Разпределено цифрово токозахранване

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2012

Стефан Куцаров

  Точно определение за цифрово токозахранване няма. Затова в статията е прието, че този термин означава промяна на изходното напрежение на постояннотокови стабилизатори с помощта на двоично число, независимо от техническото средство за неговото създаване и схемните решения на самите стабилизатори. Това захранване се използва най-често в стабилизаторите, свързвани непосредствено към товара с възприето наименование “POL стабилизатори” (от Point-Of-Load), които са част от системите с разпределено захранване. За намаляване на постояннотоковата консумация на електронните устройства все по-често изходното напрежение на POL стабилизаторите се променя в процеса на работата им с цел осигуряване на минимално възможната му стойност за гарантиране на нормалната работа на захранваните блокове. Това се постига единствено по цифров път, като предмет на настоящата статия са основните начини за неговото осъществяване.

Разпределено токозахранване
Основната цел на разпределеното захранване е захранващото напрежение на блок или близко разположени блокове да се осигури от намиращ се непосредствено до тях POL стабилизатор. Пример за такова захранване в преносими устройства е даден на фиг. 1а, в комуникационни устройства – на фиг. 1б и в компютърни системи – на фиг. 1в. Подробности по тези и други въпроси можете да намерите в статията "Разпределено токозахранване", публикувана в бр. 7/2008 на списание Инженеринг ревю.

Сред последните новости е архитектурата с междинна шина (Intermediate Bus Architecture) IBA, идеята за която се изяснява чрез фиг. 2а. Постоянното напрежение с малка стабилизация се подава на всички платки, всяка от които има един междинен стабилизатор с галванично разделяне. Неговото изходно напрежение UIB може да е до 4-5 пъти по-малко от входното му напрежение (типични стойности 9 V и 12 V) и се подава на няколко стабилизатора POL, които са без галванично разделяне и следователно с проста и евтина схема. При напрежения на захранваните блокове под 2-3 V тези стойности на UIB са твърде големи и затрудняват работата на POL стабилизаторите (когато те са ключови, трябва малък коефициент на запълване на импулсите, а когато са линейни, се получава твърде малък к.п.д.). Поради това вече има системи с UIB до 3,3 V.

Пример на подобно захранване е даден на фиг. 2б, като напрежението 48 V се получава от мрежата чрез токоизправител с трансформатор. Вижда се и че при блокове с малка консумация напрежението им може да се осигури без използване на POL стабилизатори.

Цифрово управление на стабилизатори с аналогова обратна връзка
Като неписано правило производителите на такива интегрални схеми (ИС) на стабилизатори ги предлагат като серия с различни фиксирани напрежения и един със задавано напрежение чрез външен делител R1-R2. Пример за такъв ключов понижаващ стабилизатор е даден на фиг. 3а, като изходното напрежение е VOUT=(1+R1/R2)Vref, където Vref е определено от вграден в ИС източник на опорно напрежение. По принцип всеки от резисторите (или и двата едновременно) може да се замени с цифров потенциометър DCP, при което VOUT ще зависи от подаваното на DCP двоично число. Като най-добро решение се посочва свързването на DCP последователно на R2 (фиг. 3б), тъй като по този начин се намалява влиянието на паразитния капацитет CRW на DCP върху работата на стабилизатора. При другите възможни свързвания на DCP може да се наруши стабилността на схемата и да се увеличи времето на преходните процеси при смяна на VOUT. Не е трудно да се изведе формула на зависимостта на VOUT от подаваното двоично число при известно максимално съпротивление на DCP (то е един от основните му параметри). Например при реализацията на ключов стабилизатор с контролера ISL85001 и потенциометъра ISL22317 на Intersil се получава VOUT между 0,8 V и 3,3 V, а графичната зависимост на напрежението от десетичния еквивалент на двоичното число (то е 7-разредно) е дадена на фиг. 3в.

По подобен начин може да се осигури цифрово управление и на стабилизатори, чието изходно напрежение се задава с един резистор, като DCP отново се свързва както на фиг. 3б.

Стандартът PMBus
Той е най-масово използваният и е разработен не само за цифрово регулиране на изходното напрежение на POL стабилизатори, но и за управление на ключови стабилизатори с галванично разделяне, на токоизправители и захранвания на микропроцесори. Стандартът включва обмен на данните, физически интерфейс и командите за управление (Command Language). Важно е да се има предвид, че протоколът предлага допълнителни улеснения при разработването на платки на захранвания и тяхното тестване в готови изделия. Той съдържа над 100 команди, като за всяко устройство конструкторът избира кои да се използват. Освен задаване на номиналната стойност на изходното напрежение се фиксират допустимите граници на неговото изменение (със зелено на фиг. 4а), като при достигане на горната OV WARN или долната UV WARN към управляващото устройство се подава предупреждаващ сигнал, но стабилизаторът продължава да работи (областите в жълто). Той се изключва при достигане на едно от напреженията OV FAULT или UV FAULT, т. е. работата в областите с червено не е възможна. Всяка от тези 4 граници се задава чрез съответната команда. Подобно е положението с изходния ток на стабилизатора (фиг. 4б), но липсва долната граница за предупреждение, докато за температурата на стабилизатора (фиг. 4в), която е пряко свързана с разсейваната мощност, четирите граници са запазени.

Друга възможност на протокола е да осигурява включването и изключването на стабилизаторите в определени моменти от времето, например за установяване на желана последователност за това, което е изяснено на фиг. 5. При подаване на управляващ импулс най-напред се задейства командата за закъснение на включването TON_DELAY, чието време се задава от потребителя. Следва времето на включване TON_RISE (също задавано), докато за изключването има две аналогични команди отново със задавани времена.

На фиг. 6 е показан пример за свързване на POL стабилизатори (в синьо) към управляващия блок (в оранжево). Всеки стабилизатор има адрес, който се задава чрез подходящо свързване на неговите изводи Physical Address. Тактовите импулси са по оранжевата шина, а необходимите данни за параметрите на стабилизаторите – по черната шина. Чрез синята шина се осъществява включването и изключването на стабилизаторите, но тя не е задължителна. Специфична е червената шина, по която от POL стабилизаторите към управляващия блок могат да се подават сигнали за прекъсване на работата му. Изводът Write Protect забранява чрез подходящо логическо ниво смяната на данните в стабилизаторите, т. е. на зададените им параметри, но той също не е задължителен.

На фиг. 7 е даден пример за платка с разпределено цифрово токозахранване и PMBus. Шините му са в жълто, а с бяло са проводниците на захранващите напрежения. Вижда се необходимостта от синхронизация на двата междинни стабилизатора с галванично разделяне и изходно напрежение 9-12 V и разпределянето (Current share) на общия захранващ ток между тях.

Архитектура Z-One
Структурата на създадената от компанията Power-One архитектура е показана на фиг. 8. Нейните основни предимства са намаляване с няколко десетки процента на цената в сравнение с други системи за разпределено цифрово токозахранване и възможността за управляване на до 32 POL стабилизатора. Връзката между блоковете се осъществява чрез двупосочна еднопроводна линия, по която се обменят данни и синхронизиращи сигнали. Тази връзка осигурява управлението на стабилизаторите PO (в оранжево на фиг. 8) чрез управляващия блок (Power Digital Manager) ZY7100, който е фирмена ASIC и втора ASIC (във виолетово на фиг. 8). POL стабилизаторите са три за токове 5 А, 10 А и 20 А, като входното им напрежение се вижда от фиг. 8 и се осигурява от ключов стабилизатор с галванично разделяне (в светлосиньо на фиг. 8). Изходното напрежение на стабилизаторите може да се програмира между 0,5 и 5 V с точност 1%. Управлението се осъществява от компютър или друго устройство. Това става чрез интерфейса I2C и графичен интерфейс (GUI), който визуализира на екрана на компютъра таблици за попълване на желаните стойности на параметрите. Полезно е да се има предвид, че в системата могат да се използват и подходящи POL стабилизатори на други производители, например MIC68200 на Micrel.

Стандарт DOSA
Наименованието му е акроним на Distributed-power Open Standard Alliance, а предназначението му – да даде препоръчителни размери на платките на различни модули в системи с разпределено захранване. Последната версия за стабилизатори без галванично разделяне (3rd Generation 12 mm x 12 mm DOSA) определя не само размерите на платките им (12x12 mm) или на площта, която заемат върху по-голяма платка, но и вида, препоръчваното разположение и размерите на изводите.

POL стабилизатори с цифрово управление
Схемите им са на класически понижаващ ключов стабилизатор. В зависимост от начина на управление съществуват три основни разновидности – с PMBus, със Z-One и с отделен контролер, като първата е най-широко използвана. Има и една специфична категория, чието изходно напрежение се задава с делител, а чрез управлението се определят различни режими на работа. В зависимост от конструктивното оформление съществуват интегрални схеми и модули, като от своя страна ИС могат да са с вградени мощни MOS транзистори (по-рядко) или тези транзистори се свързват външно. Съществена особеност е, че в немалка част от ИС някои от параметрите могат да се задават освен чрез цифровото управление и с помощта на външни резистори.

Стабилизатори с PMBus. За изясняване на действието на ИС с вградени транзистори на фиг. 9 е дадена блоковата схема на ZL2106 на Intersil, чиито основни параметри са в ред 2 на табл.1. Схемата работи с интерфейса I2C/SMBus, който е съвместим с PMBus и ползва блока SMBus с класическите изводи SDA (за данни) и SCL (за тактови импулси). За осигуряване работата на схемата с други ИС на същия производител е блокът DDC Bus с извод DDC, работещ като вход и изход. В енергонезависимата памет NVM производителят записва данни за предпазване на ИС от повреда, които могат да бъдат променяни от конструктора на изделието.

Управлението на работата на интегралната схема и на стабилизатора, в който тя се намира, се осъществява от блока Power Mgmt с вход EN за разрешаване на работата, изход PG за показване на наличието на нормално изходно напрежение Vо на стабилизатора, вход MGN за задаване на допустимите граници на Vо (зелената област на фиг 4а), вход VSET за програмиране на Vо, вход CFG за задаване на някои от режимите на работа, вход SS за определяне на времето за постепенно установяване на Vо (бавен старт) и вход VTRK за регистриране на наличието на външен източник на напрежение. В блока PWM Control & Drivers се формират правоъгълните импулси за работа на ключовия стабилизатор с коефициент на запълване d и се осигурява необходимата им амплитуда за задействане на двата мощни NMOS транзистора. Чрез извод SYNС се задава честотата fSW на импулсите (тя е работната честота на стабилизатора) или вграденият в блока генератор се синхронизира с външен. Чрез входа VSEN се връща напрежението Vо, което е необходимо за работата на отрицателната обратна връзка, подържаща неизменна стойност на Vо чрез промяна на d. Вграденият диод и кондензаторът между изводи SW и BST създават необходимото напрежение за работа на горния транзистор. Линейните стабилизатори LDO осигуряват захранващите напрежения на блоковете на ИС.

Освен споменатите параметри, в табл. 1 са дадени консумираният от ИС ток IDD, максималният к. п. д. hmax на стабилизатора, неговият максимален изходен ток Iomax, минималното напрежение на стабилизатора UVLO и неговото максимално напрежение OVLO. Извън тях стабилизаторът се изключва (червените области на фиг. 4а), като двете напрежения могат да се програмират в указаните граници. Програмират се и другите параметри (с изключение на hmax), чиито стойности са дадени в някакви граници. Както при класическите ключови стабилизатори, стойността на hmax нараства с увеличаване на Vо. Съкращението "Вгр" в колона 2 на таблицата означава, че мощните транзистори на стабилизатора са вградени в ИС, а "Вн" – че се свързват външно. Полезно е да се има предвид, че в каталозите се дават (с малки изключения) схеми на свързване на външните елементи и методики за изчисляване на стойностите им.

За ИС в ред 3 трябва да се отбележи, че времето на бавния старт се програмира между 2 ms и 500 s. Даденaта в ред 4 ИС е на двоен стабилизатор, като чрез подходящи команди могат да се задават максималните стойности 2,75 V, 4,1 V и 5 V на Vо. Дадените в редове 5 и 6 ИС са съвсем нови и засега производителите не дават пълни каталожни данни. Част от параметрите на ИС в последния ред също не са дадени, но в техническата й документация подробно се обясняват командите на PMBus и има примери за реализация на различни параметри, например Vо между 4,75 и 5,25 V при VIN=8-14 V и Iomax=5 A.

Освен интегрални схеми се произвеждат и множество модули, няколко примера за които са дадени в табл. 2. Тук ton е времето от подаване на VIN до получаване на 90% от зададеното Vо. Полезно е да се знае, че техният експлоатационен срок MTBF е типично между няколко милиона и няколко десетки милиона часа и че обикновено имат температурна защита (Over Temperature Protection), която изключва Vо при достигане на определена температура в модула. Основната им особеност в сравнение с ИС, която следва от тяхната конструкция, е възможността за осигуряване на значително по-големи Iomax, т. е. за захранване на по-мощни товари. Друга особеност е, че обикновено те също се нуждаят от свързването на външни елементи, макар и сравнително по-малко. Това се вижда от фиг. 10, която се отнася за модула от ред 3 на табл. 2. Кондензаторите на входа и изхода не позволяват на променливите напрежения от работата на модула да отиват към източника на VIN и товара, чрез резисторите RADDR0 и RADDR2 се задава адресът на модула, а чрез RTrim се определя стойността на Vо, която чрез PMBus може да се променя със стъпка 0,002 Vо в границите 0,75 Vо-1,25 Vо. Чрез групата RTune-CTune се определя желаната преходна характеристика на модула и най-вече нежеланият отскок, възникващ във Vо при смяна на неговата стойност.

Стабилизатори със Z-One. Те са модули на производителя Power-One, но се намират и в каталозите на присъединената компания Relec. Характерни примери са дадени в табл. 3, като трябва да се има предвид възможността за програмиране освен на Vо и на други параметри като d, UVLO, OVLO, прагът на задействане на максималнотоковата защита, времената TON_DELAY и TOFF_DELAY, скоростта на нарастване и намаляване на Vо при задаване на нова стойност. Част от модулите могат да се свързват успоредно - този в ред 2 до 4 броя, а дадените в редове 3 и 4 - до 10 броя при минимален изходен ток, равен на 0,2Iomax.

Стабилизатори с цифрова обратна връзка
Замяната в постояннотоковите ключови стабилизатори на класическата аналогова отрицателна обратна връзка (ООВ) с цифрова доведе до създаването на новата категория на цифровите стабилизатори, чийто принцип на действие, съществуващи ИС за реализацията им и модули са описани в статията “Digital Power” в сп. Инженеринг ревю бр. 7/2007. Закономерно и естествено е тази концепция да се приложи и в разпределеното цифрово токозахранване чрез създаване на POL с цифрова ООВ, наричани цифрови POL стабилизатори.

Действие и особености на цифровите POL стабилизатори. Идея за структурата им е дадена на фиг. 11, като мощното стъпало PS осигурява желаното изходно напрежение Vо и тока на захранвания блок. Блоковете ADC (аналоговоцифров преобразувател), част от компенсатора Comp и DPWM (цифрова широчинноимпулсна модулация), образуват веригата на цифровата ООВ. Всяка промяна на Vо се превръща от ADC в число, което чрез Comp изменя коефициента на запълване d на изходните импулси на DPWM така, че да се възстанови стойността на Vо. Тя се задава от интерфейса посредством блока Bus, като най-напред се записва в паметта RAM. Освен Vо често се контролират още изходният ток Io и температурата на стабилизатора, а понякога и други негови параметри. На основата на тези данни микроконтролерът mC чрез своите алгоритми (записани в ROM), освен промяната на d в някои модели, може да променя времената на закъснение на реакцията на схемата tVo, tVIN и tTEMP съответно при промяна на Vо, входното напрежение и температурата на стабилизатора. Възможно е и оптимизиране по програмен път на параметрите на веригата за честотна компенсация на стабилизатора, с което на първо място се намалява отскокът на Vо. В паметта EEPROM са записани желаните стойности на Vо, Io и част от параметрите на стабилизатора, което се прави през блока Bus. В много случаи по време на производството на стабилизаторите се записват желаните стойности, които в процеса на работа могат да бъдат променяни през Bus. Освен това при включване на стабилизатора данните от EEPROM се записват в RAM, с която борави mC.

За важното място, което се очаква да заемат цифровите POL през следващите години е достатъчно да се спомене, че архитектурата VR12 с такива стабилизатори, използвана в сървъри на Intel от втората половина на 2011 г., се счита от специалистите за повратна точка в областта на захранванията и че те ще са в основата на сървърите от следващо поколение. Основните предимства са намаляване на размерите на POL (получаване на по-голяма мощност от единица обем), по-голяма гъвкавост в промяната на параметрите по време на експлоатацията, включително увеличаване по този начин на к. п. д., по-малко влияние на мрежовото напрежение, изходния ток и температурата върху Vо, по-лесно поддържане, възможност за надграждане (например увеличаване на изходната мощност) при разширяване на структурата на системите. Освен в сървъри се очаква цифровите POL да се използват в компютри, телевизионни приемници, в осветителни и фотоволтаични системи и на много други места най-вече за захранване на микропроцесори, цифрови сигнални процесори и програмируеми логически матрици.

Сравнението на цифровите и аналоговите POL допълнително се изяснява чрез фиг. 12. В аналоговия POL (горе) е необходима верига за осигуряване на стабилната му работа, която липсва в цифровия POL (долу), тъй като стабилността се осигурява по програмен път. Блокът в зелено на цифровия POL е неговият контролер, докато драйверът и изходното стъпало представляват блока PS на фиг. 11 и по принцип са същите, както в аналоговите POL. Поради това основната разлика между двата вида POL е в начина на управлението им. Независимо от това не са малко производителите, които предлагат специални драйвери към своите контролери.

Контролери за цифрови POL стабилизатори. Тяхната основна структура е фиг. 11 без блока PS. В табл. 4 са дадени примери за основните параметри на контролери, като този в ред 1 е с вграден драйвер. Специфични параметри са стъпката Dd на изменение на коефициента на запълване, на която е правопропорционална стъпката на задаване DVo на Vо (например при Dd=0,25 ns на контролерите от редове 7-10 се получава DVo=1 mV), а времената tVout, tVIN и tTEMP показват през колко време контролерът измерва съответните величини. Вградената памет на контролера за записване на програмираните параметри на стабилизатора има време на запомняне tret и максимален брой цикли за запис Write Cycles. Контролерите в редове 1, 2, 4, 5, 7-10 и 11 работят с PMBus. Тeзи в редове 1, 3 и 11 могат да се управляват чрез интерфейса I2C, а дадените в редове 4 и 5 – с SМBus. Освен това някои производители предлагат адаптeри за управление чрез USB порт на персонални компютри. Особеност на POL в ред 9 е, че може да управлява и вентилатор, например този на стабилизатора. Контролерът в ред 8 вместо импулси с ШИМ осигурява на изхода си постоянно напрежение от цифровоаналогов преобразувател, което променя Vо. За улеснение на програмирането на стабилизаторите за всички контролери в табл. 4 се предлага графичeн интерфейс (GUI). Сред последните новости и затова все още без подробни каталожни данни е МАХ15301 на MAXIM с вграден драйвер, който оптимизира к. п. д. чрез специален алгоритъм за непрекъснато следене на Vо и изходния ток.

Производителите на микроконтролери с успех използват някои от своите модели като контролери на цифрови POL. Сред особено добрите примери са 8-разредните PIC12, PIC16 и PIC18 и 16-разредният PIC24 на Microchip, с чиято помощ са реализирани цифрови POL с аналогово PS и управление чрез който и да е от интерфейсите I2C, SPI и UART.

Драйвери за цифрови POL стабилизатори. Те са сравнително малко и се използват за захранване на гейтовете на мощните NMOS транзистори на ключовия стабилизатор. Сред характерните примери за ИС на драйвери са UCD7230 и UCD7231 на Texas Instruments, които имат широк обхват на захранващото си напрежение (между 4,5 и 15 V) и работен температурен обхват от -40° С до +125 °С, като могат да работят с fSW до 2 MHz.

С входно напрежение 4,5-7,5 V и честота до 1,4M Hz е драйверът ZL1505 на Intersil с аналогичен температурен обхват. Друг пример е ZSPM9000 на компанията ZMDI, който съдържа не само мощните транзистори, но и спомагателните елементи към тях – външно към него се свързват само бобината и кондензаторът на стабилизатора. При размери 6x6 mm той осигурява Vо между 0,5 V и 5 V при максимален ток 40 А. Трябва да се има предвид, че в каталозите на контролери обикновено се препоръчва с какъв драйвер да работят.

Модули на цифрови POL стабилизатори. Примери за тях са дадени в табл. 5, като всички могат да се управляват с PMBus, а тези в редове 4 и 5 са съвместими с PMBus, но се управляват от I2C. Двата специфични параметъра в предпоследната колона на таблицата са максималнотоковата защита (ОСР) и температурната защита (ОТР). Модулите се изключват при достигане на показаните стойности. Част от параметрите са дадени в определен интервал, което означава, че (с изключение на VIN) се задават чрез PMBus. До 7 броя от модулите в редове 1 и 2 могат да се свързват успоредно. Модулът в последния ред на таблицата е двоен, т. е. съдържа два еднакви стабилизатора с дадените параметри и с независимо управление. В него се измерват и стойностите на Io и температурата на прибора.




Новият брой 2/2018

брой 2-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top