בקרי כוח היברידיים – גישור בין התחום האנלוגי והדיגיטלי

יתכן ששמתם לב כיצד יותר ויותר מכשירים אלקטרוניים ממשיכים ליטול חלק בחייכם. נראה שמכשירים שהיו די פשוטים ויומיומיים מתפתחים והופכים לטכנולוגיות חכמות ומורכבות יותר. אפילו מברשת השיניים הפשוטה שלכם מקבלת קרובת משפחה אלקטרונית חשמלית עם חיבור לאינטרנט – עם זיהוי לחץ והדרכה עבור זמן הצחצוח – לקבלת חיוך מושלם.

מכשירים מסוימים עושים שימוש בסוללות כאשר חלקם מחוברים ישירות לחשמל, אך רובם זקוקים לאספקת חשמל. אם נרחיב את טווח הראייה ונביט על העולם, מספר המכשירים המופעלים מגיע למיליארדים. ישנה אפשרות לתועלת עצומה אם כל מכשיר ינסה להשתמש ולבזבז כמה שפחות אנרגיה.

הדרישה לאספקת חשמל באמצעות מכשירים חכמים גבוהה מכפי שהייתה בעבר שכן יישומים מודרניים נוטים לעבור מהוצאות של מילי-וואטים בגין מצב המתנה להוצאות של מאות וואטים כשהם פועלים.

כדי לתמוך במצב פעולה רחב זה, האספקה המסורתית עבור מצבי המתג אינה מספיק טובה. אתם זקוקים לספק כוח שיכול להחליף מצבים תוך כדי תנועה.

באופן מסורתי, ספקי הכוח הוטמעו כפתרון אנלוגי, או באמצעות רכיבים נפרדים או באמצעות מכשירי חשמל אנלוגיים עם רכיבים תומכים. באופן זה הוטמעה מערכת הבקרה השלמה כלולאת משוב אנלוגית. היתרון הוא שמערכות אלה הן די זולות וקלות לעיצוב. ישנו מגוון רחב של פתרונות מתגי מצב ASIC, המותאמים למקרי השימוש הנפוצים ביותר, אך רבים מהם אינם מסוגלים להסתגל לצרכים המשתנים של מכשירים חכמים ומודרניים.

לעומת זאת ספקי כוח דיגיטליים הם בעלי עוצמה רבה. ספקי כוח דיגיטליים מלאים הופכים את כל אותות הקלט לדיגיטליים ובעקבות זאת כל עיבוד האותות נעשה באופן דיגיטלי. הדבר דורש בקרת כוח מחשוב מאסיבית, כך שבאופן מסורתי הוא היה בתחום ה-DSPs ומיקרו-בקרים ייעודיים עם יכולות מחשוב גבוהות. לספקי כוח דיגיטליים יתרונות רבים על פני פתרונות אנלוגיים. הם יכולים להסתגל בקלות לטופולוגיות שונות ובקלות ולעבור התאמה וכוונון ליעילות מירבית. החיסרון העיקרי של פתרון דיגיטלי מלא הוא העלות ומורכבות הפיתוח.

אז מצד אחד יש לנו ספקי כוח אנלוגיים זולים ומהירים, אך לא מאוד גמישים, ואילו בצד השני יש לנו ספק כוח דיגיטלי גמיש ועוצמתי מאוד, אך גם מורכב ויקר למדי.

נכון שהיה נפלא אם הייתה קיימת אפשרות שלישית, כזו שמשלבת את היתרונות של פתרונות ספקי הכוח האנלוגיים והדיגיטליים כאחד?

איור 1 מציג את הקשר בין פתרונות ספקי כוח אנלוגיים, דיגיטליים והיברידיים

כאן נכנסות לפעולה מערכות החשמל ההיברידיות. בפתרון חשמל היברידי, לולאת המשוב היא אנלוגית, אך עם שיפורים דיגיטליים. באופן זה מערכות חשמל היברידיות משלבות היגיון דיגיטלי עם מעגלים אנלוגיים כדי למנף את היתרונות של שני העולמות במכשיר אחד. הלולאה האנלוגית עם שיפור דיגיטלי, מאפשרת לנו לשנות בקלות את זמן הטופולוגיה או את מצב הבקרה כדי לכוונן את היישום לביצועים מיטביים.

בואו נבחן דוגמא מהירה להמחשת יתרונותיה.

ביישומי הטענת סוללות, יש לעקוב אחר מאפייני הטעינה המוחלטים עבור תא סוללה נתון. חלקם ידרשו טעינה בזרם קבוע ומווסת בשלב המוקדם של הטעינה, וכשהסוללה מתקרבת לטעינה מלאה, הוא עובר מבקרת זרם לבקרת מתח – כאשר המתח מווסת והזרם מצטמצם.

עבור פתרון חשמל היברידי זוהי משימה פשוטה מאד. יש פשוט להתחיל בבקרת המצב הנוכחית, וכשמגיע הזמן, לעבור לבקרת מצב מתח. החומרה והטופולוגיה נותרות זהות, אך החישה מתחלפת.

כאמור, פתרון החשמל ההיברידי מבוסס על מערכת לולאה אנלוגית עם שיפורים דיגיטליים. כל מערכת החשמל ההיברידית הזו מוגדרת להפעלה בציוד היקפי עצמאי (CIP). במיקרו-בקרים עם יכולות כוח היברידי CIP יש בקר PWM אוטונומי מתקדם אשר ניתן להגדרה בקלות לתמיכה במגוון רחב של טופולוגיות ומצבי בקרה.

איור 2

איור 2 מראה איור פשוט מאוד של בקר כוח היברידי CIP. הוא מורכב ממיקרו-בקר לשימוש כללי ובקר PWM שמסוגל לפעול באופן עצמאי לחלוטין משאר המיקרו-בקר. בקר PWM זה מחולק לשלוש פונקציות עיקריות, כפי שמוצג באיור 3. חסימת המודולטור אחראית להפקת אות ההחלפה למגברי הכוח החיצוניים. בהתאם למצב שליטה, הוא יעשה שימוש באות משוב זרם או מתח כדי להסדיר את מחזור הפעולה. זה כולל בנוסף פיצוי מדרון עבור יציבות. מודול התקלות אחראי לכיבוי החשמל במקרה של קצר או זרם עודף.

איור 3

קביעת תצורת המערכת כולה למודול עצמאי יחיד היא יתרון עצום מבחינה מערכתית שכן אספקת החשמל יכולה לפעול עצמאית, וניתן להשתמש בחופשיות ב-MCU עבור פונקציות ברמה גבוהה יותר כגון תקשורת עם בקר ראשי, ביצוע פונקציות בקרת לוח או הענקת בקרה גבוהה מבקר ה-PWM.

במקרה של תאורת LED, קבלת טמפרטורת הצבע הנכונה דורשת בקרה מדויקת מאוד של הזרם. טמפרטורת הסביבה עשויה להשפיע על כך, אך במיקרו-בקר עם פתרון חשמל היברידי, המיקרו-בקר יכול לפקח בקלות על טמפרטורת הסביבה ולפצות בהתאם.

אתם עשויים לטעון ששליטה ברצועת LED RGBW מחייבת ארבעה ערוצים עצמאיים, ובמקרה כזה תשמחו לדעת כי חלק מבקרי הכוח ההיברידיים האלה של CIP מכילים ארבעה בקרי PWM עצמאיים לחלוטין, שיכולים כולם להישלט לשלוט בנפרד. הם גם לא צריכים להפיק מתח זהה. ניתן להשתמש באחד מהמכשירים האלה לצורך אספקת 1.8 וולט, 3.3 וולט ו-5 וולט למערכת שלכם.

אתגר עיצובי – שמירה על פשטות

מיקרו-בקרים מתוכנתים בדרך כלל בשפות תכנות ברמה גבוהה כגון שפת C, ואילו מעצבי ספקי כוח בדרך כלל משתמשים בכלי סימולציה אנלוגיים כדי לתכנן את העצובים שלהם ולהסיר מהם באגים. באופן מסורתי, למפתחי תוכנות למיקרו-בקר יש ניסיון מועט או חסר בכל הקשור לעיצוב ספקי כוח, ובדומה, לעיתים קרובות, למתכנני מערכות חשמל אין ניסיון רב בכתיבת קוד למיקרו-בקרים. הדבר מספק אתגר. כיצד מאפשרים למעצב ספקי כוח מנוסה לתכנת ולהגדיר בקר כוח היברידי?

התשובה היא לספק כלי פיתוח גרפיים שמפשטים את כל התצורה של בקר ה-PWM לכמה צעדים פשוטים. מאחורי הקלעים, כלי הפיתוח מייצר את כל קוד האתחול הדרוש לצורך הגדרת בקר ה-PWM, למשל טופולוגיית הסנכרון באק עם מצב בקרת זרם שיא עם האפנון, הפיצוי וגילוי התקלות הנכונים.

Microchip שחררה שורה של מיקרו-בקרים שנקראים PIC16F176x ו-PIC16F177x אלה מספקים עד ארבעה בקרי PWM עצמאיים והם נתמכים במלואם ב-MPLAB® X בתצורת הקוד הגרפי המתוארת להלן. כלי זה תוכנן תוך מחשבה על מעצבי ספקי כוח אנלוגיים ופורס את הדרך בה מעצבים יעבדו על תכנון ספק כוח אנלוגי בדרך כלל. במקום לכתוב בקוד C ולהגדיר רישומים, ניתן פשוט לבחור טופולוגיה של ספק כוח, מצב בקרה ולמלא ערכים נאותים כגון תדר המתגים ומחזור הפעולה המקסימלי של ה-PWM. לאחר מכן מגדיר התצורה מטפל בכל השאר ומייצר את קוד האתחול.

החוזקה פה היא שבמהלך פעולה רגילה, אף קוד אינו פועל. הקוד מיועד רק להגדרת כל החיבורים לחיבור ה-PWM. ברגע שהוא פועל, בקר PWM יכול לפעול ללא כל אינטראקציה עם MCU.

ניתן למצוא מידע נוסף על בקרי כוח היברידיים של CIP בכתובת www.Microchip.com


ארילד רודלנד, שיווק מוצרים, Microchip

תגובות סגורות