Digitálisan javított DC/DC-vezérlők igényes PoL-alkalmazásokhoz

Andy Reiter, teljesítményelektronikai műszaki üzletfejlesztési vezető – Microchip Technology Inc., Európa

A terhelés közelébe telepített (Point-of-Load) tápegységek számos előnnyel rendelkeznek a hosszú kábelezéssel összekapcsolt, szeparált tápegységekkel szemben. Az ilyen beépített tápegységmegoldások sokszor összetett tápellátó rendszereket alkotnak, amelyek önálló vezérlést is igényelnek. E megoldások részleteit járja körül a Microchip Technology szakértőjének írása.

Bevezetés

Sok rendszerben mikrokontrollerekkel vezérlik a többszörös PoL DC/DC-konverterek indítási viselkedését, felügyelik villamos paramétereit, és gazdálkodnak a perifériális alrendszer energiafogyasztásával. A leginkább kifinomult megoldások a számítógépek alaplapjain, grafikus kártyákon vagy moduláris informatikai rendszerek CPU-fiókjaiban találhatók, ahol a feszültségszabályozó modul (Voltage Regulator Module – VRM) közvetlenül kommunikál a terheléssel a tápfeszültség beállításával kapcsolatban, és/vagy a vezérlési karakterisztikát a pillanatnyi működési körülményekhez igazítja. Ennek az „intelligens” energiaellátás-menedzsmentnek és szabályozásnak jelentős előnyei vannak a teljes rendszer energiahasznosítása, teljesítménye és megbízhatósága szempontjából. Ez pedig az ipari, orvosi, automotív és fogyasztásicikk-piacon egyaránt nagy fontosságú.

     Mivel a Microchip Technology Inc. csaknem egy évtizede az intelligens – más néven „okos” – energiaátalakító alkalmazásokra koncentrál, egyre több – és továbbfejlesztett – képességet épít be  villamosenergia-átalakító eszközeibe. Az egyik ilyen hangsúlyos tulajdonság az energiakonverterek/inverterek teljes digitális vezérlése DSP-alapú, nagy teljesítményű mikrovezérlőkkel (MCU) és azok gyors és nagy felbontású perifériáival, továbbá célfeladatra fejlesztett vezérlőcsaládokkal vagy mikrovezérlők és teljesen analóg működésű szabályozóhurkok kombinációjából kialakított hibrid vezérlőrendszerekkel. Az egyes megoldásokat alaposabban megvizsgálva nyilvánvalóvá válik, hogy sem az analóg alapú hibrid, sem pedig a teljesen digitális megoldások nem 100%-ig analóg vagy 100%-ig digitális jellegűek. Mindegyikük esetében égetően szükséges az analóg vagy digitális ellenpárjuk kialakítása annak érdekében, hogy bizonyos korlátozásokat megkerülhessünk. Következésképpen mindegyiknek megvannak a sajátos, bizonyos alkalmazások esetén különösen hasznos előnyei. Az „okos” energiaátalakítási technológiát megvalósító MCP191xx-termékcsalád éppen ilyen intelligens energiakonverterek előállítására alkalmas, mivel mind az energiaátalakító áramköri topológia, mind pedig az alkalmazás igényeire tekintettel fejlesztették ezeket.

     A termékcsalád első tagja, az MCP19111 egyetlen monolitikus integrált áramkörben egyesíti egy jó minőségű analóg szinkron feszültségcsökkentő DC/DC-konverter vezérlőjét egy 8 bites MCU-val, amely kibővített, rugalmas konfigurációs, vezérlési ás felügyeleti képességekkel rendelkezik. Ezenkívül lehetővé teszi akár szabványos, akár egyedi kommunikációs eljárások integrációját, amely feltétlenül szükséges ahhoz, hogy több feszültségátalakító konvertert egyetlen, magasabb szintű tápfeszültség-menedzsment rendszerben fogjunk össze. A korábbi, hibrid PoL-vezérlőkkel ellentétben az MCP19111 C-nyelven szabadon programozható. Ez az előny teljes flexibilitást ad ahhoz, hogy az eszközt a legkülönbözőbb alkalmazási követelményekhez illeszthessük, továbbá általános felügyeleti funkciókat vagy speciális, alkalmazásfüggő képességeket valósíthassunk meg. A bemeneti feszültség széles tartománya (4,5…32 V) és az akár 0,5 V-ig is lecsökkenthető kimeneti feszültség, illetve a 2 A forrás- és 4 A nyelőáram-terhelhetőség az alkalmazások széles körében kínál megoldást. 

Bővülő digitális vezérlési lehetőségek

Ha a digitális vezérlő ugyanazon a csipen helyezkedik el, mint az analóg kapcsolóüzemű szabályozó, az analóg funkciók és a digitális vezérlés olyan szoros összefűzése válik lehetővé, amely közvetlenül, futásidőben teszi kezelhetővé a kompenzációs áramköröket, a kapcsolási frekvenciát, a holtidővezérlést, a rendszerszintű küszöbértékek és számos más jellemző beállítását.

Ezenkívül – mivel az MCU maga is része a kapcsolóüzemű szabályozó architektúrájának – feleslegessé válik a segédtápfeszültségek és külső MOSFET-kapcsolók alkalmazása. Az MCP19111 digitálisan bővített képességű analóg konvertervezérlő magas szintű tömbvázlatát az 1. ábra mutatja egy tipikus alkalmazási környezetben.

1. ábra Az alkalmazási környezetbe helyezett MCP19111 áramkör tömbvázlata

Ezen belül az analóg kapcsolóüzemű szabályozó szekció az analóg vezérlőhurok minden alkatrészét magába foglalja, a MOSFET-kapcsolók meghajtóit is beleértve, és tartalmazza az MCU működtetéséhez szükséges segédtápfeszültség előállítását is. Az integrált áramkör digitális szekciójában egy középkategóriás PIC12F MCU-processzormagot találunk 8 kB flash- és 256 bájt RAM-tárolóval. A digitális résznek továbbá 15 általános célú, digitális be- és kimenete is van, amelyből nyolcat analóg bemenetként is lehet használni. Ezeken kívül az áramkör egy FC/Smbus-alapú soros kommunikációs egységet, külső programmegszakítási lehetőségeket és három, tetszőlegesen használható időzítőszámlálót is tartalmaz. Számos olyan belső jel, mint például a bemeneti és kimeneti feszültség vagy az induktivitáson folyó áram mérése közvetlenül a csipen van megvalósítva, ezért nincs szükség külső huzalozásra vagy érzékelőelemek beépítésére. A digitális megvalósítás még az áram kitöltési tényezőjének leolvasására is lehetőséget ad, amely nagyon hasznos jellemző, amelynek megvalósítása egészen a közelmúltig – több műszaki okból – csak a teljesen digitális megvalósítású vezérlőkre volt jellemző.

A hatásfok maximalizálása

A digitális processzormag monolitikus integrációjából adódó, bővített felügyeleti lehetőségein kívül számos olyan paraméterhez enged közvetlen hozzáférést, amelyek másutt rendszerint a hardverben vannak fixen rögzítve, vagy a szilíciumban „elrejtve” nem férhetők hozzá. Ezek közt a leginkább figyelemre méltók a beállítható holtidő, a programozható kompenzáló áramkörök, a visszacsatolás belső kalibrációja, a programozható védelmi küszöbértékek, sőt, még az áram- és a feszültségszabályozási üzemmód közötti futásidejű átkapcsolás is.

Állítható holtzónák

A szinkron feszültségcsökkentő DC/DC-átalakítókban a felső- és alsóoldali kapcsolók átváltása közötti holtidő beállításának különösen nagy jelentősége van a rendszer teljes hatásfoka szempontjából. Ha az analóg vezérlőkben egyáltalán létezik holtidő-beállítási lehetőség, a tervező csak a lehetséges legrosszabb esetre vonatkozó forgatókönyvet veheti figyelembe, a legmagasabb hőmérsékletet és a legnagyobb terhelést feltételezve, amelyhez a maximális holtidő tartozik. Ezután nem tehet mást, mint hogy – például kondenzátorok és/vagy ellenállások beépítésével – fixen „programozza” ezt az értéket a hardverben. Ez a szükségesnél elkerülhetetlenül nagyobb mag- és diódaveszteségekkel jár, hiszen nagyon valószínű, hogy az áramkör sohasem kerül a feltételezett „legrosszabb eset” körülményei közé.

     A lehetséges jó megoldások egyike, hogy a holtidőt automatikusan a terhelés és a hőmérséklet által meghatározott optimumra állítjuk be. Annak a megoldásnak, hogy egy nullátmenet-detektort használjunk arra, hogy a kapcsolókat mindig az optimális holtidővel vezéreljük, sajnos, két okból is komoly akadályai vannak. Az első, hogy mindenféle nullátmenet-detektor komparátoron alapul. A leggyorsabb analóg komparátoroknak is tipikusan 15…20 ns a terjedési késleltetése, amely – mint az a 3. ábrán is látható – túl lassú ahhoz, hogy elérjük a kívánt optimumot. A második ok az, hogy a nullátmenet-detektor a kapcsolótranzisztorokból álló félhíd közös pontjára kapcsolódik, amelyen jelentős mértékű, nagyfrekvenciás kapcsolási zaj észlelhető. Ezek kiküszöbölése szűrő beépítését igényli, amely még jobban lelassítja a triggerjelet, és ezzel teljesen hatástalanná teszi az „elméletileg jó” megoldást.

     Amikor az analóg világ „csődöt mond”, meglehet, hogy a digitális tartomány kínál megoldást. A legegyszerűbb eljárás szerint a konverter külső körülményeinek figyelése és analízise alapján határozza meg azt a szükséges beavatkozást, amitől a megoldás stabilan képes működni. Ezt úgy lehet megvalósítani, hogy kivárjuk, hogy a konverter állandósult állapotba kerüljön, majd módosítjuk a holtidőt, miközben figyeljük a felsőoldali kapcsoló kitöltési tényezőjét. Ennek az eljárásnak – állandó feszültségű konvertereknél – az az elméleti alapja, hogy állandósult állapotban a felsőoldali kapcsoló relatíve legkisebb bekapcsolási időarányához tartozik a legnagyobb hatásfokú működés, mivel ebben a munkapontban lehet egy bizonyos mennyiségű kimeneti teljesítményt a szükséges minimális felvett teljesítmény árán előállítani (2. ábra).

 2. ábra Az automatikus holtidő-beállítás alapvető egyenletei  

A 3. ábra annak a laboratóriumi vizsgálatnak az eredményét mutatja, melynek során a holtidőt állandósult állapotban – egy bizonyos tartományon belül – folyamatosan az összes lehetséges értékére állítottuk be. A zöld vonal a holtidő értékét mutatja a felsőoldali kapcsolójel felfutó élétől számítva. A piros görbéről olvasható le a felsőoldali kapcsoló bekapcsolt állapotban töltött ideje a különböző holtidőértékeknél, a szaggatott vonal pedig ennek harmadfokú közelítése.

3. ábra Mérési eredmények a holtidő folyamatosan változó beállításánál, állandósult állapotban

A holtidő változtatásának szélső értékeit a rendszerjellemzők alapján, a legjobb esetre vonatkozó kombinációtól (legrövidebb holtidő) a legrosszabb esetnek tekinthető kombinációig terjedő tartományként határoztuk meg. A holtidőt 4 ns-os lépésekben változtattuk 90%-os terhelésnél (V_IN = 12 V, V_OUT = 3 V, I_OUT = 9 A). A diagram bal szélén a kitöltési tényező 1,394 μs-nál kezdődik, és a holtidő növekedésénél gyorsan zuhan. Ebben a tartományban a felső- és alsóoldali kapcsolók bekapcsolási ideje egymást átfedi, ezért a bemenetből felvett áram egyenest a föld felé záródik.

     Amikor a holtidő eléri a kb. 25 ns-os értéket, a bekapcsolási idő egy 1,384 μs-os minimális értéket vesz fel, majd – ahogy a holtidő tovább növekszik – ismét növekedni kezd. Ha egy futásidőben be nem állítható holtidejű áramkört készítenénk, a holtidőt legalább 70 ns-ra kellene választanunk a példánkban használt kapcsolótranzisztorokat feltételezve, és az ehhez tartozó tipikus bekapcsolási idő 1,395 μs lenne. A 2. ábra III. egyenletével összhangban a futásidőben nem állítható, valamint az optimalizált holtidő közötti különbség 11 ns. Első pillantásra ez nem tűnik túl soknak, mivel ez egy nagy kapcsolási frekvenciájú konverternél 0,9%-os hatásfok-növekedést jelent – ám ez azt jelenti, hogy a teljes hatásfok 92%-ról hozzávetőleg 93%-ra növekszik, ami már tisztes eredménynek számít. 

Beállítható kapcsolási frekvencia és kompenzáló áramkör

A rendszer további, nagyon kedvező lehetősége a kompenzáló áramkör és a kapcsolási frekvencia szoftveres beállíthatósága. Ez nemcsak az alapparaméterek indításkor történő megadását könnyíti meg, hanem futásidőben is lehetővé teszi azok módosítását. Ez – egészen mostanáig – csak a teljesen digitális vezérlők kizárólagos tulajdonsága volt. Az olyan kapcsolóüzemű konvertertopológiákban, mint a feszültségcsökkentő átalakító is, a teljesítményveszteség legnagyobb részéért a kapcsolási veszteségek felelősek. A hatásfok növeléséhez – különösen kis terhelések esetén – a kapcsolási frekvencia lecsökkentésével jelentősen javítható a konverter hatásfoka. Ha viszont a kapcsolási frekvenciát úgy csökkentjük, hogy közben a kompenzáló áramkör nem változtatható, hardveres megvalósítású, lecsökkenhet a szabályozó hurok amplitúdó- és fázistartaléka. Ennek hatását azzal egyenlíthetjük ki, hogy a rendszer hurokerősítését szükség szerint módosítjuk. Az MCP19111-nek külön regiszterei vannak arra a célra, hogy az impulzusszélesség-modulátor (PWM) feszültségváltozási sebességét be lehessen állítani, továbbá beállítható legyen az első pólus (az első töréspont) frekvenciája, a hurokerősítés és a töréspont utáni oldalmeredekség. Ezenkívül vannak regiszterek az erősítő ofszetjének és az áramérzékelő erősítésének beállítására is. Bár ez a technika a rendszerjellemzők alapos ismeretét tételezi fel, ez a rendszer esélyt ad a felhasználónak arra, hogy jelentős eredményeket érhessen el a hatásfok és a szabályozás stabilitása tekintetében. 

A hatásfok optimalizálása kis terheléseknél

Az aszinkron feszültségcsökkentő szabályozókban a szabadonfutó dióda teljesítményveszteségét a nyitóirányú feszültségesés és az áram szorzata adja. Mivel a dióda nyitóirányú feszültségesése állandóan jelen van és nem minimalizálható, egy további kapcsolót szokás beépíteni, amelynek nyitóirányú feszültségesése jelentősen kisebb, és arra használatos, hogy rövidre zárja illetve alkalmilag szinkron-egyenirányítóként helyettesítse a diódát. Ez az eljárás általánosan használatos akkor, ha 1 A-nél nagyobb a terhelőáram. Kis terhelésnél viszont – amikor az alsóoldali kapcsolón nagyon kis áram folyik, a szabadonfutó diódát megkerülő kapcsoló kapumeghajtó áramkörének teljesítményigénye meghaladja az elérhető megtakarítást. Annak érdekében, hogy további javulást érhessünk el az ilyen kis terhelésű üzemmódban, az MCP19111 rendelkezik egy ún. diódaemulációs üzemmóddal, amelyben az alsóoldali kapcsoló teljesen ki van kapcsolva. Amíg ez az üzemmód aktív, a letiltott kapumeghajtó nem vesz fel teljesítményt, és a MOSFET testdiódája[1] működik egyenirányítóként, minimális teljesítményveszteséggel.

     A részleges teljesítményveszteség csökkentésének és a teljes hatásfok növelésének a fentiekben ismertetett módja még hatásosabbá tehető például a Microchip Technology MCP870xx-sorozatú teljesítmény-MOSFET-jeinek használatával. Ennek az eszközcsaládnak a tagjai az alacsony FOM[2]-értéket a kaputöltés és a bekapcsolt csatorna-ellenállás különböző kombinációival állítják elő, és ezzel a félhíd „összesített” FOM-értékének optimalizálását is lehetővé teszik. Minél nagyobb az alsóoldali kapcsoló nyitásához szükséges kaputöltés, annál hatékonyabban növeli a hatásfokot az MCP19111 diódaemulációs üzemmódja.

A terheletlen működés optimalizációja

Az MCP19111 áram-üzemmódó vezérlőként nyújtja a legjobb teljesítményt normál működés közben. Ahhoz viszont, hogy az áram-üzemmódú vezérlés helyesen működjön, legalább egy minimális terhelőáramnak folynia kell. Amikor egy terhelés például alacsony teljesítményfelvételű, készenléti állapotba kapcsol, a konverter kimenetének fenn kell tartania a névleges kimeneti feszültséget, miközben a kimenőteljesítmény közel nulla. Ehhez általában az áram-üzemmódú konvertereket szokásos a terheletlen állapotban impulzusfrekvencia-üzemmódba[3] (Pulse Frequency Mode – PFM) kapcsolni. Ennek velejárója a kimeneti feszültség magasabb váltakozókomponens-tartalma, ráadásul a bemeneti feszültség változásának a kimenetre gyakorolt hatása könnyen túllépheti a megengedett értéket, és gyakran komoly EMI-problémák okozója is lehet. Ennek a – tipikusan áram-üzemmódú átalakítóknál előforduló – nehézségnek a megoldására az MCP19111 vezérlését egy bizonyos „ál-feszültségmódusú” működésre lehet átkapcsolni, amely a kimeneti feszültség és a rendszer stabilitásának javítására letiltja az áramszabályozó hurok működését.

Használhatóság és eszközrendszer

Az MCP19111 javított és bővített képességeinek impozáns méretű listája „megsemmisítő” számú opciót jelent, amelyeket konfigurálni kell a rendszer működésének optimalizálásához. Az MCU szabad programozhatósága további szabadságfokkal ruházza fel a rendszert. Ennek a „bőség zavarának” a megoldására a Microchip a 4. ábrán látható grafikus felhasználói interfészt (Graphical User Interface – GUI) bocsátja a felhasználó rendelkezésére. Ennek segítségével bizonyos paraméterbeállítások és konfigurációs műveletek programírás nélkül is elvégezhetők. Ez a GUI egy nyílt forráskódú firmware-rel működik együtt, amely módosítható és mintaként használható további, fejlett és önálló képességek kidolgozásához.

 4. ábra A konfigurációs grafikus felhasználói interfész (GUI)   

Ezen a konfigurációs interfészen kívül a Mircochip egy második GUI-t (5. ábra) is elérhetővé tett, amellyel a felhasználó a PMbus-protokoll segítségével közvetlenül kommunikálhat az eszközzel. Ez a GUI a Microchip PICkit Serial Analyzerével (DV164122 rendelési számú fejlesztési segédeszköz) működik együtt, amely egy általánosan használható, olcsó interfész az USB, valamit az UART/SPI/I2C soros protokollok között, és az eszköz működés közbeni megfigyelésére és hibakeresési funkciókra közvetlenül felhasználható.

5. ábra Az MCP19111 Pmbus™ vizsgálóinterfész

Összefoglalás

Bár az alkalmazott technikák java része ismert, és ezek közül több is megvalósult már létező alkatrészekben, az MCP19111-eszközcsalád új fejezet az intelligens kapcsolóüzemű szabályozók történetében. A különbség a szabad programozhatóságban és a célzott funkciók nagy számában van. Az „okos” energiaszabályozók világán belül az MCP1911 az első, amely igazán közel hozta egymáshoz az analóg és digitális vezérlési módokat, és azzal hárítja el azok alkalmazási nehézségeit, hogy minden beavatkozási lehetőséget hozzáférhetővé tesz a mérnök számára, és ezzel innovatív, hatékony, megbízható és nagy tudású Point of Load-tápegységek alapjául szolgálhat.

(forrás: www.microchip.com)

Még több Microchip Technology