Latest News

ספקי כוח דיגיטליים: הזדמנויות לפיתוחי ספקי כוח

במהלך חמשת השנים האחרונות ניתן לראות גידול מואץ בתחום ספקי הכוח הדיגיטליים כאשר התעשייה מנצלת יתרונות רבים שהבקרה הדיגיטלית מביאה לעולם האנלוגי המסורתי. זה נתמך על ידי מוצרים רבים מיצרנים שונים של מיקרו-מעבדים שמכוונים במיוחד לשוק ספקי הכוח הדיגיטליים.

איור 1: ספק כוח מבוקר אנאלוגית

בספקי כוח אנלוגיים מסורתיים הבקרה מוטמעת בעזרת בקר IC המורכב ממגברי שרת וכן מגברים משווים המשולבים עם סדרות של קבלים ונגדים חיצוניים שנבחרו בקפידה המהווים את מעגל פיצוי.

אלה מאפשרים לספק הכוח את ביצועי העומס הטרנזיאנטי הרצוי ואת היציבות במישור התדר, מישור S. מעגל הפיצוי הינו קבוע ובדרך כלל ביצועיו פוחתים עקב הימצאותו של המצמד האופטי שמגביל את רוחב הסרט במשוב. ניתן לראות זאת באיור 1.

 

איור 2: ספק כוח מבוקר דיגיטאלית

כאשר אנו מתייחסים לספקי כוח דיגיטליים אנו למעשה מתכוונים למשוב בקרה שמסדיר ומייצב את ספק הכוח – זה מחליף את בקרי ה-IC האנלוגים ששימשו בספקי כוח ממותגים מאז שנות השמונים. בספקי הכוח הדיגיטלים אשר רואים באיור 2, הבקר IC האנלוגי ומעגל הפיצוי האנלוגי המתאים הוחלפו על ידי מיקרו-מעבד.

המיקרו-מעבד משמש לסגירת חוג המשוב של ספק הכוח. בספק כוח דיגיטלי טיפוסי, מודול הממיר Analog-to-Digital (ADC) שנמצא על הכרטיס המיקרו-מעבד דוגם את מתח המוצא או את זרם המוצא. ערך זה מושווה לערך ייחוס דרוש כאשר התוצאה המתקבלת הנה טווח השגיאה. את טווח השגיאה נזין בכניסה לבקר זמן בדיד (בדרך כלל בקר שני קטבים-שני אפסים, שלושה קטבים-שלושה אפסים) שיש לו קטבים ואפסים במישור הזמן הבדיד, מישור z. בבקר זמן זה זמני הפעולה והאינטרוולים הינם מוגדרים וקבועים מראש – לכל זמן פעולה יש דגימת ADC חדשה זמינה.

איור 3: בקר זמן בדיד עם שני קטבים ושני אפסים

לדוגמא של בקר זמן בדיד ניתן לראות את איור 3. הבקר מכיל 5 פעולות הכפלה וחיבור המיוחסים לפקודות הצובר-סוכם (Multiplier-Accumulator (MAC)) על לוח מעבד האותות הדיגיטליים (DSP).

הכניסה לבקר למשך זמן הדגימה x[n] וטווח השגיאה, מוכפלת על ידי הבקר במקדם B0. הביטוי z-1 הינו השהייה של יחידה אחת והתוצאה הקודמת של הכניסה לבקר, x[n-1], המוכפלת במקדם B1.

בהמשך לזה יש עוד יחידת זמן השהיה, ולכן הביטוי לשגיאה עבור שתי דגימות קודמות הינה x[n-2], שיוכפל במקדם B2. בצדו הימני של איור 3, אותו ההליך מיושם על המוצאים של הבקר. המוצא הקודם של הבקר y[n-1], מוכפל במקדם A1 והמוצא משתי הדגימות הקודמות, y[n-2], מוכפל ב-A2. מכפלות אלו נצברות ונסכמות יחד והתוצאה היא המוצא החדש של הבקר לזמן דגימה זה. מוצא הבקר, y[n], הינו הערך החדש של ה – Duty Cycle עבור ממירי אפנון רוחב הדפקים (Pulse Width Modulation – PWM) או של תדר המיתוג בטופולוגיות

אפנון תדר הדפקים (Pulse Frequency Modulation – PFM).

בדיוק כפי שמעגל הפיצוי האנלוגי במישור ה-S, לבקר זמן בדיד שבאיור 3 תהיה תגובה בתדר במישור ה-z. מקדמי הבקר יהיו אלה שיקבעו את תגובת התדר ומכאן את היציבות של ספק הכוח. לפיכך, על המהנדס לחשב אנליטית את מקדמי הבקר על מנת לייצב את ספק הכוח.

מיקרו-מעבדים משמשים כבר שנים רבות בספקי כוח על מנת להטמיע פונקציות בסיסיות כגון PMbus ולבקר על מהירות המאוורר בעזרת שימוש של מיקרו-מעבדים פשוטים וזולים יחסית. עם זאת, שליטה דיגיטלית מלאה בעבר הייתה נפוצה ביותר בשוק השרתים והתקשורת בעוד ששווקי התעשייה והרפואה השתרכו מאחור.

הגורמים לעיכוב במעבר לבקרה דיגיטלית היו בעיקר המחיר והמורכבות שיוחסו לספקי כוח דיגיטליים.

הבשורות הטובות הן שהמחירים עבור מיקרו-מעבד מודרני עם הפונקציונליות של מעבדי DSP הדרושים לבקרה דיגיטלית מלאה ירדו משמעותית במהלך השנים ובכך אפשרו זמינותם להמון תכנונים חדשים. עם זאת, המורכבות עומדת בעינה. המורכבות נובעת מהצורך לעבוד במספר מישורים כאשר מתכננים את ספק הכוח; המהנדסים צריכים לשלב את הידע בפיתוח ספקי כוח עם היכולת לכתוב קוד יעיל ולייצב את חוג הבקרה של הזמן הבדיד.

אם כך, מהן הסיבות לעבור לבקרה דיגיטלית? לבקרה הדיגיטלית יתרונות רבים על פני מקבילתה האנלוגית. ספק הכוח הדיגיטלי אינו רגיש לסביבה, טמפרטורה, התיישנות ולשינויי האפיצות ברכיבי הבקרה. זה מאפשר למערכת לנתר את הביצועים של ספק הכוח בזמן אמת ולתקן פרמטרים בכדי לכוון לביצועים הנדרשים. בנוסף לזה, שיטות מתקדמות לבקרת זמן בדיד מאפשרות לנו להשיג ביצועים טובים יותר בהשוואה לרכיבי-פיצוי אנלוגיים, התאוששות מתופעות מעבר (Transients) הנה עניין של מחזורי מיתוג ספורים.

זה נעשה מעניין במיוחד לשוק ממירי ה -Point Of Load (POL)  שאימץ משמעותית את השימוש בספקי כוח דיגיטליים. מיקרו-מעבד יחיד עם ביצועים גבוהים יכול לשמש לייצוב וויסות מספר דרגות של הספקים – ומבטל את הצורך בבקרי IC אנלוגיים בכל דרגה ודרגה.

הביקוש ההולך וגדל לממירים בעלי נצילות גבוהה הנו תחום בו גמישותם של ספקי הכוח הדיגיטליים מציעה פתרונות מעבר ליכולת הטיפוסית של ספקי הכוח האנלוגיים. זה יכול לכלול כיוון פעולתו של ספק הכוח לשם השגת מיתוגי מתח-אפס או זרם-אפס אופטימליים – הפחתה בהפסדי המיתוג ושיפור הנצילות הכללית. לחילופין, אנו יכולים לשקול את השפעת שיפור הנצילות במרכז מידע או במערכת שבה משתמשים במספר ספקי כוח.

את זה ניתן להשיג על ידי כך שנענים לבקשה לכבות את המערכת או להיכנס למצב חיסכון שמתקבל על ידי הבקר הראשי שנמצא במערכת.

איור 4: זמן חוג בקרה אופייני ביחס לזמן מיתוג PWM

 

המיקרו-מעבדים החדישים ביותר עבור יישומי ספקי הכוח הדיגיטליים מכילים פונקציות DSP שמאפשרות לחוג משוב הבקרה הדיגיטלי לבצע בחלק בודד של זמן מיתוג ה – PWM, בכל זמן מיתוג. באיור 4 ניתן לראות את זמן המיתוג של ה – PWM של ספק כוח דיגיטלי אופייני. בדוגמא זו, מתח המוצא נדגם פעם אחת בכל מחזור מיתוג. בהמשך להמרת ה – ADC, שגרת זימון הפסיקות נכנסת לפעולה ומאפשרת עבודתו של בקר הזמן הבדיד. זוהי שגרת זמן קריטית ולכן הבקר יכול להכתב בקוד Assembly בכדי להשתמש בפקודות MAC ולהביא לאופטימיזציה את השימוש בכל מחזור פקודות יחיד.

כפי שניתן לראות בדוגמא שבאיור 4, הזמן שבו ה-MCU אינו נותן הוראות ביצוע לבקר הנו רוחב הפס הפנוי עבורנו. רוחב פס זה יכול להיות מנוצל למשימות אחרות או ליישומיים ייעודים של הלקוח. משימות בעדיפות נמוכה עובדות בחוג איטי ותופסקנה בכל פעם שמתרחשות משימות בעדיפות עליונה – כגון פסיקת ADC להפעלת קוד חוג הבקרה.

פיתוח יעיל ואיתן של קושחה (firmware) עבור ספק כוח יכול להימשך פרק זמן משמעותי ותלוי במורכבות התכנון. בנוסף לזה יש את הליך האימות (verification) והבדיקה וכן הניירת הדרושה לכל אישורי תקינת הבטיחות. מכאן שיש צורך במשאבים רבים שיושקעו בפיתוח ספק כוח דיגיטלי. אולם, ברגע שההשקעה הראשונית הושקעה, אחד היתרונות בספק כוח הדיגיטלי הוא שניתן להשתמש בקושחה בהרבה מוצרים שונים. לדוגמא, לשנות את הקושחה למוצרים בעלי מתחי-מוצא שונים בסדרה אחת יכול להיות הרבה יותר פשוט מאשר להחליף את מקדמי הבקר.

בהינתן הגמישות שהמיקרו-מעבד מוסיפה לפיתוח, ספק כוח דיגיטלי יותאם היטב ליישומי לקוחות שצרכים ספק עם דרישות מיוחדות ושספקים סטנדרטים אינם ממלאים את דרישת הלקוח. ייתכן ותהיינה דרישות לתקשורת מסוימת כגון בקרת הספק כוח באמצעות USB, I2C או EtherCAT משולב עם האפשרות לעדכן את פרוטוקול התקשורת מאוחר יותר על ידי עדכון הקושחה. הלקוח גם יוכל לבקש לשנות את הגבלות זרם המוצא או מתח המוצא תוך כדי עבודה או ניתור בזמן אמת, תזמון בין Rail אחד למשנהו או  ביצוע שיתוף זרם מדויק בין מודולי המוצא.

כמובן, שהמיקרו-מעבד בעל הביצועים הגבוהים שמיועד לבקרה דיגיטלית יעלה יותר מתחליפו ה – IC האנלוגי. אולם, הבקר הדיגיטלי פותח את ההזדמנות ליישם פונקציות נוספות שניתן להטמיע בעזרת ה-MCU, שלא ניתן לעשות על ידי יישום ברכיבים דיסקרטיים. זה יכול להוביל להפחתה של מספר הרכיבים וכן להקטנת המוצר, במיוחד בפיתוחים שבהם ישנן דרישות לסיגנלים מורכב או מספר Rails לבקר על ידי שימוש במיקרו-מעבד בודד. התוצאה יכולה להיות פתרון כללי בעל עלות נמוכה יותר כאשר משתמשים במיקרו-מעבד על פני הפתרון האנלוגי. כמובן שעבור דרישות מורכבות מסויימות, הפתרון הדיגיטלי הנו היחידי האפשרי.

לחברת XP Power הידע והיכולת להטמיע פתרונות הספק מורכבים לפי דרישות הלקוח תוך שימוש במגוון הרחב של מוצרי המדף. בעזרת MCU הנמצא בלבו של ספק הכוח, האפשרויות עבור יישומים המותאמים ללקוח הינם מרחיקי לכת. בהתחשב ביתרונות הרבים שספק כוח דיגיטלי מאפשר, בסבירות גבוהה אנו ניראה עליה מתמשכת בנוכחותם של הספקים הדיגיטליים במהלך השנים הבאות.

Dr. Michael Hallworth, XP Power

תגובות סגורות