Hibridni napajalniki – analogno, obogateno z digitalnim

microchip 300x74 - Hibridni napajalniki - analogno, obogateno z digitalnimMicrochip Technology Inc
Avtor: Arild Rodland
2020_287_13

Morda ste že opazili, kako vse več elektronskih naprav vsak dan bolj polni vaše življenje. Zdi se, da se naprave, ki so bile včasih čisto preproste in vsakdanje, zdaj razvijajo v pametnejše in vsebujejo vse bolj zapletene tehnologije. Tudi vaša preprosta zobna ščetka ima že elektronsko sestrično, ki je motorizirana in povezana z internetom – z zaznavanjem pritiska in vodenim časom ščetkanja – vse za vaš popoln nasmeh.

Nekatere naprave uporabljajo baterije, medtem ko so nekatere priključene neposredno na električno omrežje, vendar je za vse običajno, da potrebujejo napajanje. Če razširimo pogled na ves svet, lahko število naprav, ki jih poganja električna energija, štejemo v milijardah. Zato je razumljivo in zelo koristno, če vsaka naprava poskuša porabiti čim manj energije.

Povpraševanje po napajalnih napravah s pametnim upravljanjem je večje, kot je bilo včasih, saj sodobne aplikacije običajno preidejo iz porabe nekaj milivatov, ki jih imajo v stanju pripravljenosti, na porabo, ki lahko znaša na stotine vatov. Za podporo takemu širokemu načinu delovanja niso več primerni tradicionalni napajalniki, ki delujejo v stikalnem načinu. Potrebujemo napajalnik, ki lahko tudi med samim delovanjem preklaplja med načini delovanja.

Tradicionalno so bili napajalniki izvedeni kot analogna rešitev, bodisi z uporabo diskretnih komponent, bodisi z analognimi napajalnimi integriranimi vezji, skupaj s podpornimi komponentami. Tako je bil celoten sistem krmiljenja izveden kot analogna povratna zanka. Prednost tega je, da so ti sistemi precej poceni in enostavni za načrtovanje. Na voljo je velika izbira ASIC rešitev za stikalne napajalnike, ki so prilagojene najpogostejšim primerom uporabe, vendar se mnoge od njih ne morejo prilagoditi spremenjenim potrebam sodobnih pametnih naprav.

Digitalni napajalniki na drugi strani so zelo zmogljivi. Popolnoma digitalni napajalniki digitalizirajo vse vhodne signale in posledično se vsa obdelava signalov opravi v digitalni obliki. Za to obliko krmiljenja so za nadzor potrebne velike računalniške zmogljivosti, kar je že tradicionalno v domeni namenskih DSP-jev in mikrokontrolerjev z visokimi računskimi zmogljivostmi. Digitalni napajalniki imajo številne prednosti pred analognimi rešitvami. Z lahkoto se lahko prilagodijo različnim topologijam in jih lahko zlahka prilagodite in nastavite delovanje za največjo učinkovitost. Glavni pomanjkljivosti popolnoma digitalne rešitve pa sta cena in zapletenost razvoja.

Na eni strani imamo torej analogne napajalnike, ki so hitri in poceni, vendar ne slovijo po svoji prilagodljivosti, na drugi strani pa imamo digitalno napajanje, ki je zelo prilagodljivo in zmogljivo, hkrati pa tudi bolj zapleteno in precej drago.

Ali ne bi bilo čudovito, če bi obstajala še neka tretja možnost, ki bi združevala prednosti analogne in digitalne rešitve napajalnika? Na sliki 1 je prikazan medsebojni odnos med analognimi, digitalnimi in hibridnimi rešitvami napajalnikov. Tu vstopijo v igro hibridni napajalni sistemi. V hibridni rešitvi napajalnika je povratna zanka analogna, vendar digitalno izboljšana. Tako hibridni napajalni sistemi združujejo digitalno logiko z analognimi vezji in tako izkoristijo prednosti obeh svetov v eni napravi. Digitalno izpopolnjena analogna zanka nam omogoča enostavno spreminjanje topologije ali časa delovanja, s čimer lahko prilagodimo aplikacijo na najoptimalnejšo zmogljivost.

Na hitro si lahko ogledamo en primer, v katerem so lepo ponazorjene prednost hibridnih napajalnih sistemov.

V aplikacijah za polnjenje baterij morate strogo upoštevati lastnosti polnjenja za določeno vrsto baterijskih celic. Nekatere bodo v zgodnji fazi polnjenja potrebovale polnjenje s fiksnim in reguliranim tokom in ko se baterija približa točki, ko je že skoraj popolnoma napolnjena, mora napajalnik preklopiti iz režima krmiljenja toka na krmiljenje napetosti – kjer je regulirana napetost in se tok zmanjša.

Za hibridno rešitev napajalnika je to zelo preprosta naloga. Začnemo s krmiljenjem v tokovnem načinu in ko nastopi pravi trenutek, preklopimo na krmiljenje v napetostnem načinu. Strojna oprema in topologija ostajata enaki, vendar je za vsako krmiljenje vklopljeno ustrezno zaznavanje.

Kot je bilo že rečeno, hibridna rešitev temelji na digitalno izboljšanem sistemu analogne zanke. Celoten hibridni sistem napajanja je nastavljen tako, da deluje v od procesnega jedra neodvisnih perifernih napravah (CIP). Mikrokontrolerji s CIP napravami za hibridne napajalnike imajo napreden avtonomni PWM krmilnik, ki ga je mogoče konfigurirati za podporo širokemu naboru topologij in načinov upravljanja.

Slika 2 prikazuje zelo poenostavljeno ponazoritev CIP hibridnega krmilnika. Sestavljen je iz običajnega mikrokontrolerja in PWM krmilnika, ki lahko deluje popolnoma neodvisno od glavnega procesnega jedra mikrokontrolerja. Ta PWM krmilnik je razdeljen na tri glavne funkcije, kot je prikazano na sliki 3. Modulatorski blok je odgovoren za generiranje preklopnega signala za krmiljenje zunanjih napajalnih tranzistorjev. Odvisno od načina krmiljenja bo za uravnavanje delovnega cikla uporabil tokovno ali napetostno povratno vezavo. Vključuje tudi kompenzacijo naklona za boljšo stabilnost. Modul za obravnavanje napak je odgovoren za izklop napajanja v primeru kratkega stika ali previsokega toka.

Konfiguriranje celotnega sistema v en sam neodvisen modul je z vidika sistema velika prednost, saj napajalnik lahko deluje neodvisno, MCU pa lahko prosto uporabljate za funkcije na višji ravni, kot je komunikacija z glavnim krmilnikom, opravljanje krmilnih funkcij ali za zagotavljanje končnega nadzora PWM krmilnika.

V primeru LED osvetlitve je za doseganje prave barvne temperature potreben zelo natančen nadzor toka. Tudi temperatura okolice lahko vpliva na to, toda z mikrokontrolerjem v hibridnem napajalniku lahko mikrokontroler zlahka spremlja temperaturo okolice in jo ustrezno kompenzira.

Rečemo lahko, da za upravljanje RGBW LED traku skoraj vedno potrebujemo štiri neodvisne kanale in z zadovoljstvom boste ugotovili, da nekateri od teh hibridnih CIP krmilnikov vsebujejo štiri popolnoma neodvisne PWM krmilnike, ki jih je mogoče nadzorovati neodvisno drug od drugega. Poleg tega sploh ni potrebno, da imajo enako izhodno napetost. Ta vezja lahko uporabite v sistemu z 1,8 V, 3,3 V in 5 V napajanjem.

Izziv pri načrtovanju: Čim bolj preprosto
Mikrokontrolerji se običajno programirajo z uporabo višjih programskih jezikov, kot je na primer C, medtem ko načrtovalci napajalnikov običajno uporabljajo analogna simulacijska orodja za načrtovanje in odpravljanje napak pri načrtovanju. Običajno razvijalci programske opreme za mikrokontrolerje nimajo ali pa imajo zelo malo izkušenj pri načrtovanju napajalnikov, prav tako pa načrtovalci elektroenergetskih sistemov pogosto tudi nimajo dovolj izkušenj s pisanjem programske kode za mikrokontrolerje. To predstavlja izziv. Kako omogočiti izkušenemu oblikovalcu napajalnika, da bo lahko tudi sprogramiral in konfiguriral svoj hibridni napajalnik?

Rešitev je v zagotavljanju grafičnih orodij za razvoj, ki celotno konfiguracijo PWM krmilnika poenostavijo na le nekaj preprostih korakov. Razvojno orodje v ozadju ustvari vso potrebno programsko kodo za inicializacijo, ki je potrebna za nastavitev PWM krmilnika, na primer sinhronizacijska topologija z nadzorom najvišjega toka, ki vsebuje vse, pravilno modulacijo, kompenzacijo in zaznavanje napak.

Microchip ima v svoji ponudbi takšni liniji mikrokontrolerjev z oznakama PIC16F176x in PIC16F177x. Obe družini ponujata do štiri neodvisne PWM krmilnike, ki so v celoti podprti v spodaj prikazanem MPLAB® X grafičnem konfiguratorju programske kode. To orodje je zasnovano tako, da čim bolj ustreza razvijalcem analognih napajalnikov in je podobno načinu razvoja, kot ga običajno uberejo načrtovalci analognih napajalnikov. Namesto, da bi za konfiguriracijo registrov pisali programsko kodo v programskem jeziku C, je potrebno le izbrati topologijo napajanja, način krmiljenja in vnesti ustrezne vrednosti za preklopno frekvenco in največji dovoljen PWM delovni cikel. Za vse ostalo nato poskrbi konfigurator in ustvari potrebno programsko kodo za inicializacijo.

Moč te rešitve je v tem, da se med normalnim delovanjem v mikrokontrolerju ne izvaja nobena programska koda. Programska koda je potrebna samo za nastavitev vseh medsebojnih povezav v PWM krmilniku. Ko začne PWM krmilnik enkrat delovati, lahko deluje popolnoma neodvisno od jedra mikrokontrolerja.

Več informacij o CIP hibridnih krmilnikih napajalnikov je na voljo na spletni strani www.Microchip.com.

Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.

www.microchip.com
Tags: