

– Многие схемотехники не хотят использовать в своих разработках нелинейные цепи регулирования и схемы адаптивной компенсации, или у них нет в этом потребности.

– Заявления, что цифровые методы повышают эффективность работы, часто оказываются необоснованными.

Цифровые методы могут предоставлять уникальные возможности, но при этом часто приходится идти на компромисс.

Методы цифрового управления питанием

Производители дают различные определения цифровым методам управления питанием. Некоторые предлагают рассматривать их как аналоговые замкнутые ШИМ-регуляторы, окруженные цифровыми цепями. Другие считают, что это конечные автоматы со встроенным чипом цифрового ШИМ-регулятора. Есть еще одно утверждение: цифровые методы включают цифровой сигнальный процессор (DSP) общего назначения, работающий по алгоритму, близкому к работе регуляторов с петлей обратной связи.

Цифровое управление питанием, по терминологии, принятой в последнем десятилетии, состоит из цифрового замкнутого ШИМ-регулятора либо с конечным автоматом, либо с DSP. Одно лишь наличие последовательной цифровой шины в аналоговом ШИМ-регуляторе не дает возможности называть это устройство цифровым.

Texas Instruments в настоящее время выпускает несколько линеек DSP для цифрового управления питанием и предлагает библиотеки программ для них. CamSemi производит 5-Вт AC/DC-контроллер, уменьшающий число компонентов. Exar пошел по пути снижения стоимости и выпустил 16-А цифровой контроллер, позволяющий управлять несколькими силовыми каналами в групповом блоке (set-top boxes) или на серверах данных. Чип компании Exar по цене может конкурировать с аналоговыми чипами других фирм.

Цифровые контроллеры для блоков питания могут также проводить пошаговую компенсацию контура регулирования. Так, Zilker Labs Intersil’s group, занимающаяся разработкой цифровых контроллеров, недавно анонсировала чип ZL6105, в состав которого входит конечный автомат, выполняющий пошаговую автокомпенсацию контура регулирования (см. рис. 2).

Рис. 2. Можно вручную настроить параметры компенсации демонстрационной платы Zilker Labs ZL6105, но при этом невозможно добиться идеальной компенсации (а). При включении режима автокомпенсации переходные процессы и стабильность работы схемы улучшаются (б)

Другой пример — схема запуска Powervation, использующая цифровой контроллер ASIC для выполнения пошаговой компенсации контура регулирования источника питания (см. рис.3). Такой замкнутый контур регулирования, работающий в реальном времени, является основным достоинством цифровых методов по сравнению с аналоговыми. Цифровые контроллеры реагируют на изменение емкости электролитических конденсаторов из-за старения и высыхания. При встраивании схемы в силовой блок (power brick), цифровой контроллер проводит измерение входной и выходной емкостей и проводит их компенсацию в каждом цикле. Другие цифровые контроллеры выполняют только один цикл самокомпенсации, помогающий определиться с коэффициентами цифрового компенсационного фильтра.

Рис. 3. Для улучшения эффективности работы на небольших нагрузках чип цифрового контроллера Powervation способен отключать одну фазу выходного сигнала

Цифровые контроллеры удерживают выходное напряжение в допустимом диапазоне, что обеспечивает корректное функционирование системы на протяжении всего срока службы. Для этого в тестовом режиме производится изменение выходного напряжения блока питания во всем рабочем диапазоне значений. Например, Infineon’s Primarion group разработала чип PX7510, выполняющий операцию отслеживания выходного сигнала (margining) и другие функции при помощи шины PMBus.

Назойливое рекламирование цифровых методов

Продвижение цифровых методов управления питанием началось с появлением нечеткой логики (fuzzy logic). Тогда думали, что она позволит отказаться от применения аналоговых регуляторов. Но оказалось, что это верно лишь в нескольких приложениях, и даже в них практически все задачи можно решить с помощью аналогового ПИД-регулятора.

Некоторые маркетологи заявляют, что цифровое регулирование способно выполнять адаптивную компенсацию, основанную на измерении длительности переходных процессов и величины шумов, по значениям которых подбираются соответствующие параметры системы. Цель адаптивной компенсации — построение быстродействующего регулятора. Powervation успешно справилась с этой задачей, но это потребовало серьезных вычислительных мощностей.

Разработчики цифровых контроллеров заявляют о необыкновенных возможностях нелинейных контуров регулирования, утверждая, что такие контуры позволяют отказаться от необходимости включения анализатора цепей. Однако нелинейные цифровые контуры не обеспечивают получения требуемых АЧХ и ФЧХ. Поэтому производители предлагают разработчикам оценивать стабильность схемы во временной области, для чего им приходится включать параметры переходных процессов в расчеты контура регулирования, добиваясь при этом того, чтобы паразитные колебания затухали в приемлемом временном интервале. Однако опытные разработчики регуляторов избегают применять нелинейное регулирование, предпочитая использовать привычные цепи.

Некоторые компании объявляют, что их цифровые контроллеры для многофазных блоков питания способны поддерживать более точный сдвиг фаз между выходными каналами. Для аналоговых блоков питания фазовое рассогласование 30% считается недопустимым, но недобросовестные разработчики запускают цифровые контроллеры с такими показателями в производство.

Производители заявляют, что цифровые контроллеры более эффективны по сравнению с аналоговыми вариантами, но и это утверждение не выдержало проверки. Только в многофазном режиме способность цифровых контроллеров к отключению фаз приводит к увеличению эффективности. Такой подход обеспечивает получение хорошей эффективности при малых нагрузках, однако цифровой ШИМ-контур регулирования не принимает никакого участия в этом процессе. Любой аналоговый чип способен выполнять эту функцию. Основные источники потерь в импульсных блоках питания: магнитные потери, коммутационные потери и потери в медных проводниках. Применение цифровых контроллеров никак не может их снизить!

Повышающий импульсный преобразователь (buck-boost-converter) LTM4609 компании Linear Technology продемонстрировал 98% эффективность, превышающую показатели практически всех цифровых чипов.

Существует еще одно утверждение, что цифровые чипы обеспечивают лучшее управление временем запаздывания регулятора. Другими словами, они могут выполнять синхронное переключение силовых транзисторов, что приводит к отсутствию сквозных токов. Однако Linear Technology имеет патент на аналоговый метод, обеспечивающий отсутствие сквозных токов. А National Semiconductor, Allegro, и Fairchild используют в своих разработках метод квазирезонансного переключения (valley-mode control), позволяющий добиться того же эффекта.

Неизбежный компромисс

В реальности не имеет значения, какой контур регулирования у чипа: аналоговый или цифровой. Пользователям стоит беспокоиться только о том, какова цена компромисса при выборе цифрового регулирования. Например, цифровые контроллеры потребляют больший ток в состоянии покоя. Хотя DSP Texas Instruments отличаются высоким кпд и хорошим быстродействием, они потребляют больше энергии, чем чипы конечных автоматов, и намного больше, чем аналоговые чипы. ШИМ-контроллер, работающий в дискретном режиме, всегда в состоянии покоя потребляет больше тока, чем маломощный аналоговый собрат. По этой причине Summit Microelectronics и другие компании стали выпускать аналоговые блоки с цифровым управлением. Такой подход применяется в портативной электронике, где аналоговые ШИМ-регуляторы окружаются цифровыми цепями управления и коммуникаций. Этот метод используют в устройствах, работающих от аккумуляторов, поскольку в таких устройствах нельзя применить быстродействующие АЦП/ЦАП и DSP, потребляющие миллиамперы в состоянии покоя.

Следует еще отметить, что поскольку DSP должен загружаться в начальный момент работы, то даже после короткого аппаратного сбоя может произойти потеря управления питанием до тех пор, пока DSP снова не будет загружен. Ну и, конечно же, алгоритм работы DSP должен быть четко определен. Потому что, если разрабатываемая система имеет много контуров регулирования и много прерываний, часть из которых не обслуживается программой цифрового контроллера, то такую систему нельзя назвать полностью замкнутой.

Некоторые компании используют аналоговые схемы, позволяющие снизить количество компонентов системы. Power Integrations разработала недорогую автономно работающую аналоговую схему, не требующую применения оптопары, а Linear Technology изготовила LTC4278 и другие аналоговые компоненты, использующие вместо оптопары чувствительную обмотку, обеспечивающую формирование напряжения в цепи обратной связи. В таком случае не надо заботиться о том, какой тип ШИМ-контура регулирования (цифровой или аналоговый) применен в микросхеме, поскольку любой из этих контуров способен обеспечить точную регулировку выходного сигнала без помощи оптопары.

Производители стремятся любым способом снизить стоимость цифровых чипов, чтобы они могли конкурировать по цене с аналоговыми вариантами. Компания Exar разработала конкурентный цифровой контроллер XRP7740 с уменьшенными размерами ШИМ-контура регулирования. Однако набор фотошаблонов для изготовления таких чипов настолько дорог, что компании, торгующие ими, часто не получают особой прибыли, даже совершая продажу партии в несколько миллионов микросхем. Производителям цифровых чипов всегда приходится искать компромисс между низкой ценой чипа и высокой стоимостью изготовления набора фотошаблонов с малыми характеристическими размерами, поэтому они заинтересованы только в крупномасштабных производствах. Часто бывает, что выгоднее организовать менее дорогой CMOS-процесс с большими характеристическими размерами.

И, наконец, стоит отметить, что многие чипы источников питания должны вырабатывать высокие выходные напряжения, что нельзя обеспечить, используя характеристические размеры, применяемые сегодня в CMOS-технологии, поэтому в таких приложениях могут применяться только биполярные аналоговые чипы.

Цифровые методы подходят для приложений, требующих пошаговой компенсации, но и тут многие предпочитают применять простые и надежные аналоговые схемы, обеспечивающие адекватную компенсацию в большинстве случаев.

Чипы, проводящие автокомпенсацию, могут оказаться весьма актуальными для компаний, выпускающих источники питания для работы с неизвестной входной и выходной емкостью, но разработчики чаще всего проектируют силовые источники под конкретные задачи. Хотя очень заманчиво проводить одноразовую подстройку схемы для компенсации цифровой части контроллера, но следует помнить, что аналоговые схемы вовсе не требуют вычисления коэффициентов цифрового фильтра. В случае аналоговых чипов пользователям надо только подстраивать конденсатор и резистор в компенсационной цепи для получения требуемого отклика контура регулировки.

Следует отметить, что изменение контура регулирования с целью проведения компенсации в реальном масштабе времени, не является прерогативой только цифровых контроллеров. Linear Technology производит микросхему LT4180, реагирующую на изменение выходного импеданса источника питания.

Аналоговые микросхемы также способны удерживать выходное напряжение в заданных границах (margining). К примеру, микросхема Maxim MAX16064 отслеживает работу четырех аналоговых импульсных конвертеров, а чип Linear Technology LTC2978 контролирует работу восьми аналоговых преобразователей.

Таким образом, цифровые методы управления питанием актуальны только для некоторых приложений, а в других их применение бессмысленно. Это не имеет никого значения для схемотехников, которым все равно, как производители полупроводниковых чипов будут решать свои проблемы. Разработчиков систем волнует только работоспособность чипа и выполнение им заданных функций. Для схемотехников важны: цена, надежность и перечень технических характеристик. Пусть профессоры и разработчики микросхем спорят о преимуществах и недостатках аналоговых и цифровых контроллеров. Пользователям нужны чипы, способные выполнять функции, необходимые для решения реальных задач. Если этого нет, то нет смысла переплачивать за цифровые контроллеры, даже если сказано, что они новые и усовершенствованные.

Литература

1. Digital power, without the hype//www.edn.com/article/457675-Digital_power_without_the_hype.php

2. White Robert V. Embedded Power Labs. Digital power: after the hype//Applied Power Electronics Conference and Exhibition, Feb 22, 2010.

3. Rako Paul. A unique, low-cost approach to power-supply design//EDN Global Innovators, Nov 13, 2008, p. 24.

4. Rako Paul. Quad-PWM-controller IC includes low-dropout linear regulator//EDN, Dec 15, 2009, p. 12.

5. Pease Bob. What’s All This Fuzzy Logic Stuff, Anyhow? (Part V)//Electronic Design, Nov 20, 2000.

6. Rako Paul. Integration in the other direction//EDN, Jan 21, 2010, p. 24.

7. Rako Paul. Quad power-converter-control chip uses PMBus//EDN, Dec 3, 2009, p. 11.

8. Rako Paul Octal power-converter-control chip uses PMBus//EDN, Oct 8, 2009, p. 7.