Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
© Analog Devices Analys | 23 april 2014

Digital strömförsörjning utan testning av kod

Digital strömförsörjning blir allt populärare. Frederik Dostal, Analog Devices, har skrivit dagens kunniga gästartikel.
Digital strömförsörjning blir allt populärare. Detta har flera orsaker. I dag finns fler halvledare för digital strömförsörjning. Detta har bidragit till en minskning av kostnaden för dessa lösningar. En annan viktig orsak till den digitala strömförsörjningens frammarsch är dock att förtroendet för och kunskapen om digital strömförsörjning har ökat bland dem som konstruerar strömförsörjning.

Det finns många olika typer av digital strömförsörjning i dag. Skillnaden är vad den digitala funktionen bygger på. Styrprocessorer, mikroprocessorer, digitala signalprocessorer och t.o.m. elektriskt programmerbara grindmatriser kan användas. Inom ramen för varje typ finns produkter som är lämpliga för digital strömförsörjning. Produkten är lämplig om den har tillräcklig databehandlingskapacitet och rätt analoga gränssnitt. Databehandlingskapacitet är normalt inget problem att få tag på, men de analoga gränssnitten måste vara avsedda för just strömförsörjning.

Sådana gränssnitt är bland annat A/D-omvandlare och pulsbreddsmodulatorer. Dessa måste vara så snabba och noggranna att strömförsörjningen får en stabil reglerkrets och ett godtagbart spänningsförsörjnings- och belastningstransient svar. Det är möjligt men vanligtvis rätt dyrt, utrymmeskrävande och svårt att lägga till sådana analoga gränssnitt till en digital kärnprodukt genom externa, diskreta A/D-omvandlare. Svårigheten är att välja lämpliga komponenter. Det kräver även kunskap om strömförsörjningssystem och goda kunskaper om A/D-omvandlare.

Ett mycket enklare och ofta optimalare alternativ är att välja en integrerad krets som är särskilt avsedd för digital strömförsörjning. I dag finns ett stort urval av sådana produkter på marknaden.

Lösningar med kodning och testning av kod

I denna grupp av tillgängliga lösningar programmeras den digitala kretsen med kod. Ofta används C-kod. Sådan kodning ger störst flexibilitet. Varje möjlighet konstruktören vill förverkliga kan implementeras, så länge det digitala kretssystemets kapacitet och det analoga gränssnittet tillåter detta. Denna enorma flexibilitet har ett visst pris. Man måste kunna programmera. Normalt har experter på strömförsörjning inte så mycket erfarenhet av programmering. Ibland består utvecklingsteamen av både experter på analog strömförsörjning och programmerare. Sådana utvecklingsteam kan fungera väl, men mycket ofta uppstår kommunikationsproblem inom teamet. Ofta kan inte programmerarna tillräckligt mycket om strömförsörjning för att snabbt hitta lämpliga lösningar.

Efter programmeringen måste man göra en ytterst noggrann testning. Inom strömförsörjningen kan en rutin som hänger upp sig eller odefinierade tillstånd få katastrofala följder. Det är tidskrävande, dyrt och kräver erfarenhet att kontrollera och även testa sådan programvara. På många konstruktionsområden, bland annat för bilar, inom det militära men även inom industrin, leder varje ändring av koden till ny omständlig testning.

Dessa nackdelar begränsar sådana lösningar till speciella situationer då största möjliga frihet krävs och då det saknas standardlösningar.

Lösningar utan kodning men med testning av kod

Vissa företag som säljer integrerade kretsar för digital strömförsörjning hjälper sina kunder med konstruktionen genom förprogrammerade programvaruverktyg. Det kan röra sig om kod som särskilt tas fram för strömförsörjningsfunktioner. Konstruktören kan sedan kombinera vissa av dessa programmoduler och konfigurera lösningen som helhet. Sådant programstöd kan även bestå av grafiska användargränssnitt (GUI) som kan vara relativt lättanvända. Dessa hjälper i hög grad konstruktören att ställa in den digitala strömförsörjningen på rätt sätt. De översätter konstruktörens sätt att tänka till instruktioner som den digitala kretsen förstår. Detta är ett värdefullt hjälpmedel, men resultatet av sådana verktyg är trots allt programkod.

Konstruktören har inte riktigt samma flexibilitet med denna metod. Om det förprogrammerade programvaruverktyget inte möjliggör en viss funktion blir denna svår att implementera.
Kodningen har visserligen förenklats, men omfattande tester måste ändå genomföras för att strömförsörjningen ska vara tillförlitlig. Även den slutliga koden måste genomgå en ytterst noggrann testning på samma sätt som nämndes tidigare.

Lösningar utan kodning och utan testning av kod

Det tredje sättet att konstruera digital strömförsörjning är att använda tillståndsautomatbaserade system med maskinvarukod. Ett sådant system konfigureras på förhand. Det enda konstruktören gör är att ställa in register i styrkretsens tillståndsautomat. Detta begränsar i viss mån flexibiliteten, men de flesta möjliga användningssätt har beaktats när styrkretsen konstruerades. Därför fungerar detta integrerade funktionssätt mycket bra i de flesta sammanhang. Dessa naturliga begränsningar gör det även mycket enklare och säkrare att arbeta med denna styrkrets. Om endast ett begränsat antal ”justerrattar” finns tillgängliga förenklas felkontrollen.

I figur 1 visas en typisk krets med den helt integrerade digitalt switchade DC-DC-styrkretsen ADP1051 baserad på tillståndsautomat.
I figur 1 visas en typisk krets med den helt integrerade digitalt switchade DC-DC-styrkretsen ADP1051 baserad på tillståndsautomat. Den används i en helvågslikriktartopologi för isolerad DC-DC-omvandling på några hundra watt.

Grafiskt användargränssnitt och genererade registerinställningar

I figur 2 visas en skärmdump av det grafiska användargränssnittet i ADP1051. Registret för tillståndsautomaten kan ställas in genom ett I2C-dataflöde, men det grafiska användargränssnittet förenklar processen avsevärt. Alla de möjliga inställningarna utförs enkelt på olika skärmar. I ett spionfönster har användaren full överblick över dataflödet mellan gränssnittet och styrchippet. I skärmdumpen i figur 2 visas som exempel inställningen av kompensationen för reglerkretsen. Poler och nollställen kan flyttas genom ett musklick. Olika kompensationssystem för olika driftbetingelser är möjliga.

I figur 2 visas en skärmdump av det grafiska användargränssnittet i ADP1051.
Typiska konstruktioner

I kretsen som visas i figur 1 används en ADP1051-styrkrets från Analog Devices för helvågslikriktad DC-DC-omvandling. Andra vanliga användningsområden är halvvågslikriktnings-, Two Switch Forward- och Active Clamp Forward-topologier. Till och med LLC-resonansläge stöds av dessa styrkretsar. För icke-isolerad strömförsörjning kan den nya ADP1055 användas i interfolierade synkrona spänningsregulatorer, vilket ger störst flexibilitet.

Andra tillgängliga styrkretsar som bygger på samma koncept är ADP1047/ADP1048 för effektfaktorkorrigering.

Samtliga dessa lösningar har I2C- eller t.o.m. PM-bus™-gränssnitt. Dessa används för att dynamiskt läsa information om feltillstånd eller realtidsinformation om spänning och ström i systemet. Det digitala gränssnittet används även för att ställa in och återställa vissa registervärden. Konstruktionen förenklas genom att alla tillståndsautomatbaserade styrkretsar har ett EEPROM som lagrar registervärdena. Detta förenklar starten av kretssystemet. En del av EEPROM-utrymmet kan t.o.m. användas för externa data, t.ex. drifttidsräknare för systemet. Ett externt flashminne eller extra EEPROM behövs inte.

De integrerade A/D-omvandlarna och pulsbreddsmodulatorerna är optimerade för strömförsörjning. Utspänningen mäts med både en mycket snabb A/D-omvandlare för bästa bandbredd i reglerkretsen och en mycket noggrann A/D-omvandlare för hög DC-noggrannhet. Resultaten från båda omvandlarna kombineras därefter digitalt. Konstruktören behöver inte bry sig om dessa funktionsblock. I figur 3 visas integreringen av ett noggrant utvalt analogt kretssystem och hur det kombineras med ett EEPROM och en digital styrkrets baserad på tillståndsautomat.

Fig. 3: Integrering av analoga gränssnitt med inre digital styrkrets
Särskilda fördelar inom industriell strömförsörjning

Digital strömförsörjning är särskilt vanlig i infrastruktur för telekommunikation. Redan för flera år sedan hade den digitala strömförsörjningens många unika funktioner ett tydligt systemvärde. Inom industriell strömförsörjning har tekniken knappt börjat användas än.

Drivkraften är maskinkommunikation och önskan att kommunicera status och tillstånd för strömförsörjningen i sig liksom kvaliteten på genererad busspänning och kvaliteten på inkommande AC- eller DC-spänning. Även kraven på effektivitet och tillförlitlighet är en stark drivkraft för digital strömförsörjning inom industrin. Digitala styrkretsar baserade på tillståndsautomat är lättanvända och kräver inte stora investeringar.

© Alla bilder, Analog Devices
Annons
Annons
Annons
Annons
Visa fler nyheter
2018-11-14 11:24 V11.8.1-2