Цифровое управление: преимущества неоспоримы

За десятилетия развития импульсные источники питания достигли практически предела совершенства, что заставляет разработчиков искать кардинально иные подходы для улучшения их характеристик. Используя аналоговые цепи управления, разработчики не могут предложить ничего, кроме мизерного повышения КПД или улучшения массогабаритных показателей. В результате всё быстрее увеличивается рыночная доля систем с цифровым управлением.

Стоит отметить, что в ряде случаев цифровые источники питания представляют собой комбинацию аналоговых и цифровых цепей, в которых используются компоненты, созданные на основе относительно недавно появившейся технологии интеграции на одном кристалле устройств для работы со смешанными сигналами. В этом смысле термин «цифровой источник питания» (ИП) означает, что цифровая техника вместо аналоговой используется для организации цепей управления. Для простейшего случая понижающего преобразователя это означает использование АЦП вместо традиционного усилителя сигнала ошибки в цепи обратной связи и цифровых методов формирования ШИМ-сигнала вместо использования ИОН, генератора пилообразного напряжения и компаратора (см. рис. 1) .

Вполне естественным представляется, используя в качестве основы ядро обработки смешанных сигналов, добавить на тот же кристалл узлы, осуществляющие контрольные и управляющие функции. Это позволит практически без увеличения стоимости существенно расширить функциональность, оптимальным образом организовать связь между ядром преобразователя и другими подсистемами, а также значительно сократить площадь печатной платы, занимаемую такими устройствами в традиционных системах. Очевидным выбором для интерфейса в пределах платы является PMBus, который базируется на схемотехнике интерфейса SMBus и является стандартом для силовых систем.

Рис. 1. Упрощённые блок-схемы аналогового (вверху) и цифрового понижающих преобразователей

Базовые требования к цифровому источнику питания

Цифровой ИП должен обеспечивать по меньшей мере не худшие, чем аналоговый, параметры эффективности без ухудшения других электрических характеристик, в том числе точности регулирования, переходной характеристики или уровня шумов на выходе. Практически у всех преобразователей при малых нагрузках происходит ухудшение характеристик, причём у типичных аналоговых преобразователей такое ухудшение становится заметно уже при нагрузках в 15—20% от номинальной.

Максимальный КПД таких преобразователей обычно достигается при мощности в нагрузке 50—70% от номинала, и разработчики ориентируются именно на такую нагрузку в процессе разработки преобразователя. Это обстоятельство заставляет предъявлять более серьёзные требования к параметрам ИП при малых нагрузках, что вызывает появление таких побочных эффектов второго порядка как изменение входного напряжения преобразователя при изменении нагрузки, т.к. входное напряжение может быть нестабилизированным. На рисунке 2 на примере сравнения типичных промежуточных преобразователей в форм-факторе ¼ brick показано, что правильно сконструированный цифровой преобразователь обеспечивает лучшие значения КПД в диапазоне нагрузок 10—100% от максимума и при этом имеет существенно меньшую зависимость этого параметра от входного напряжения.

Ключевой особенностью цифровых преобразователей, позволяющей добиться таких характеристик, является возможность изменения величины мёртвого времени силовых ключей. Как известно, мёртвое время (когда выключены все ключи преобразователя) вводится для того, чтобы исключить сквозные токи в моменты, когда один из ключей закрывается, а другой — открывается.

Для максимизации КПД лучше всего было бы свести время переключения к нулю, однако в большинстве преобразователей используют интервал мёртвого времени фиксированной длины, гарантирующий безопасную работу ключей во всех возможных комбинациях нагрузок и входного напряжения. Однако изменение этого периода в зависимости от нагрузки позволяет увеличить КПД на несколько процентов на границах рабочего диапазона. И в то время как разработчики аналоговых микросхем изобретают всё более изощрённые способы такой регулировки, разработчики источников питания с цифровым управлением не испытывают никаких сложностей с её реализацией.

Цифровой ИП имеет конкурентоспособные массогабаритные характеристики, что в принципе является прямым следствием его конструкции, а кроме того, он столь же прост в использовании, как и аналоговые преобразователи. Разница между конструированием собственного и использованием готового ИП становится всё более существенной, т.к. для большинства инженеров основные проблемы состоят в изучении способов реализации необходимых параметров. В то время как в аналоговых преобразователях для подстройки динамических характеристик, определяющих стабильность системы, а также (в некоторых случаях) и величину мёртвого времени, используются резисторы и конденсаторы, задающие положение нулей и полюсов передаточной характеристики, в цифровых системах эти параметры определяются набором числовых констант.

В цифровых устройствах, изменяя числовые параметры ПИД-регулятора, можно подстроить преобразователь под конкретные значения нагрузки и входного напряжения, что и составляет основное преимущество таких регуляторов над аналоговыми. Поставщики специализированных процессоров для цифровых преобразователей предоставляют соответствующие средства разработки, и все же основной задачей остаётся разработка надёжного программного обеспечения. В результате многие инженеры предпочитают использовать готовые сертифицированные цифровые ИП.

Компания Ericsson, разрабатывая свои первые цифровые преобразователи семейства 3E, убедилась, что с использованием цифровых принципов вполне можно создать промежуточные ИП с уменьшенными, по крайней мере, на 5% потерями, что обеспечило для преобразователей в форм-факторе ¼ brick мощность нагрузки до 396 Вт. При этом такие преобразователи обеспечивают ту же стабильность выходного напряжения в пределах ±2%, что и одинаковые по размеру аналоговые преобразователи, имеющие максимальную выходную мощность всего 204 Вт. При этом у цифровых преобразователей КПД превышает 96% в диапазоне от 10% до максимальной выходной мощности и, хотя в преобразователь встроен интерфейс PMBus, можно игнорировать его и использовать цифровой ИП точно так же, как и аналоговый.

Рис. 2. Зависимость КПД от выходного тока и входного напряжений для аналогового (вверху) и цифрового источников питания (PKM43048 PI и BRM453 соответственно)

Расширение жизненного цикла за счёт цифровой регулировки

Однако переход к цифровому управлению означает гораздо большее, чем просто улучшение характеристик ИП. Объединение собственно схем управления силовыми цепями и интерфейса PMBus означает появление новых возможностей у ИП, которые существенно расширяют его гибкость в процессе эксплуатации. Фактически это означает, что теперь стало возможным конфигурирование ИП как в процессе его разработки и изготовления, так и у дистрибьютора, поставляющего ИП в составе готовой аппаратуры, а также у конечного пользователя в процессе эксплуатации. Такая степень гибкости, распространяющая программируемость параметров и на ИП, достигнута впервые. Например, каждое устройство семейства цифровых ИП Ericsson 3E имеет целый набор программируемых параметров, в том числе выходное напряжение, задержки включения/выключения для реализации нужной последовательности подачи/снятия напряжений питания, управление временем нарастания выходного напряжения, что обеспечивает правильную работу защиты по току, задание границ выходного напряжения для проверки исправности системы питания и нагрузки, включая несколько значений таких границ для реализации системы раннего предупреждения неисправностей, а также аналогичных диапазонов для контроля температуры, входного напряжения и выходного тока. Мало того, можно также подстроить петлю регулирования для оптимизации КПД для конкретной нагрузки, в том числе в зависимости от её ёмкости. На рисунке 3 показан результат оптимизации переходной характеристики при такой подстройке.

При этом разработчик может с помощью интерфейса PMBus изменить любую из этих характеристик в любой момент. В этом протоколе стандартизованы все необходимые команды, причём набор команд может быть расширен для выполнения специфических для конкретного устройства действий. Интерфейс действует по принципу «установить-и-забыть», что позволяет настроить параметры один раз, после чего они останутся неизменными до выхода устройства из строя или до следующего сеанса программирования. Более того, система с полноценным задействованием возможностей PMBus может обеспечить существенное снижение энергопотребления за счёт интеллектуального управления питающими напряжениями в зависимости от режима работы нагрузки. Например, снижение входного напряжения на промежуточной шине питания, скажем, с 12 до 9 В при минимальном потреблении в нагрузке существенно снижает потери в преобразователях и, соответственно, в системе в целом. Такой способ уменьшения энергопотребления достаточно хорошо известен и частично реализован во многих системах, однако в аналоговых преобразователях довольно сложно реализуется при высоких требованиях к параметрам ИП.

Рис. 3. Влияние изменения параметров петли регулирования на динамические характеристики преобразователя

Использование PMBus позволяет значительно ускорить разработку

Физический уровень PMBus основан на SMBus (электрически совпадающей с I2C). При этом требования к логике управления на плате довольно мягки, и управление может быть реализовано на базе дешёвого микроконтроллера или даже нескольких ячеек ПЛИС (если таковые останутся свободными после реализации других полезных задач).

В процессе разработки хост-система и пользовательские интерфейсы легко могут эмулироваться персональным компьютером с соответствующим программным обеспечением, а физический интерфейс — адаптером USB to PMBus. Такой подход помогает сократить время проектирования и отладки системы питания, позволяя быстро подобрать необходимые напряжения питания, последовательность включения, диапазоны допустимых параметров и т.д. без изменения аппаратной части. Как только нужные параметры будут подобраны, программа-настройщик сохранит необходимые параметры в отдельном для каждого ИП файле.