Digital Power

ПОДОБНИ СТАТИИ

Хидравлични и пневматични уплътнители

Стругове с автоматично зареждане

Тенденции при изпитването на умора

Микрообработка - технологии, инструменти, приложения

Най-интересните новости от electronica 2024

Стабилизатори с цифрова отрицателна обратна връзка

Стабилизаторите на постоянно напрежение, независимо дали са линейни или ключови, работят според отдавна известен принцип – чрез верига на аналогова отрицателна обратна връзка (АООВ) част от изходното им напрежение се връща в подходяща точка на схемата и се изработва непрекъснато изменящо се напрежение на грешката, което служи за стабилизиране на изходното напрежение UOUT.

Те представляват ключови стабилизатори, в които вместо АООВ е използвана цифрова отрицателна обратна връзка (ЦООВ), а принципът на действието им е изяснен на фиг. 1а. Тя е на понижаващ синхронен стабилизатор без галванично разделяне (Buck Regulator, Step-Down Converter), тъй като това е най-масовото приложение. Ключовете S1 и S2 са MOS транзистори, управлявани чрез ШИМ импулси, създавани в блок DPWM и подавани на гейтовете им чрез драйвера DR. Към това добре познато класическо свързване е прибавен блокът DIV, който взима частта UDIV от UOUT. В ключовите стабилизатори с АООВ напрежението UDIV се подава непосредствено на входа на блока за ШИМ и променя широчината на импулсите. Тук UDIV постъпва на входа на АЦП - ADC с изходно число МЕ, съответстващо на UOUT и постъпващо на входа на цифровия блок CONTR. В последния, най-напред МЕ се сравнява с число MREF, подавано отвън или записано в постоянна памет, предназначението на което е програмиране на стойността на UOUT. Например MREF може да са числата, фиксирани в нормите VID (Voltage Identification), използвани при захранването на микропроцесори.

Сравнително по-рядко за програмиране на UOUT се използва видоизменението на фиг. 1б. В него MREF се подава на цифровоаналогов преобразувател DAC, чието изходно напрежение се сумира с UDIV и резултатът се преобразува от ADC, за да се формира МЕ.

В CONTR разликата между МЕ и MREF (или само на МЕ при използване на фиг. 1б) се подава на задължителния PID компенсатор, който е широко използван в автоматиката и чиято работа се осигурява от генератор на тактови импулси с честота fCLK. Изходното число при постъпване на даден тактов импулс се определя от формулата

(1) Dn=a2Dn-2+a1Dn-1+b2En-2+b1En-1 +b0En,

в която En е число, съответстващо на разликата между ME и MREF по време на импулса. С En-1 и Dn-1 са означени съответно тази разлика и числото от компенсатора по време на предния тактов импулс и с En-2 и Dn-2 – стойностите по време на още по-предния импулс (всички те са записани в паметта на CONTR).

Числото Dn постъпва на входа на блока DPWM и определя продължителността ton и съответно коефициента на запълване d = tonfSW на изходните му импулси. Тяхната честота fSW, която е и честотата на ключовете S1 и S2 и съответно на стабилизатора, обикновено може да се програмира чрез интерфейсната шина СОММ (в стабилизаторите с АООВ това се прави чрез подходящо свързване на специални изводи или подбор на капацитета на външен кондензатор). Особено важно за работата на ЦС е, че коефициентите ai и bi в (1) също могат да се програмират чрез СОММ. Така при дадено En могат да се получат различни стойности на Dn. Смисълът на това е, че при определени индуктивност на бобината и капацитет и съпротивление на загубите на кондензатора програмирането на коефициентите минимизира продължителността на преходните процеси в стабилизатора и намалява или отстранява отскоците на UOUT при промяна на стойността му. Не е без значение, че това става още на ниво програмиране чрез съответния продукт, предоставян от производителя на ИС. Нещо повече, чрез графичен интерфейс програмирането е изключително улеснено.

Действието на ЦООВ за осигуряване на стабилно UOUT по принцип не се различава от това на АООВ. Например, увеличаването на UOUT води до нарастване на UDIV, получава се по-голямо число МЕ, намалява числото D на изхода на CONTR и съответно d на импулсите. Извън това съществуват няколко важни различия между ключовите стабилизатори с АООВ и ЦС. На първо място са дискретните стойности на ton, задавани чрез D. Промяна на D с 1 води до изменение на ton с Dton = 1/fCLK и на коефициента на запълване с Dd = fSW/fCLK. Например при понижаващ стабилизатор изходното напрежение е UOUT = dUIN и следователно се променя със стъпка DUOUT = fSWUIN/fCLK, вместо плавното изменение при стабилизатор с АООВ. За получаване на малка стъпка трябва fCLK >> fSW, което е едно от основните изисквания при ЦС. Например, стабилизатор с UIN = 12V, fSW = 100 kHz и fCLK = 10 MHz има стъпка DUOUT = 0,12 V. За регулиране на UOUT между 0 и 7 V са необходими 58 стъпки, т.е. 6-разреден АЦП. При fSW = 40 kHz стъпката става 48 mV, т.е. ЦС се приближава до поведението на този с АООВ и АЦП трябва да е 8-разреден, но пък L и С са с по-големи стойности. Това означава, че намаляването на Dd е по-добре да се прави чрез увеличаване на fCLK. За това, обаче, има сериозни ограничения, чието намаляване е свързано с повишаване на цената на ЦС. При промяна на UOUT най-напред на ADC е необходимо време tCONV, за да го преобразува в числото МЕ. Следва времето tPID за изпълняване на програмата за формиране на числото D в PID компенсатора и накрая времето tR за задействане на драйвера DR и смяна на състоянието на ключовете. По принцип, най-голямо е tPID, а сумата ts от тези времена е прието да се нарича разрешаваща способност (Resolution) на ЦС. Тя трябва да е десетина пъти по-малка от периода TCLK = 1/fCLK на тактовите импулси, за да се гарантира стабилната работа на ЦС.

Друга специфична особеност на ЦС е влиянието на дискретния характер на d върху точността на поддържане на изходното напрежение, което най-лесно се изяснява с пример. Нека ЦС с fSW = 100 kHz и fCLK = 10 MHz да трябва да поддържа изходно напрежение UOUT = 2,85 V при UIN = 12 V. За целта е необходим d = UOUT/UIN = 2,85V/12V = 0,2375 и тъй като TSW = 1/fSW, продължителността ton е d x TSW = 2,375 ms. За нейното реализиране трябват n = ton x fCLK = 23,75 тактови импулса. Тъй като броят на тактовите импулси може да е само цяло число се приема nr = 24, което е аналогично на грешката на квантуване при АЦП. Това означава реална продължителност tonr = nr/fCLK = 2,4 ms, реален коефициент на запълване dr = tonr/TSW = 0,24 и реално изходно напрежение UOUTr = drxUIN = 2,88 V – ЦС ще поддържа това напрежение, а не 2,85 V.

(2) UOUTr = nrfSWUIN/fCLK.

Когато в процеса на работа на класически ключов стабилизатор се промени UIN, практически веднага се получава пропорционално изменение на d и се запазва стойността на UOUT. В ЦС това не е така. При изменение на UIN най-напред започва пропорционална и в същата посока промяна на UOUT и съответно на входното напрежение на АЦП. При обхват FS на последния (входното му напрежение за получаване на число 2n, където n е разредността), за да настъпи промяна на D с 1 и съответно ЦС да се задейства и възстанови изходното напрежение, е необходимо то да се измени с

(3) dUOUT = 100FS/(2nUOUT), %.

Реално това означава наличието на нежелани пулсации в изходното напрежение. Например, обхватът на 6-разреден АЦП със стъпка 0,12 V е 26 x 0,12V = 7,68 V и поддържането на UOUT = 2,85 V води до пулсации около тази стойност dUOUT = 4,21%.

Както е известно, в голяма част от ключовите стабилизатори с АООВ продължителността на импулсите зависи и от големината на тока през ключовете. За реализация на същата възможност в ЦС се използва допълнението към основната схема от фиг. 1а, дадено на фиг. 2. Прибавен е резисторът Rs, върху който токът IOUT създава напрежение RsIOUT. Чрез мултиплексора MUX неговото подаване на ADC се редува с това на UDIV. В CONTR съответстващото му двоично число се сравнява със зададена стойност на изходния ток, например IOUTmax.

ЦС могат да работят самостоятелно, при което шината СОММ не е необходима. В повечето случаи те се свързват с нея към управляващ блок или външно устройство, при което обменът на данни по СОММ се извършва чрез някой от масово използваните интерфейси (I2C, SPI, CAN) или чрез специално разработения за захранващи устройства протокол PMBus. Той се основава на индустриалния интерфейс SMBus, като използва неговите три сигнала (фиг. 3) – тактови импулси (Clock), за обмен на данни (Data) и алармен (SMBAlert). Последният се предава от ЦС към управляващия блок и позволява всеки ЦС да прекъсне работата на блока. Към тях протоколът PMBus изисква прибавянето на още два сигнала. Единият е управляващ (Control) и чрез съвместното му използване с Data осигурява включването и изключването на ЦС от управляващия блок. Другият е за защита на записа (Write Protect, WR) и не е задължително да се подава от управляващия блок. Чрез него се забранява изтриването на данните от паметта на даден ЦС. Важна особеност на протокола PMBus е, че той позволява ЦС да се включват и без него.

Предаването на данни по проводника Data е с байтова организация. Първият байт съдържа адреса, т.е. възможно е управляването на 256 устройства. Вторият байт е за командите, чийто брой е около 100, но към тях могат да се прибавят и нови. Част от командите обхващат следенето на изходното напрежение и ток, на входното напрежение и средната стойност на входния ток, на температурата, както и на други постоянни напрежения. Друга част е за задаване на ограничения на стойностите на максималното изходно напрежение (VOVP), максималния изходен ток, максималната изходна мощност, минималното и максималното входно напрежение, максималния входен ток, максималния импулсен ток през ключовете, минималния и максималния коефициент на запълване на импулсите и други. При това командите са прости и не създават затруднения при програмирането. Например, за задаване на последователността на установяване на изходните напрежения на няколко ЦС е достатъчно да се програмират с една команда времената на включване на напрежението след получаването й. По същия начин чрез друга команда се установяват времената на бавния старт.

Независимо че DP е в началото на своето съществуване, вече има твърде много ИС. Основната част от тях са за ЦС и съдържат различни блокове на фиг. 1, като могат да бъдат разделени на две групи. Първата са мощните стъпала (Integrated Power Stage, Digital Control Compatible Driver) PS, които задължително съдържат DR, но в немалко случаи включват ADC и ключовете S1 и S2. Стъпалата се различават твърде много от класическите ИС на драйвери за мощни MOS транзистори, главно заради допълнителните си функции, някои от които са непознати при стабилизаторите с АООВ. Една от тях е адаптивното задаване на изходното напрежение (Adaptive Voltage Positioning) AVP. Както е известно, UOUT на какъвто и да е стабилизатор се определя от израза

(4) UOUT = UOUTo – ROUTIOUT,

в който UOUTo и ROUT са съответно изходното напрежение при празен ход и изходното съпротивление, а графиката UOUT (IOUT) е известна като товарна права. Функцията АVР позволява да се програмира стойността на ROUT, с което се удовлетворяват изискванията на потребителите (например нормата VRM9 изисква ROUT да е 0,95 mW, а нормата VRD10 – да е 1,35 mW). Освен това от UOUTo може да се изважда програмируемо напрежение (например от 0 до 50 mV), т.е. да се транслира товарната права. Обикновено програмният продукт на даден тип ИС позволява при разработка на ЦС с нея тази права да се получи на екрана на персонален компютър. Друга функция може да е класическото задаване на максималната стойност на IOUT чрез външен резистор.

На фиг. 4 е дадена структурата на серията ИС UCD7K на Texas Instruments, чийто драйвер осигурява ток до ±4 А (влизащ и излизащ) за захранване на външните ключове с честота fSW до 2 MHz. Блокът I-Limit е за класическата максималнотокова защита с външен резистор, а вграденият линеен стабилизатор осигурява захранването на всички блокове на ИС. Захранващото напрежение на ИС може да е между 4,5 и 15,5 V. Възможно е използване на серията и в многофазни ключови стабилизатори чрез поставяне на една ИС във всяка фаза.

Друго мощно стъпало е ИС ISL6580 на Intersil с вградени два АЦП (за следене на UOUT и IOUT) и на ключа S1 на фиг. 1а. При fSW между 250 kHz и 1 MHz с нея се реализират ЦС с ток до 25 А. Особеност е необходимостта от 3 захранващи напрежения.

Контролерът UCD9110, също на TI, е с повишена сложност и съдържа блоковете CONTR, DPWM и ADC на фиг. 1а. Продължителността на изходните импулси се изменя със стъпка Dton = 150 ps, а ADC е 16-разреден с време на преобразуване 50 ns. Програмата за работа на ИС и данните от нея се записват във флаш памет. По шината COMM може да се работи в съответствие с PSBus.

Предназначението на контролера ZL2005 на Zilker Labs е за работа с външен микроконтролер или DSP, като връзката им се прави чрез интерфейса I2C или SMBus, както и в съответствие с протокола PMBus. В ИС са включени всички блокове на фиг. 1а без CONTR. Чрез нея могат да се реализират ЦС с UIN между 3 и 14 V и UOUT от 0,6 до 5,5 V с точност ±1%. Вградените драйвери могат да управляват външни MOS транзистори за получаване на IOUT до 25 А. Когато този ток е между 4 и 20 А, к.п.д. на ЦС е не по-малък от 90%.

Типичен контролер за ЦС е LTC7510 на Linear Technology. Той съдържа всички блокове на фиг. 1а без DR, като шината СОММ работи в съответствие с PMBus. Следенето на IOUT се извършва според фиг. 2, но освен това се определя и околната температура чрез външен диод за осигуряване на температурна компенсация. Стойността на UOUT на ЦС с контролера може да е между 0,7 и 3,6 V, а fSW е от 150 kHz до 2 MHz. Контролерът може да се използва и в многофазни ЦС.

Специфична особеност на серията контролери Si8250, Si8251 и Si8252 на фирмата Silicon Laboratories е, че се състоят от две обособени части. Едната съответства на CONTR на фиг. 1а и е наречена System Management Processor. Той включва микроконтролер тип 8051 и необходимите памети. Вграден АЦП може да следи до 10 постоянни напрежения и температурата на чипа, а цифровите блокове на ИС включват четири 16-разредни таймера и интерфейсите SMBus и UART. Втората част на ИС е Control Processor и включва блокове ADC и DPWM на фиг. 1а, както и блок за ограничаване на импулсната стойност на IOUT.

Всички блокове на фиг. 1а, с изключение на DR, са включени и в ИС РХ3532 на Primarion, която съдържа неизтриваема памет. Предназначението на ИС е за обикновени и двуфазни ЦС, като осигурява UOUT от 0,5 до 1,59375 V, програмируемо със стъпка 12,5 mV. Чрез нея могат да се управляват мощни стъпала за IOUT до 60 А. Шината СОММ работи с интерфейса I2C. Захранващото напрежение на ИС е 3,3V, а честотата fSW – от 300 kHz до 2 MHz. Подобна е РХ3535, но тя е за ЦС с 2 до 6 фази, осигуряващи UOUT в съответствие с нормите VR10.x на Intel и тези на AMD. При използване на подходящи мощни стъпала може да се осигури IOUT до 200 А. Управлението е чрез I2C и SMBus, а fSW може да е между 300 kHz и 1,5 MHz. За 1 до 6 фази е предназначена РХ3538 със същия IOUT и fSW между 100 kHz и 2 MHz. Тя осигурява UOUT в съответствие с нормите VR10.x и VR11.0 на Intel, тези на Ararat и 5- и 6-разредните VID норми на AMD. Практически същата, но само за 4 фази, е РХ3539.

Контролерът МАХ8688 на MAXIM включва DAC на фиг. 1б и блоковете на фиг. 1а без CONTR и DR. При това DAC и ADC са 12-разредни, а UOUT се поддържа с точност ±0,2%. Освен IOUT се следи и температурата на платката. Практически всички описани възможности на ЦС се осигуряват чрез PMBus. За свързване в системи контролерът има 7-разреден адрес.

Основното предназначение на контролера ISL6595 на Intersil е за ЦС с 1 до 6 фази при fSW между 100 kHz и 2 MHz. Той съдържа всички блокове на фиг. 1а без DR. Основно поддържа нормите VR10.x и VR11.0 на Intel и 5- и 6-разредните VID норми на AMD. Управлява се чрез I2C и работи с едно захранващо напрежение 3,3 V. Реализира практически всички описани възможности на ЦС.

Серията dsPIC30F1010, dsPIC30F2020 и dsPIC30F2023 на компанията Microchip е към категорията DSC поради многото възможности, които предлага. В ИС на серията се съдържат всички блокове на фиг. 1а без DR. Използван е 10-разреден ADC с 12 входа, четири блока DPWM, всеки с по 8 изхода и стъпка на изменение на ton, равна на 1,1 ns. Шината СОММ работи с интерфейсите I2C, SPI и UART. Блокът CONTR е много мощен – работи с 16-разредни данни при честота до 30 MIPS и съдържа необходимите памети. Захранването на ИС се осигурява от постоянни напрежения 3,3 V и 5 V.

Единствената им съществена разлика от добре познатите захранващи модули е използването при реализацията на DP. Изходното напрежение на някои от тях дори не се програмира от външно устройство, а по класическите начини чрез свързване на съответните изводи. Мощните транзистори са вградени в по-голямата част от модулите, а сравнително по-рядко се свързват външно. Някои производители на модули предлагат и специални ИС на контролери за управлението им. Например, чрез ZM7300 на Power One (наречен Digital Power Manager) могат чрез интерфейса I2C да се управляват до 32 модула от серията Z-7000.

Друг пример е контролерът PS-2606 на Potentia Semiconductor, който чрез интерфейса I2C може да управлява до 6 модула без галванично разделяне между входа и изхода. Той има 4 входно-изходни извода за подаване на разрешение за работа или за контролиране на изходните им напрежения.

Примери за модули с програмиране на изходното напрежение чрез свързване на резистори съм изводите са ZY1207 (IOUT до 7 А), ZY1015 и ZY1115 (IOUT до 15 А) и ZY1120 (IOUT до 20 А) на Power One. Всички те се могат да осигурят UOUT между 0,5 и 5,5V, при свързването им в система да работят като управляващи и управлявани и дистанционно да се включват и изключват.

Не са малко модулите, управлявани чрез интерфейса I2C. Пример е серията SIL15E-12M на Artesyn (Emerson Network Power). При входно напрежение между 10 и 14 V модулите позволяват програмиране на VOUT между 0,8 и 3,63 V с точност ±0,75% чрез резистор и чрез I2C. Максималната стойност на IOUT е 15 А, а работната честота е фиксирана на 200 kHz. Типичният коефициент на полезно действие е 92%, което е една от причините за малките размери на модулите. Характерен е гарантираният експлоатационен срок – времето до първата повреда е не по-малко от 410 години.

Серията VRM64 на Artesyn осигурява VOUT между 0,8 и 1,55 V, което се програмира чрез интерфейса SMBus със стъпка 25 mV. Модулът е 5-фазен с fSW = 830 kHz на фаза, VIN = 12V±10%, има IOUT = 80 А и типичен к.п.д. 84%.

Предлагат се и прибори за вграждане, които във фирмените каталози обикновено са в раздела за модули. Пример е серията iMP на Astec Power. Тя се захранва с напрежение 85-264 V и честота 47-440 Hz и има VOUT 2-5,5V или 6-60V. Чрез I2C се програмират VOUT, последователността на включване и изключване на напреженията на изходите, максималният изходен ток за включване на защитата, времето за включване и изключване на прибора от мрежата и максималната температура във вътрешността му.

Подобряването на cosj в импулсните захранвания има важно значение за намаляване на загубите на енергия и съответно за повишаване на к.п.д. Поддържането на минимална фазова разлика между мрежовото напрежение и ток може сравнително лесно да се реализира чрез използване на специализираните контролери за DP, наричани Digital Power Controller. Пример е FMS7401 на Fairchild, в който е вграден 8-разреден микроконтролер, 8-разреден АЦП с 5 входа, 12-разреден блок за ШИМ и необходимите памети.