Цифровое управление питанием приходит на смену аналоговому

Прежде всего, возникает вопрос — стоит ли вообще переходить от аналоговых методов управления питанием к цифровым? Простейший ответ на этот вопрос — в долгосрочной перспективе другого выбора у нас просто нет. Мы давно уже не можем отмахнуться от того факта, что окружающий мир все более оцифровывается. Цифровое телевидение, цифровое радиовещание и цифровая связь приходят на смену своим аналоговым видам, настал черед и цифрового питания.
Современные технологии с малыми топологическими уровнями предполагают малые напряжения при относительно высоких плотностях тока. При всем этом должен быть гарантирован высокий КПД. К тому же, новые типы нагрузок, например, сверхъяркие светоизлучающие диоды, характеризующиеся высокой эффективностью прямого преобразования электрической энергии в световую и высоким быстродействием, предъявляют особые требования к источникам управления питанием. Все более мощные процессоры и специализированные интегральные схемы (ИС) потребляют все большие токи в короткие промежутки времени, после чего переходят в режим экономии. При этом отклонение входных и выходных напряжений должно оставаться во все более узких рамках. Такие компоненты как DSP или FPGA требуют очень точных и сложных временных диаграмм при синхронизации и определенной последовательности включения и выключения преобразователей, локализованных к нагрузке. Все эти причины, которые усиливаются постоянным давлением с коммерческой стороны, заставляют разработчиков постоянно находиться в поиске новых и лучших методов электропитания.
Вместе с тем эти причины совершенно не обязывают нас переходить к цифровым контроллерам. Однако при попытке удовлетворить все эти требования аналоговые контроллеры быстро достигают предела своих возможностей, что диктуется, например, жесткими техническими условиями, используемой технологией, внутренней архитектурой и параметрами внешних компонентов. Какие-либо изменения в схемотехнике вызывают определенные трудности, например,  аналоговый котроллер с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией)  не может изменить свои характеристики сам по себе, т.к. его режим работы задается обычно внешними компонентами на печатной плате. Любая модификация требует времени — от трех месяцев до одного года и, конечно же, связанных с ней затрат, зачастую превышающих изначальный бюджет. Применение дополнительных внешних компонентов приводит к потере времени, дополнительным трудозатратам, большей занимаемой площади и более высокой вероятности отказа в работе.
В то же время цифровое исполнение схемы с заданными параметрами может быть осуществлено гораздо проще и с меньшими затратами по сравнению с ее аналоговым исполнением. Простоту схемотехники источника цифрового управления питанием удачно демонстрирует пример синхронного понижающего преобразователя с высокой интеграцией ZL2106 (см. рис. 1) от компании Intersil, управляемого через I²C-интерфейс и требующего минимального количества внешних элементов. Казалось бы, проще не бывает! Однако цифровые гибридные интегральные схемы (ГИС) ZL9101M, или так называемые цифровые модули, являются функционально завершенными источниками управления питанием и требуют при проектировании лишь нескольких конденсаторов для фильтрации. Такие модули имеют малые габариты — 15×15×3,5 мм, высокий КПД — до 95% и могут выдавать ток до 15 А.

Рис. 1. Цифровой преобразователь напряжения на основе ZL2106 от Intersil Zilker Labs

Характерным примером того, как быстро аналоговая система может достичь пределов своих возможностей, является проектирование и расчет схемы компенсации. В высокоэффективном регуляторе, управляемом напряжением, ШИМ-контроллер, МОП-формирователь и/или транзистор, катушка индуктивности, выходной конденсатор и сопротивление нагрузки образуют один реальный ноль и два комплексно-сопряженных полюса в передаточной характеристике замкнутой цепи, что в неблагоприятном случае приводит к нестабильной работе всей системы. В таких регуляторах очень часто используется схема компенсации 3-го типа (см. рис. 2) для того, чтобы достичь желаемой амплитуды и фазы в переходной характеристике источника напряжения и тем самым обеспечить необходимую стабильность, а также скорректировать полосу пропускания на высоких частотах.

Рис. 2. Схема компенсации 3-го типа

Соответствующая пара комплексно-сопряженных нулей в передаточной функции схемы компенсации 3-го типа могла бы скомпенсировать эти два нежелательных комплексно-сопряженных полюса выходной LC-цепи, но, к сожалению, схема компенсации 3-го типа состоит из резисторов и конденсаторов и вследствие этого имеет лишь реальные нули в передаточной характеристике:

В цифровых контроллерах коэффициенты полиномов передаточной функции H(z) рекурсивного фильтра записываются в регистр или память и могут принимать любые положительные или отрицательные значения, чем существенно облегчают синтез схемы компенсации для разработчика.
Если сравнить производительность цифрового и аналогового источников управления питанием, подразумевая одинаковые внешние элементы в узле мощности — одинаковые МОП-транзисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, то разница, на первый взгляд, будет небольшой, т.к. рабочие характеристики источника управления питанием задаются внешними элементами. Но и контроллер сам по себе оказывает огромное влияние на производительность системы. Ниже представлены некоторые сравнительные примеры поведения цифровых и аналоговых схем с учетом определенных параметров и характеристик.
– Переходная характеристика. Здесь имеются существенные отличия между различными архитектурами в зависимости от того, идет речь о контроллере управляемом напряжением или током. Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки. Цифровое решение позволяет без промедления и дополнительных затрат переключаться между различными архитектурами и тем самым оптимально реагировать на резкие и внезапные броски тока в нагрузке, в то время как аналоговые источники управления питанием являются оптимальным решением для одной определенной точки работы, но нагрузка, как известно, редко остается неизменной.
– Точность регулировки. Как правило, допустимое отклонение определяется напряжением, потребляемым током, импедансом нагрузки и окружающей температурой. Цифровые котроллеры позволяют не только осуществлять мониторинг выходных токов, напряжений и окружающей температуры, но и производить непосредственную подстройку цепи обратной связи в зависимости от нагрузки, температуры, тока и напряжения. Например, ZL2004-01 Intersil обеспечивает уникальную точность напряжения на выходе ±0,2% в заданной рабочей точке в промышленном диапазоне температур.
– Стабильность. Как уже было сказано, стабильность аналогового источника управления питанием в заданной полосе частот обеспечивается схемой компенсации. Цифровой контроллер имеет прямой доступ к коэффициентам полиномов передаточной функции, хранящихся в его регистре, тогда как нули и полюса цепи компенсации в аналоговом источнике питания жестко заданы внешними компонентами (см. рис. 2). Современные цифровые контроллеры могут автоматически подстраивать передаточную функцию в режиме работы и, тем самым, само­адаптироваться к постоянным изменениям, например, к изменению рабочей точки или нагрузки. Аналоговые контроллеры не характеризуются гибкостью цифровых решений в данном случае и существенно уступают им в этом.
– Диагностика ошибок. Цифровые контроллеры имеют исчерпывающие  возможности диагностики ошибок и контроля режима работы. Каждая ошибка и сбой могут быть распознаны, а последующая реакция системы может быть предварительно запрограммирована и позже изменена, например, в зависимости от выходных напряжений и токов; в то время как в аналоговом источнике управления питанием система защиты от перегрузок по току или предохранения от недонапряжения обычно задана внешними элементами, впаянными в печатную плату.
– Коэффициент полезного действия. Многие внутренние параметры контроллера, такие как частота переключения, пауза неперекрытия, ток затвора выходных МОП-транзисторов и эмуляция диода оказывают существенное влияние на КПД (см. рис. 3). Аналоговый источник питания работает оптимально в очень узком диапазоне входных и выходных токов и напряжений, тогда как цифровые алгоритмы позволяют оптимизировать внутренние параметры источника питания для каждой точки во всем заявленном диапазоне работы. Например, для малых и больших токов, отдаваемых в нагрузку соответственно ночью и днем, требуются различные установки с целью обеспечения наиболее благоприятной точки работы.

Рис. 3. Цифровые контроллеры от Intersil Zilker Labs характеризуются высоким КПД во всем заявленном диапазоне выходных напряжений и токов

– Надежность. Сведение количества внешних элементов и токопроводящих дорожек на печатной плате к минимуму, и кроме этого, гибкие возможности системы диагностики ошибок и сбоев позволяют значительно повысить надежность источника управления питанием. Оптимальный КПД гарантирует меньший нагрев и более долгий срок службы компонентов.
– Трудозатраты на разработку. Управление цифровым контроллером и его программирование посредством I²C делает его применение весьма привлекательным для инженеров-программистов, обычно не имеющих обширных профессиональных знаний в аналоговой электронике.  На сегодня существуют алгоритмы, способные распознавать внешнее окружение цифрового контроллера и автоматически рассчитывать параметры внутренней схемы компенсации, записывая их в регистр или в ЭП-ПЗУ (электронно-перепрограммируемое ПЗУ). Все это существенно уменьшает время разработки.
Цифровые контроллеры имеют, как правило, более высокий уровень интеграции, чем аналоговые. Конечно, сам по себе более высокий уровень интеграции не означает более высокой  гибкости, эффективности и возможности использования одного и того же типа котроллера для различных разработок и требований. На рынке существуют аналоговые контроллеры с интегрированной схемой компенсации, программируемыми параметрами для плавного запуска или фиксированной схемой защиты от перегрузок по току. Однако в цифровом контроллере все эти параметры хранятся в регистре и/или в ЭП-ПЗУ и могут быть быстро изменены в любое время — таким образом обеспечивается непрерывный оптимальный режим работы.
Запись в регистр осуществляется посредством установки потенциалов на определенных выводах микросхемы (VCC, GND, OPEN) программирования через I²C или при помощи программных средств с графическим интерфейсом пользователя, которые обычно предоставляются бесплатно (например, PowerNavigator от Intersil Zilker Labs). Это существенное преимущество цифрового решения позволяет сэкономить время на разработку и исключает риск повреждения печатной платы при многократной отладке.

Intersil Zilker Labs предлагает универсальные высокопроизводительные цифровые контроллеры и регуляторы постоянного тока с высоким уровнем интеграции [1]. Некоторые новейшие ИС и их важные параметры обобщены в таблице 1. В линейке от Intersil есть также синхронные понижающие формирователи тока ZL1505 для выходных МОП-транзисторов в узле мощности, которые предназначены для совместной работы с ZL2004 и ZL8100.

Что же находится внутри цифрового контроллера? Функциональная схема ZL2008 (см. рис. 4) демонстрирует принцип работы адаптивного контроллера, имеющего трехслойную архитектуру — Hardware, Firmware и Software. Запатентованная технология от Intersil Zilker Labs позволяет конфигурировать внутреннюю схему компенсации (состоящую из АЦП, сглаживающего фильтра, компенсатора на базе рекурсивного фильтра, сумматора и вычитателя) при помощи напряжений на выводах микросхемы FC(0,1) или через I²C-интерфейс блока коммуникации. Кроме того, внутри ИС находятся микроконтроллер для регулировки питания, ЭП-ПЗУ, цифровой ШИМ-модулятор, формирователь тока для внешних МОП-транзисторов, датчики выходного напряжения и тока, датчик температуры, блок синхронизации с ФАПЧ и цифровой источник опорного напряжения (REFCN+DAC). Цепь нелинейного отклика отвечает за переходную характеристику и существенно уменьшает время отклика при бросках тока в нагрузке, гарантируя отклонение выходного напряжения от номинального не более чем на 1%.

Рис 4. Функциональная схема адаптивного контроллера Intersil Ziler Labs ZL2008

Микроконтроллер может производить непрерывный контроль входного напряжения, напряжения и тока на выходе, внутренней и внешней (при помощи внешнего диода на выводе XTEMP) температуры и передавать текущее состояние системы разработчику через I²C. Связь между различными ИС при перераспределении тока, синхронизации и установке порядка включения и выключения осуществляется через DDC (Digital-DC) шину. Многие внутренние параметры задаются как через конфигурацию на выводах микросхемы, например, вывод SS (Soft Start) для плавного пуска, так и при помощи I²C-интерфейса. Например, программные средства с графическим интерфейсом пользователя — Zilker Power Navigator, CompZL и т.д. — сущест­венно облегчают конфигурацию контроллеров [1].
Адаптивные алгоритмы (сокращение времени неперекрытия между верхним и нижним МОП-транзисторами, эмуляция диода для уменьшения обратного тока в катушке индуктивности, контроль частоты переключения) обеспечивают оптимальную производительность источника управления питанием при произвольных нагрузках. КПД для схемы, изображенной на рисунке 4, при различных выходных напряжениях и токах представлен на рисунке 5. Так, функция эмуляции диода отключает нижний МОП-транзистор при малых токах в нагрузке и на холостом ходу, и тем самым существенно уменьшает потери в катушке. В аналоговых контроллерах в режиме холостого хода без эмуляции диода потери при рассеивании приводят к экстремальному нагреванию катушки. При больших токах очень важно, чтобы верхний и нижний выходные транзисторы не находились одновременно в одном и том же — проводящем или закрытом состоянии. Находясь в одном и том же состоянии даже несколько  наносекунд, оба транзистора бесполезно увеличивают рабочий цикл, и тем самым уменьшают КПД источника управления питанием, а при больших выходных токах могут выйти из строя.

Рис. 5. КПД схемы, изображенной на рисунке 4, при различных выходных напряжениях и токах

ZL2008 осуществляет автоматическую подстройку времени неперекрытия выходных транзисторов в зависимости от импеданса нагрузки, температуры, отклонений величин компонентов от номинальных значений и т.д. Коэффициенты передаточной функции схемы компенсации устанавливаются посредством конфигурации выводов микросхемы FC0 и FC1 или через I2C. Программа CompZL [1] является очень удобным визуальным средством для расчета требуемых параметров схемы компенсации и ее проверки на стабильность.

– Уникальная гибкость, универсальность и простота в использовании ведут к уменьшению затрат и времени на разработку. Цифровые контроллеры имеют высокую степень интеграции при малых размерах и требуют минимального количества внешних пассивных и активных компонентов. К тому же, отклонения параметров внешних элементов от номинальных величин могут быть учтены и скорректированы цифровыми контроллерами.
– Реальные резисторы и конденсаторы имеют положительную величину. Цифровой мир не знает этого ограничения, что создает существенное преимущество при проектировании схемы компенсации. Например, цифровой рекурсивный фильтр делает возможным создание источника питания управляемого напряжением для высокодобротных цепей нагрузки, тогда как это почти невозможно реализовать на аналоговой базе.
– Аналоговые источники электропитания оптимально функционируют в очень узкой области или в одной рабочей точке. Цифровые решения позволяют изменять почти все параметры непосредственно в режиме работы. Алгоритм автокомпенсации производит коррекцию параметров схемы компенсации за несколько миллисекунд, автоматически подстраиваясь к нагрузке. Автокомпенсация может производиться многократно в заданный промежуток времени, и таким образом цифровой источник управления питанием  самоадаптируется к постоянно изменяющейся нагрузке, непрерывно обеспечивая наиболее благоприятную рабочую точку.
– Цифровые источники питания допускают дистанционное управление и отладку при помощи систем слежения за режимом работы и диагностики ошибок и сбоев, что существенно экономит время простоя. Используя цифровой интерфейс, например I²C, параметры конфигурации могут быть заданы и изменены очень быстро и в любое время.
Возможности цифровых ШИМ-контроллеров превосходят потребности простейших источников  управления питанием, и их более высокая стоимость не всегда окупается. Основные преимущества цифровых контроллеров проявляются, прежде всего, в комплексных высокоэффективных системах электропитания, где необходимы дистанционное управление, сложные временные диаграммы, синхронизация, отслеживание выходного напряжения и определенная последовательность при включении и выключении (см. рис. 6 а, б).

а)	б)
Рис 6. Пример комплексной системы обеспечения электропитанием (а) и временная диаграмма (б)

Потребители, предъявляющие высокие требования к источнику электропитания, едва ли смогут найти такой аналоговый контроллер, который обходился бы без дополнительных и вспомогательных цепей. В этом случае нужно делать выбор в пользу цифрового контроллера. Кроме того, себестоимость такого комплексного решения будет в любом случае ниже себестоимости его аналогового варианта.
Чтобы идти в ногу со временем, необходимо уже сейчас серьезно задуматься о цифровом управлении питанием. Иначе соответствовать новым, все более жестким требованиям к источниками управления питанием просто невозможно.