Alimentação DC controlada analogicamente vs. digitalmente
Os benefícios do controle digital para conversão de potência
Microchip Technology dsPIC33C Digital Power Starter Kit
O tamanho compacto e o custo-benefício das fontes de alimentação de modo comutado (SMPSs) as tornaram peças fundamentais para conversão de energia eficiente. Os designs tradicionais de SMPS são puramente analógicos, pois são simples de implementar e ajudam a maximizar a eficiência da fonte de alimentação. As últimas duas décadas viram o surgimento de métodos de controle digital e controladores de sinais digitais (DSCs), baseados em microprocessadores de uso geral ou dedicados, processadores de sinais digitais (DSPs) ou dispositivos lógicos programáveis ​​para projeto SMPS. A flexibilidade do projeto, o desempenho superior e o baixo custo inerente aos sistemas de controle digital aumentaram significativamente a popularidade dos controladores digitais. Este artigo tem como objetivo ilustrar o escopo, os benefícios e o desempenho das fontes de alimentação digitais em relação à sua contraparte analógica. A comparação quantitativa também abrangerá uma visão geral de um kit inicial de energia digital pronto para o mercado para dispositivos SMPS.
Qualquer conversor digital de energia emprega uma combinação de circuitos analógicos e digitais. Um "controle de energia digital" refere-se à implementação de circuitos digitais dentro do circuito de controle interno de um conversor de energia, em vez de esquemas analógicos. A Figura 1 ilustra um diagrama de bloco de fonte de alimentação CA-CC analógica e digital de dois estágios genéricos de alto nível. O conversor front-end aumenta o circuito de Correção do Fator de Potência (PFC), enquanto o segundo estágio é um conversor de ponte completa com deslocamento de fase DC-DC. O trem de força, os circuitos de acionamento e os circuitos de realimentação são elementos comuns das fontes de alimentação analógicas e digitais. O power train analógico dedicado e os circuitos de manutenção podem ser combinados em um único dsPIC DSC para a versão digital desta fonte de alimentação.
Figura 1: Um diagrama de blocos de alto nível de uma fonte de alimentação analógica e digital AC-DC de dois estágios (Fonte da imagem: Microchip)
Uma fonte de alimentação analógica típica usa um MCU para cumprir seus requisitos de gerenciamento de energia. Este MCU transmite os parâmetros do sistema local para um controlador mestre ou registrador de dados. No entanto, tal configuração requer interfaces de hardware suplementares entre o MCU e os circuitos de conversão de energia para medir e gerar dados de parâmetros do sistema.
Por outro lado, uma fonte de alimentação digital elimina a necessidade de qualquer circuito adicional, pois o DSC já mediu todos os parâmetros do sistema. Um DSC é um chip único que combina recursos de controle de um microcontrolador (MCU) com as habilidades de computação e taxa de transferência de um DSP em um único núcleo. Os parâmetros podem ser armazenados na memória do DSC e transmitidos ao sistema remoto, utilizando periféricos de comunicação no chip. Uma simples rotina de software também pode fazer qualquer modificação na operação do sistema sem hardware adicional.
Uma fonte de alimentação digital oferece vantagens significativas sobre sua contraparte analógica. As fontes de alimentação digitais oferecem menor custo, maior desempenho, maior eficiência e maior densidade de energia. Vamos discutir esses benefícios nesta seção:
Custo mais baixo: Como vários blocos de controlador analógico podem ser integrados ao DSC, o desempenho do sistema pode ser aprimorado com a redução simultânea da complexidade do sistema e dos custos da lista de materiais (BOM). A Figura 2 mostra as diferenças entre os componentes típicos de fonte de alimentação analógica e digital. O controlador analógico (indicado por setas) precisa de conexões suplementares. Uma consequência da digitalização é a diminuição da contagem de componentes. Isso ajuda a obter layouts mais simples, tamanhos de PCB menores, custos reduzidos de fabricação e montagem de PCB e melhor qualidade e confiabilidade do produto.
Figura 2: Circuito típico de palco analógico e digital (Fonte da imagem: Microchip)
Eficiência aumentada: O DSC usado para construir uma fonte de alimentação digital tem a vantagem de ter periféricos de alto desempenho integrados, como o gerador PWM, o ADC e o comparador, e o mecanismo DSP de alto desempenho. A combinação desses recursos permite que os engenheiros de fontes de alimentação implementem muitos algoritmos digitais em um único DSC. O desempenho do sistema é assim aumentado, com maior eficiência energética.
Densidade de Potência: Uma das principais tendências do mercado de conversão de potência é o aumento da densidade de potência, na forma de uma escalada contínua na potência gerada por componentes cada vez menores. Os controladores digitais oferecem benefícios aqui, devido à sua capacidade de integrar várias funções. É possível implementar muitos algoritmos de controle no DSC e controlar vários conversores com outras funções auxiliares.
Versatilidade: Uma solução analógica é hard-wired, enquanto um DSC é totalmente programável. A programabilidade do código é particularmente essencial durante o ciclo de produção. Testes de pós-produção podem ser realizados baixando um programa de teste no chip. Isso adiciona a versatilidade dos testes para verificar a funcionalidade e o desempenho. A programabilidade do Flash permite que os usuários alterem a versão final do código, rastreiem todos os possíveis bugs ou personalizem as solicitações de última hora do cliente após a conclusão geral do projeto.
Monitoramento e Proteção: Um requisito essencial em sistemas de energia é o gerenciamento das condições de falta. Em um sistema de fornecimento de energia, algumas verificações típicas são realizadas para garantir que todo o sistema funcione normalmente, não produzindo condições de sobretemperatura, sobrecorrente ou sobretensão. O periférico de gerenciamento de falhas na fonte de alimentação digital é totalmente programável, permitindo que os projetistas de fontes de alimentação selecionem entre o monitoramento ciclo a ciclo. Um controlador digital toma nota de todas as condições de falha em todo o sistema e reage quase instantaneamente à falha, independentemente da localização da falha.
Comunicação: A mudança para o digital também traz benefícios em termos de comunicação. Os parâmetros podem ser configurados e alterados em tempo de execução e em tempo real, localmente ou a partir de uma unidade central remota. O comportamento do conversor também pode ser alterado dinamicamente por meio de código, se necessário. Novos lançamentos de código podem ser carregados local ou remotamente para atualizar o sistema, corrigir bugs ou adicionar funcionalidades. Em fontes de alimentação digitais, os parâmetros armazenados na memória DSC podem ser transmitidos para o sistema remoto usando periféricos de comunicação no chip, como SPI, I2CTm, UART ou CAN. O registro de dados local ou remoto pode ser usado naqueles sistemas onde a qualidade da energia produzida deve ser monitorada e relatada. Os dados podem ser registrados para condições operacionais juntamente com eventos de falha.
O Microchip Technology dsPIC33C Digital Power Starter Kit demonstra os recursos da família de dispositivos SMPS. Este kit possui controladores de sinal digital dsPIC33CK256MP505 integrados (DSCs). Estes consistem em um conversor Buck síncrono DC/DC independente, um conversor boost DC/DC independente, cargas resistivas independentes, LCD, circuitos de proteção, conversor/ponte USB/UART e circuitos integrados de programador/depurador que eliminam a necessidade de qualquer hardware adicional . A Figura 3 representa a vista superior do dsPIC33C Digital Power Starter Kit, com a lista de componentes marcada para cada seção na placa.
O dispositivo dsPIC33C controla os dois estágios de potência (Buck e Boost). A tensão de saída do Buck Converter (Buck Out) pode ser programada de saída de 1V a 3,8V, com uma tensão programada padrão de 3,3V. A tensão de saída do Boost Converter (Boost Out) também pode ser programada de uma saída de 10V a 17,8V, com uma tensão programada padrão de 15V.
O dispositivo dsPIC33 DSC apresentado no Digital Power Starter Kit é personalizado para fornecer controle eficiente e de baixo custo para uma ampla gama de topologias de fonte de alimentação. O dispositivo dsPIC33 DSC fornece a memória e os periféricos necessários para conversão ADC, geração de PWM, comparação analógica e E/S de uso geral, evitando a necessidade de executar essas funções em circuitos externos.
No dsPIC33C Digital Power Starter Kit, um microcontrolador PIC24F auxiliar controla as cargas e os circuitos de proteção. O microcontrolador PIC24F e o dispositivo dsPIC33C se comunicam por UART, trocando informações como temperatura de carga, status de carga e status de proteção. Um sensor de temperatura integrado está localizado na área das cargas resistivas, permitindo ao usuário programar um limite de proteção de temperatura e um desligamento à prova de falhas de alta temperatura.
A série dsPIC33C DSCs é ideal para uma variedade de aplicações de conversão e monitoramento de energia, como UPSs, inversores e unidades de gerenciamento de energia em equipamentos complexos, como copiadoras, switches de telecomunicações e roteadores, que exigem gerenciamento avançado de energia.