Цифровые источники питания: путь от хорошей идеи до реальных применений

Причинами массового внедрения цифровых источников питания в энергоемких приложениях являются:

• высокая эффективность, которая позволяет снизить эксплуатационные расходы, уменьшить количество рассеиваемого тепла, облегчить выполнение нормативных требований, связанных с охраной окружающей среды;
• способность отвечать самым сложным техническим требованиям, предъявляемым современными процессорами и ПЛИС;
• гибкость, позволяющая выполнять динамические изменения в процессе работы;
• возможность отработки сложных алгоритмов включения питания, что особенно важно при одновременном нахождении на общей шине множества устройств, например, в PoL-системах.

Разработчики источников питания и многие пользователи, как правило, отличаются очень высокой осторожностью, когда речь заходит о высоких уровнях токов, напряжений и мощностей. При работе с ними многократно возрастает цена ошибок или аварийных ситуаций. В таких случаях разработчики предпочитают продукты, проверенные временем, и не торопятся идти на поводу у современных тенденций рынка и внедрять какие-либо нововведения только из-за желания быть на пике прогресса.

По этой и другим причинам долгое время параметры источников питания задавались жестко. Однако ситуация изменилась. Появившийся крайне положительный опыт применения цифровых источников питания в дата-центрах привел к тому, что их начали внедрять и в широком спектре других менее мощных приложений, в том числе - в промышленности. Высокая эффективность цифровых источников, работающих в широком диапазоне нагрузок, позволяет экономить энергию, что приводит к уменьшению тепловой нагрузки на компоненты, упрощает задачу по обеспечению теплоотвода и увеличивает время безотказной работы.

Что такое «цифровые источники питания»

Главная задача источника питания или преобразователя достаточно проста – обеспечить стабильное выходное напряжение даже при наличии изменений в нагрузке или во входном напряжении. Для этого требуется система управления с замкнутым контуром обратной связи, которая будет измерять текущее выходное напряжение, сравнивать его с опорным напряжением и формировать корректирующие сигналы в соответствии с полученным рассогласованием для достижения требуемого стабильного выходного напряжения.

Такой подход используется во всех традиционных импульсных источниках питания (Рис. 1). Альтернативой для импульсных преобразователей являются линейные стабилизаторы, но их можно использовать только при относительно малых значениях выходной мощности. Существует множество различных топологий импульсных регуляторов, имеющих длинный список дополнительных функций и улучшений, позволяющих повысить эффективность работы во всем диапазоне нагрузок, увеличить производительность и обеспечить требуемую стабильность. Эти дополнительные функции и улучшения часто оказываются достаточно сложными и носят впечатляющие сложные названия, например, SEPIC (single ended primary-inductor converter).

Рис. 1.	Типовой аналоговый преобразователь напряжения использует замкнутую цепь обратной связи для стабилизации выходного напряжения при изменении входного напряжения или нагрузки.

У всех подобных улучшений есть один недостаток – им не хватает гибкости для настройки рабочих параметров в реальном времени. Например, стандарт Intel/ Xilinx VR13 требует динамической подстройки выходного напряжения в диапазоне 1.2…0.9 В, выполняемой в реальном времени. Традиционные преобразователи с аналоговым управлением на это не способны. Такое адаптивное масштабирование (adaptive voltage scaling, AVS) позволяет выбирать напряжение питания процессора, исходя из значений его тактовой частоты и рабочей нагрузки, а также автоматически компенсировать температурные погрешности. Для этого требуется полностью программируемый преобразователь с цифровым управлением.

Часть программируемых функций можно реализовать с помощью дополнительного контроллера, который будет выполнять конфигурирование аналоговой схемы в соответствии с командами, получаемыми по внешнему коммуникационному интерфейсу. Такой источник питания является гибридным и объединяет традиционную аналоговую систему управления и цифровую надстройку в виде дополнительного контроллера (Рис. 2).

Рис. 2.	Аналоговый преобразователь напряжения с улучшенной структурой использует обычную аналоговую цепь обратной связи, но позволяет осуществлять дистанционную настройку некоторых параметров с помощью цифровых интерфейсов PMBus, I2C, SPI и других.

Полностью цифровой и программируемый источник питания имеет совсем другую структуру. Вместо аналоговой цепи обратной связи здесь применяется цифровая. В ее основе лежит АЦП, который выполняет оцифровку основных параметров обратной связи – токов, напряжений и прочего. Получаемые цифровые данные используются специальным встроенным процессором (DSP, FPGA), который осуществляет формирование сигналов управления в соответствии с программными алгоритмами. Далее цифровые сигналы преобразуются обратно в аналоговую форму с помощью ЦАП и поступают в аналоговую часть схемы, где используются для корректировки токов и напряжений (Рис. 3).

Рис. 3.	Программируемый преобразователь напряжения с полностью цифровым управлением выполняет оцифровку ключевых параметров, а получаемые значения используются процессором для управления и реализации сложных алгоритмов и динамической корректировки параметров схемы в процессе работы.

Таким образом, в полностью цифровом источнике питания алгоритм управления реализован в виде программы, а не аналоговой схемы. В результате сам алгоритм может быть чрезвычайно гибким и сложным. Кроме того, один процессор, если он достаточно мощный, способен управлять двумя или более независимыми каналами с разными уровнями токов и напряжений, а также координировать работу этих каналов, например, задавая взаимный фазовый сдвиг и параметры плавного пуска. Процессор также может предоставлять подробные отчеты и фиксировать данные в журнале событий, что в определенных случаях позволяет предотвратить возникновение аварий.

Приведем пример, который показывает, что цифровые источники питания теперь могут применяться не только в дата-центрах, но и в менее мощных приложениях. Модуль питания NDM2Z-50 производства компании CUI (Рис. 4) представляет собой полностью цифровой источник питания с диапазоном входных напряжений 4.5…14 В, программируемым выходным напряжением 0.6…3.3 В и токовой нагрузкой до 50 А (пиковая выходная мощность –165 Вт).

Для управления NDM2Z-50 используется интерфейс SMBus, совместимый с PMBus. Несмотря на компактные габариты модуля (30.85 × 20.0 × 8.2 мм для версии с горизонтальным монтажом), он выполняет широкий набор функций: контроль напряжения, подстройку напряжения в рамках допуска, разделение тока между модулями, мониторинг тока и температуры, программируемый плавный запуск/выключение и другие. В документации представлены десятки графиков, демонстрирующих динамические и статические характеристики NDM2Z-50.

Рис. 4.	Полностью цифровой DC/DC PoL-конвертер от компании CUI обеспечивает выходной ток до 50 А и входит в состав семейства гибких и многофункциональных DC/DC преобразователей для широкого круга приложений.

Заключение

Даже самые передовые и совершенные аналоговые источники питания не всегда способны отвечать требованиям некоторых современных приложений. В то же время полностью цифровые источники питания обеспечивают целый ряд важных преимуществ благодаря своей гибкости, производительности и адаптивности. Структура цифровых преобразователей принципиально отличается от решений, применяемых в традиционных аналоговых регуляторах напряжения. При этом на рынке уже присутствуют достаточно совершенные цифровые модули питания, спектр приложений для которых постоянно расширяется.

Посмотреть более подробно технические характеристики цифровых DC/DC PoL-конвертеров от компании CUI