Mikrokontroléry a riadenie zdrojov spínacieho napätia; Elektronika - dnes
Úvod
Zdroje energie, ktoré sú neoddeliteľnou súčasťou väčšiny elektronických systémov, sú v súčasnosti významným trhom, ktorý rastie mimoriadnym tempom. Po mnoho rokov projekty napájania pozostávali z komplexnej kombinácie analógových a polovodičových komponentov. Zvyšuje sa podiel zdrojov spínacieho napätia (SMPS), ktoré nahradzujú tradičné lineárne zdroje.
Súčasné odhady v skutočnosti ukazujú, že viac ako polovicu výnosov od výrobcov napájacích zdrojov generuje predaj spínaných napájacích zdrojov.
Zdroj spínacieho napätia môže oproti lineárnemu zdroju ponúkať mnoho výhod, napríklad oveľa vyššiu účinnosť, väčšie prevádzkové rozsahy, nižšiu cenu, menšiu veľkosť, najmä pre aplikácie s vysokým výkonom. Mnoho výhod prepínacieho zdroja sa však dnes stalo bežným očakávaním výkonu zdroja napätia a dizajnéri sa snažia implementovať digitálne regulačné slučky, aby poskytli vyššiu účinnosť a výkon, znížili počet komponentov, zvýšili bezpečnosť a možnosť pridávať nové funkcie.
Čo je to zdroj spínacieho napätia?
Metódy riadenia zdrojov spínaného napätia
V spínacom zdroji sa riadiaca slučka, ktorá riadi PWM (modulátor) a synchrónne FET, zvyčajne vykonáva analógovými technikami. Bolo možné nahradiť tieto analógové techniky niektorými formami digitálneho riadenia, ale až donedávna boli náklady na tieto techniky a komponenty príliš vysoké, a to aj pre najšpeciálnejšie aplikácie.
Výsledkom je, že väčšina návrhárov SMPS stále nie je oboznámená s technikami digitálneho riadenia a snaží sa vyvinúť divergentné a dôverné riešenia analógových obvodov v snahe byť hospodárnymi a konkurencieschopnými na trhu spínacieho napätia.
Mikrokontroléry v schémach návrhu napätia
Okrem funkcií digitálnych regulačných slučiek si jednoduché mikrokontroléry už našli svoje miesto v mnohých schémach SMPS, ktoré poskytujú riadenie, monitorovanie, deterministické funkcie a komunikáciu (zvyčajne na základe I2CTM - napríklad štandardu PMBusTM). Na svojej najjednoduchšej úrovni môžu mikrokontroléry poskytovať veľa deterministických funkcií typu „ZAP./VYP.“ V systémoch napájania, ako napríklad plynulý štart, postupnosť pri spustení, monitorovanie napätia a detekcia/obnovenie poruchy. Niektoré projekty SMPS používajú na kontrolu riadiacej slučky mikrokontrolér, ktorý poskytuje proporcionálne riadenie pre existujúce vyhradené riadiace zariadenie. Pokročilé mikrokontroléry, špeciálne navrhnuté pre trh s napájaním, môžu poskytovať zmiešaný signál, zdroje na čipe, aby sa minimalizoval počet potrebných komponentov, a hrať čoraz aktívnejšiu úlohu pri riadení topológií riadiacej slučky SMPS. Avšak vo všetkých týchto prípadoch samotná riadiaca slučka zostáva analógovou funkciou, pretože mikrokontroléry nemajú taký výkon spracovania, aký je potrebný na efektívne digitálne riadenie slučky.
Výhody digitálnej regulačnej slučky
Medzi ďalšie výhody poskytované iba plne digitálnym riadením patria: schopnosť mať charakteristiku odozvy, ktorú nemožno získať v analógovej riadiacej slučke; rýchlejšia reakcia pomocou „predbežného načítania“ slučkového filtra. Okrem toho je možné ľahko poskytnúť funkcie ako: automatická kalibrácia systému, teplotná kompenzácia, vstupné napätie a zaťaženie, synchronizácia medzi konverziou napájania a vonkajšími udalosťami, možnosti rýchleho prepínania.
Integrovaná schopnosť spracovania vyžadovaná pre plne digitálny dizajn môže obsahovať ďalšie predtým spomenuté funkcie, ako napríklad: monitorovanie a odpojenie napätia v podmienkach prepätia alebo nízkeho napätia, diaľkové meranie, plynulý štart, postupnosť napájania, správa porúch, riešenie problémov prevádzka, ovládanie ventilátora, sériová komunikácia - nie je potrebný ďalší procesor.
Aj keď sú celkové výhody digitálneho riadenia veľmi jasné, náklady spojené s implementáciou viedli k obmedzeniu iba na tie aplikácie, ktoré skutočne vyžadovali pokročilé funkcie riadenia.
Implementácia ekonomickej digitálnej kontroly
Digitálne radiče signálu (DSC) - nová trieda vysoko výkonných mikrokontrolérov s integrovanou schopnosťou spracovania signálu - teraz poskytujú výkon spracovania potrebný na hospodárne zavedenie plne digitálnej riadiacej slučky pre väčšinu aplikácií napájania.
Kombináciou troch vyššie opísaných modulov sa pre spätnú väzbu napätia a prúdu získajú nízkolatenčné, veľmi flexibilné regulačné slučky s vysokým rozlíšením.
Nové zariadenia SMPS DSC kombinujú vysokovýkonné periférie s vysoko výkonným základným softvérom dsPIC, aby poskytli cenovo najefektívnejší spôsob implementácie digitálnej riadiacej slučky.
závery
Spínacie napájacie zdroje sú známe tým, že poskytujú vyššiu účinnosť, malú veľkosť a väčšiu flexibilitu ako lineárne napájacie zdroje. K takémuto systému sa často pridáva jednoduchý mikrokontrolér pre ďalšie ovládacie a komunikačné funkcie. Mikrokontrolér sa zriedka používal v riadiacej slučke, ktorá bola donedávna doménou analógových schém s rôznymi zložitosťami.
Zatiaľ čo výhody implementácie plne digitálneho riadiaceho obvodu možno rýchlo pochopiť, súčasná metóda implementácie zostala nákladnou a zložitou úlohou - a určite presahuje možnosti štandardného mikrokontroléra.
Preto bola vyvinutá nová trieda mikrokontrolérov s integrovanou kapacitou spracovania signálu, ktorá umožnila návrhárom napájania potrebnú rýchlosť spracovania. Pridaním špeciálnych periférnych modulov umožňujú tieto riadiace jednotky digitálneho signálu realizáciu zdrojov s vysokou účinnosťou a flexibilitou, ako aj celý rad funkcií, ktoré je možné v rámci zdrojov implementovať po prvýkrát.