В статье обсуждаются особенности новых интеллектуальных преобразователей энергии, которые позволяют адаптировать свои характеристики к меняющимся условиям внешней среды. Рассмотрена структура интеллектуального контроллера питания, представляющего собой систему на кристалле, и заложенные в него алгоритмы оптимизации, которые позволяют увеличить эффективность источника питания, а также снизить затраты времени на разработку системы. Статья представляет собой перевод [1].
Понятие интеллектуального преобразования
В общем случае, интеллектуальность системы можно рассматривать как способность адаптироваться к условиям окружающей среды. Система использует т.н. «целевую функцию», которая управляется и оптимизируется в процессе адаптации. Адаптация может прекратиться, если не происходит изменения окружающей среды и целевая функция оптимизируется на приемлемом уровне.
Таким образом, интеллектуальность системы связана с тремя ключевыми элементами: окружающей средой, целевой функцией и адаптацией.
В том, что касается преобразования энергии, окружающая среда характеризуется такими параметрами как температура, номиналы компонентов, входное напряжение и его качество, а также выходная нагрузка. Целевыми функциями могут быть: потери (или эффективность), пульсации, устойчивость, шум, температура компонентов, положение полюсов или нулей. Адаптация включает изменение относительных временных параметров импульсных сигналов, регулировку уровней напряжения или тока, компенсацию, изменение рабочей частоты.
При увеличении нагрузки интеллектуальный контроллер питания начинает регулировать (адаптировать) паузу между сигналами коммутации для минимизации потерь (целевая функция). Неинтеллектуальный источник питания в такой ситуации нагревается.
Уровни интеллектуальности
Интеллектуальность — понятие относительное. На качественном уровне можно определить, что интеллектуальность контроллеров питания определяется тем, как они адаптируются к изменениям внешней среды.
Нерегулируемые контроллеры — наименее интеллектуальные из всех контроллеров. Какая-либо адаптация к изменениям окружающей среды носит весьма несущественный характер. Например, если импеданс нагрузки падает, то ток изменяется только согласно закону Ома и определяется импедансом системы преобразования.
Для улучшения интеллектуальных свойств в источниках питания была введена обратная связь, которая улучшила их способность реагировать на изменения окружающей среды. Если импеданс нагрузки падает, цепь обратной связи воспринимает изменение выходного напряжения и регулирует работу преобразователя, адаптируя его к изменению условий окружающей среды. Данный уровень интеллектуальности, хоть и выше описанного ранее, все же имеет ограничения. Например, обратная связь рассчитана на довольно узкий диапазон условий работы при заданных номиналах компонентов. Параметры цепи обратной связи неизменны и выбираются исходя из необходимости получить приемлемые результаты во всем диапазоне работы преобразователя. Из-за этого ограничения разработчик может потратить значительное время на настройку параметров для того, чтобы схема удовлетворяла эксплуатационным требованиям во всем рабочем диапазоне.
Дальнейшее развитие интеллектуальных свойств источников питания было связано с введением управления с опережением, обратной связи по току и температурной коррекцией.
На современном этапе развития источников питания встраиваемые микроконтроллеры обеспечивают совершенно новый уровень интеллектуальности. Работа контроллеров питания более не ограничена фиксированными или узко ограниченными параметрами. Эти параметры можно гибко менять в процессе разработки и во время эксплуатации преобразователя. Имеется возможность отслеживать множество целевых функций (например, потери, температуру, шум и др.) и адаптировать систему на основе этих целевых функций к изменениям условий окружающей среды.
Примером интеллектуальности лучших современных контроллеров служит их способность контролировать относительные потери в процессе преобразования в соответствии с заданной целевой функцией. При изменении условий окружающей среды контроллер питания может осуществлять регулировку системы для минимизации этих потерь.
Как обеспечить интеллектуальность преобразования энергии
Современные контроллеры питания представляют собой фактически системы на кристалле. На рисунке 1 показана структура такой системы, разработанной компанией Intersil Zilker Labs.
 |
|
Рис. 1. Структурная схема системы-на-кристалле — контроллера питания |
Процессоры сигнала датчика собирают данные о входном и выходном напряжениях, выходном токе, внешней и внутренней температурах, частоте и фазе коммутации других источников питания, состояниях отказа и уровне потерь. Эта информация используется микроконтроллером для выполнения алгоритмов, генерирующих целевые функции, которые затем используются для адаптации источника питания к изменениям внешних условий.
Ранние попытки реализации таких интеллектуальных контроллеров питания были связаны с использованием DSP, но производители и заказчики вскоре обнаружили, что этот подход слишком неэффективен. В настоящее время в лучших схемах используется специализированный конечный автомат для выполнения рутинных операций преобразования, а микроконтроллер — для адаптации преобразователя к изменениям внешней среды.
В большинстве интеллектуальных контроллеров для хранения различного рода информации, включая алгоритмы, параметры и телеметрию, используется энергонезависимая память. Одним из важных требований к ней является возможность проверки и коррекции ошибок.
Мозгом интеллектуального контроллера питания, как уже было указано, является микроконтроллер. В адаптивном контроллере DC-питания с автокомпенсацией ZL6105 компании Intersil Zilker Labs используется 8-разрядный 8-МГц RISC-микроконтроллер. Применяя встроенную энергонезависимую память емкостью 32 Кбайт, этот микроконтроллер управляет процессом преобразования с помощью как детерминистских, так и адаптивных алгоритмов, которые обеспечивают характеристики, намного превосходящие параметры обычных контроллеров питания, а также многих других цифровых контроллеров питания.
Наличие коммуникационного интерфейса интеллектуального контроллера позволяет обеспечить связь с другими устройствами системы и расширяет возможности контроллера реагировать на внешние изменения, строить целевые функции и адаптироваться к внешним условиям. В интеллектуальном контроллере применяется один из наиболее популярных коммуникационных интерфейсов — SMBus, в котором в качестве протокола/языка используется PMBus.
Чем больше информации об окружающей среде может собрать и обработать контроллер, тем качественнее он выполнит преобразование энергии.
Интеллектуальное управление
Для иллюстрации возможностей интеллектуального управления при преобразовании энергии рассмотрим два примера. В первом используется алгоритм, оптимизирующий эффективность преобразования, а во втором — автоматическая компенсация источника питания.
Существует ряд параметров, которые можно отрегулировать для оптимизации характеристик источника питания: частота коммутации, ток пульсаций, время включенного состояния синхронного выпрямителя, а также относительный интервал времени между сигналами коммутации ключей. Этот относительный интервал времени называется паузой (deadtime). В синхронном понижающем стабилизаторе пауза — это время между выключением ключа верхнего плеча и включением ключа нижнего плеча.
Пауза иллюстрируется на рисунке 2, который показывает относительное положение на временной оси сигналов управления транзисторами верхнего плеча g1 и нижнего плеча g2. Если пауза слишком короткая, то время открытого состояния двух транзисторов перекрывается, и начинается сквозная проводимость. Если пауза слишком длинная, возникает проводимость внутреннего диода полевого транзистора. Оба случая приводят к увеличению потерь.
 |
| Рис. 2. Контроль паузы: короткая пауза (слева) и длинная пауза (справа |
На самом деле, существуют два требования относительно контроля паузы. Первое — предотвращение сквозной проводимости, что, кроме низкой эффективности, приводит к высокому уровню шумов, высоким токам и во многих случаях сокращает срок службы ключа. Второе требование заключается в оптимизации паузы для минимизации потерь.
Прежде в контроллерах пауза была фиксированной величиной, что не идеально по многим причинам. Величина оптимальной паузы зависит от характеристик ключа (которые могут существенно меняться от ключа к ключу), температуры перехода и тока, протекающего через ключи во время коммутации. Фиксированное значение паузы можно установить исходя из соображений защиты ключей от высоких токов, т.е. должно быть достаточно длительным, так чтобы никогда не возникла сквозная проводимость. Однако это не оптимально, с точки зрения снижения потерь. Если же внешние условия меняются, что требует изменения установленной величины паузы, то такие контроллеры не реагируют на эти изменения каким-либо образом.
Кроме того, такие контроллеры отслеживают напряжение на ключе и не позволяют ключу нижнего плеча включаться до тех пор, пока напряжение не упадет до достаточного уровня. Хотя это обеспечивает защиту от сквозной проводимости, гарантируя, что ключ верхнего плеча выключен, период открытого состояния внутреннего диода не оптимизируется. Например, если ключ нижнего плеча имеет значительную задержку включения, то оптимально было бы подавать сигнал включения на ключ нижнего плеча до падения напряжения на ключе. И в этом случае такой метод может гарантировать отсутствие сквозной проводимости, но не обеспечивает оптимальную эффективность.
В последнее время появились новые интеллектуальные контроллеры питания, которые действительно позволяют определять потери и на основе этой информации оптимизировать величину паузы, что проиллюстрировано на рисунке 3.
 |
|
Рис. 3. Оптимизация эффективности преобразования путем контроля паузы |
Если первоначально слишком большую (относительно оптимального значения) паузу незначительно увеличить, то потери, как можно видеть, увеличиваются. Заложенный в микроконтроллере алгоритм способен детектировать это увеличение потерь и обеспечить команду на уменьшение паузы.
С ее уменьшением снижается проводимость внутреннего диода и, тем самым, уменьшаются потери. Алгоритм продолжит уменьшать величину паузы с соответствующим снижением потерь до тех пор, пока это уменьшение не приведет к росту потерь из-за перехода в режим сквозной проводимости. Хотя полностью ключ не переходит в режим сквозной проводимости, полноценного переключения не достигается, пока ток протекает через комплементарные транзисторы. В этом случае алгоритм будет увеличивать паузу для того, чтобы перейти в режим наименьших потерь. Такой алгоритм обеспечивает работу контроллера вблизи области оптимальной величины паузы и, следовательно, максимальной эффективности.
Данный алгоритм, реализованный в контроллере ZL6105 компании Intersil Zilker Labs, осуществляет регулировку при изменении нагрузки, температуры и срока службы компонентов. Он также оптимизирует работу контроллера с учетом отклонения параметров компонентов, связанного с процессом производства. Кроме алгоритма уменьшения потерь, можно реализовать и другие схемы оптимизации. Например, можно определить оптимальную частоту коммутации с учетом баланса между потерями на переключение и потерями на проводимость.
Эти контроллеры обеспечивают оптимальные характеристики при использовании данных компонентов при всех условиях окружающей среды и превосходят другие виды контроллеров с более низким уровнем интеллектуальности.
Другой пример интеллектуального управления относится к выполнению компенсации источника питания. Компенсация источника питания с целью обеспечить его устойчивую работу при всех условиях всегда была серьезной проблемой для разработчиков. Даже если разработчику удавалось компенсировать источник питания в лабораторных условиях, отклонения параметров компонентов могли приводить к существенному снижению его устойчивости в реальных условиях работы.
В контроллере ZL6105 от Intersil Zilker Labs применятся метод автоматической компенсации. Этот интеллектуальный контроллер содержит алгоритм, который контролирует небольшие отклонения режима (целевая функция) на выходе и применяет компенсацию на базе этих данных. Он имеет два режима работы: оптимизация по команде и периодическая оптимизация. В первом случае пользователь может отдать команду на компенсацию, и микросхема автоматически выполнит ее для данного набора компонентов (ключей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.) и внешних условий. Во втором режиме устройство автоматически выполняет компенсацию и повторяет этот процесс периодически в ответ на изменения внешних условий.
На рисунке 4 изображены сигналы переходного процесса напряжения источника питания, который был вначале скомпенсирован вручную, а затем автоматически. Ручная компенсация заняла в тысячу раз больше времени, чем автоматическая. Автоматическую компенсацию можно выполнить как внутрисхемный тест в процессе производства источника питания без вмешательства специалиста.
 |
|
Рис. 4. Автоматическая (справа) и ручная компенсация (слева) |
В режиме периодической компенсации при изменении условий внешней среды выполняется автоматическая регулировка схемы для поддержания устойчивой работы источника питания.
Заключение
Преобразователи энергии перешли на новый этап своего развития — этап интеллектуальных источников питания. Новые интеллектуальные контроллеры питания выполняют автоматическую регулировку своих характеристик таким образом, что разработчику системы требуется меньше времени для выбора оптимального решения при всех рабочих условиях. Эти устройства обеспечивают более высокий уровень интеграции и лучшие характеристики при равной или даже меньшей стоимости, по сравнению с обычными контроллерами.
Литература
1. Chris Young. Power Conversion Enters a New Era//Bodo’s Power Systems. #1. 2010. pp. 22—25.