Principios básicos del suministro de energía digital
La clave del suministro de energía digital es procesar digitalmente las señales de control y administración de energía. El requisito básico es ser rápido, fluido y preciso al tiempo que se garantiza la estabilidad. A continuación se toma un convertidor de punto de carga (POL) como ejemplo para ilustrar los principios y métodos de implementación de las funciones de control de potencia digital.
Los convertidores de punto de carga (POL) se utilizan generalmente para ajustar el voltaje de entrada de CC (generalmente 5 V ~ 12 V) a un voltaje de salida de CC (0,7 V ~ 3,3 V) adecuado para los requisitos de carga. Por ejemplo, en un circuito típico basado en un convertidor reductor de conmutación, el convertidor reductor incluye un chip de control principal de modulación de ancho de pulso (PWM), un par de interruptores de alimentación principales y un filtro de paso bajo compuesto por un inductor de almacenamiento de energía y un dispositivo condensador. . En el chip de control PWM, el divisor de resistencia toma muestras del voltaje de salida de la fuente de alimentación y el amplificador de error compara el voltaje de salida con el voltaje de referencia de CC para producir una señal de error de voltaje, que es una señal analógica cuya intensidad se corrige para la salida deseada. tensión Directamente proporcional. Se amplifica mediante un compensador de error (Compensador) con una determinada regla de control, y su salida ingresa a un modulador de ancho de pulso (PWM) que se compara con la onda portadora (generalmente una onda en diente de sierra o una onda triangular) para generar una forma de onda de pulso. , controlando así el interruptor de encendido (normalmente un MOSFET de encendido y apagado). Debido a que los MOSFET tienen una gran capacitancia de puerta de entrada, el circuito controlador debe encender y apagar el MOSFET de manera eficiente. A menudo se utiliza una red fija adicional de resistencia-condensador como circuito de compensación para garantizar el equilibrio adecuado entre respuesta dinámica y estabilidad.
Las otras dos partes principales de la fuente de alimentación son las redes de filtros de entrada y salida. Estas piezas están formadas por inductores, condensadores y resistencias y cumplen una variedad de funciones. El filtro de entrada ayuda a proteger la fuente de alimentación contra transitorios de voltaje de suministro, proporciona algo de almacenamiento de energía durante los cambios dinámicos de carga y tiene una red de filtros que permite que la fuente de alimentación cumpla con las especificaciones de emisiones causadas por su entrada. El filtro de salida estabiliza el voltaje de salida, asegurando que la fuente de alimentación cumpla con las especificaciones de ondulación y ruido, y almacena energía para ayudar a mantener los requisitos de corriente dinámica del circuito de carga. Es importante destacar que los filtros de entrada y salida y los dispositivos de suministro de energía siguen siendo esencialmente los mismos en las arquitecturas de control analógicas o digitales.
En una arquitectura típica de sistema de control de energía digital, la disposición de detección de voltaje de salida es similar a la de un sistema analógico. Sin embargo, un convertidor analógico a digital (ADC) reemplaza el amplificador de error del sistema analógico, convirtiendo el valor de voltaje analógico detectado en un número binario. Además del voltaje de salida, también es útil conocer otros parámetros analógicos, como la corriente de salida y la temperatura de la fuente de alimentación. Si bien los ADC separados pueden detectar cada uno de los parámetros anteriores, generalmente es más común preceder a un solo ADC con un multiplexor.
Dado que la frecuencia de muestreo del multiplexor y del ADC es fija, el ADC genera una serie de números para cada parámetro, con un intervalo de tiempo conocido entre cada número. Estos valores se introducen en el microcontrolador que proporciona la potencia de procesamiento al sistema. La memoria del programa en la tarjeta almacena el algoritmo de control del microcontrolador, que es responsable de realizar una serie de cálculos sobre los valores de salida del ADC. Los resultados del cálculo incluyen parámetros como la señal de error, el ancho de pulso de la etapa del controlador requerido, el valor de retardo óptimo para varias salidas del controlador y la compensación del bucle. Con estos parámetros, el modulador de ancho de pulso digital (DPWM) se puede controlar impulsando un MOSFET de energía externo, y la parte de administración de energía puede comunicarse con el mundo exterior a través de ciertas interfaces y protocolos. En este punto, los componentes de compensación de bucle externos del sistema analógico se vuelven innecesarios. Los valores de referencia para parámetros como el voltaje de salida, la corriente de salida y los límites de temperatura se almacenan en una memoria no volátil durante la producción y también se pueden ingresar a través de PMBus. Cuando se inicia el sistema, los datos se descargan de la EEPROM a la memoria de datos y el chip principal controla el estado de funcionamiento del módulo. Al mismo tiempo, la configuración predeterminada en la EEPROM se puede volver a leer mediante ciertas operaciones externas.