Utilizzo dei recenti moduli integrati per potenza digitale affidabile

I costi decrescenti di componenti e controlli software hanno promosso la diffusione del controllo digitale dell'alimentazione come soluzione al problema del controllo di più tensioni in progetti estremamente complessi. Il controllo digitale dell'alimentazione ha però delle sfide intrinseche, specie se viene aggiunto a un progetto esistente. Inoltre, il controllo digitale comporta la necessità di sviluppare del firmware adeguato, cosa che in passato i progettisti dell'analogico hanno di preferenza evitato di fare.

Questo articolo descriverà rapidamente i vantaggi del controllo di potenza digitale prima di definire i due approcci che lo contraddistinguono. Il primo è un approccio "digital wrapper" che si basa ancora su regolatori di tensione analogici. Il secondo è una soluzione completamente digitale. L'articolo mostrerà poi come sfruttare le caratteristiche più avanzate di CI di controllo digitale dell'alimentazione per realizzare un'alimentazione elettrica stabile, con tempi di risposta ai transitori più rapidi, maggiore larghezza di banda e prestazioni complessivamente migliori.

L'analogico funziona benissimo: perché passare al digitale?

Le tecniche analogiche hanno dominato a lungo la progettazione di convertitori di commutazione c.c./c.c. (regolatori di tensione) perché erano relativamente semplici ed economiche da implementare. Ma la progettazione analogica ha anche un rovescio della medaglia, ovvero le insidie della compensazione dell'anello di controllo.

La progettazione digitale offre un'alternativa, specie a seguito dell'abbassamento del prezzo dei componenti richiesti a supporto dell'alimentazione digitale, della riduzione delle dimensioni e del consumo. I componenti digitali offrono ai progettisti la possibilità di mettere a punto con precisione il proprio circuito, così da migliorare la risposta ai transitori e massimizzare l'efficienza.

Nella pratica, le cose possono rivelarsi un po' più complesse, specie se un fornitore di chip ha una definizione diversa di "controllo digitale dell'alimentazione" rispetto a un altro. Alcuni fornitori definiscono la tecnica come una soluzione di alimentazione con un'interfaccia digitale che si avvale della funzionalità offerta dal protocollo Power Management Bus (PMBus) abbinato a un anello di controllo analogico in una soluzione "digital wrapper". Altri insistono nel dire che il controllo digitale dell'alimentazione consiste in un anello di controllo interamente digitale alimentato da un microprocessore o da un processore di segnali digitali (DSP).

Ogni tecnica comporta delle sfide: il digital wrapper non elimina quella della compensazione dell'anello di controllo, mentre una soluzione interamente digitale implica che un progettista potrebbe dover scrivere lunghe stringhe di codice per riuscire a far funzionare il sistema. Tuttavia, una nuova generazione di moduli e controller digitali di alimentazione promette di superare le sfide sia dei digital wrapper che delle soluzioni interamente digitali.

Aggiunta di un digital wrapper

L'aggiunta di controllo digitale dell'alimentazione a una topologia analogica esistente porta numerosi vantaggi. Fra questi, di fondamentale importanza sono le comunicazioni bidirezionali agevolate dal System Management Bus (SMBus) tramite il protocollo PMBus.

PMBus è il protocollo standard per comunicare con i sistemi di conversione dell'alimentazione utilizzando un bus di comunicazioni digitale. Si fonda su SMBus, perché mentre SMBus era stato concepito per le comunicazioni con dispositivi a bassa larghezza di banda, PMBus è rivolto alla gestione digitale di alimentazioni elettriche, componenti e chip legati all'alimentazione, com'è il caso di un sottosistema a batterie ricaricabili.

SMBus era basato su Inter-Integrated Circuit (I²C), il bus per computer seriale, a terminazione singola originariamente progettato da Philips e usato per collegare periferiche a bassa velocità a una scheda madre o a un altro sistema embedded. Date queste premesse, PMBus è un protocollo di comunicazioni a due fili relativamente a bassa velocità. Tuttavia, diversamente da SMBus e I²C, PMBus definisce un numero notevole di comandi specifici del dominio, invece di dettagliare solo e semplicemente come comunicare utilizzando i comandi definiti dall'utente.

La versione 1.0 della specifica PMBus è stata pubblicata nel marzo del 2005. Più di recente è stata rilasciata una specifica rivista, la versione 1.3. Questa versione riduce le latenze utilizzando comunicazioni ad alta velocità. Inoltre è stato aggiunto un bus Adaptive Voltage Scaling (AVS) dedicato per controllare in modo sia statico che dinamico le tensioni dei processori. Lo standard è di proprietà del System Management Interface Forum (SM-IF) ed è esente da royalty.

L'uso di dispositivi abilitati per PMBus per la conversione dell'alimentazione offre una flessibilità e un controllo che i tradizionali sistemi di alimentazione analogica non sono in grado di dare. Progettando con il controllo digitale dell'alimentazione, la regolazione delle tensioni di uscita, il sequenziamento della potenza e la sincronizzazione di più rail di tensione possono essere facilmente gestiti tramite un controller host attraverso PMBus (Figura 1). (Per maggiori informazioni su PMBus per alimentazioni digitali, vedere "Digital Voltage Regulator Control Using PMBus" nella Biblioteca articoli.)

Figura 1: Le comunicazioni bidirezionali tramite SMBus utilizzando il protocollo PMBus permettono di configurare, controllare e monitorare diversi dispositivi di alimentazione elettrica. (Fonte: Intersil)

Inoltre, utilizzando SMBus e PMBus, è possibile aggiungere facilmente un nuovo rail di tensione al sistema di gestione dell'alimentazione. Non occorre riprogrammare o aggiungere altri CI autonomi di gestione dell'alimentazione per facilitare il rail di tensione aggiuntivo che viene facilmente integrato negli schemi di monitoraggio, sequenziamento, marginazione e rilevamento guasti.

I regolatori di tensione di commutazione controllabili e configurabili digitalmente sono ampiamente diffusi. MIC24045 di Microchip, ad esempio, è un regolatore step-down ("buck") sincrono a 5 A programmabile digitalmente, con un intervallo di ingresso tra 4,5 V e 19 V per applicazioni a più rail di tensione. Diversi parametri possono essere programmati tramite I²C, ad esempio tensione di uscita, frequenza di commutazione, pendenza di avvio graduale, marginazione, valori limite della corrente e ritardi di avvio. Inoltre, MIC24045 fornisce informazioni diagnostiche e sullo stato tramite l'interfaccia I²C.

Mentre SMBus e PMBus portano la comodità e la flessibilità di configurazione, controllo e monitoraggio digitali ad alimentazioni analogiche adeguatamente interfacciate, questa soluzione digital wrapper non assicura il pieno controllo digitale e, pertanto, non riesce a sfruttare totalmente i vantaggi di questo approccio. Ogni dispositivo analogico collegato al bus opera secondo i propri anelli di controllo, il che determina la sua stabilità e risposta in frequenza, che a loro volta determinano fattori quali la rapidità di reazione dell'alimentazione a cambiamenti repentini del carico. (Vedere "Understanding Switching Regulator Control Loop Response" nella Biblioteca articoli.)

Spesso il progettista si trova di fronte alla necessità di modificare l'anello di controllo di un'alimentazione analogica per migliorare la stabilità e la risposta in frequenza tramite l'aggiunta di reti di compensazione. (Vedere "Designing Compensator Networks to Improve Switching Regulator Frequency Response" nella Biblioteca articoli.) Si tratta di un compito veramente complesso per molti progettisti con poca dimestichezza in fatto di alimentazione. Con una soluzione completamente digitale si può evitare tale prova impegnativa.

Sfruttate appieno i vantaggi dell'alimentazione completamente digitale

Le soluzioni interamente digitali vengono implementate non solo usando la configurazione, il controllo e il monitoraggio digitali resi possibili dal protocollo SMBus e PMBus, ma anche implementando anelli di controllo digitale per i singoli regolatori della tensione collegati al bus.

Il principio del controllo digitale è piuttosto semplice. In un regolatore analogico, l'anello di controllo si basa sul confronto dell'errore tra la tensione di uscita effettiva e quella desiderata. In un regolatore digitale, un convertitore analogico/digitale (ADC) converte quella tensione di errore in un valore digitale. La precisione di questa conversione dipende dalla risoluzione dell'ADC, ma anche in presenza di una risoluzione modesta è probabile che il risultato sia più preciso di quello misurato da un comparatore analogico. Maggiore è la risoluzione dell'ADC, migliore sarà il controllo del regolatore di tensione.

Oltre all'ADC, viene usato un processore PID (Proportional-Integral-Derivative) per sostituire la rete di compensazione del dispositivo analogico. I processori PID sono dispositivi intelligenti usati in numerosi processi di controllo ad anello chiuso. Il processore PID usa il valore digitale della tensione di errore per correggere l'uscita del regolatore di tensione regolando costantemente il ciclo di lavoro del treno di impulsi generato dal chip PWM (modulazione della larghezza di impulso) digitale del regolatore. Il processore PID deve inoltre farsi carico di compensare i fattori di guadagno e di spostamento di fase attorno all'anello di controllo, analogamente a quanto fa la rete di compensazione nella versione analogica.

Il PWM digitale genera lo stesso impulso di pilotaggio ad ampiezza variabile della sua controparte analogica, ma lo fa calcolando e poi sincronizzando la durata desiderata dei periodi ON e OFF del segnale di uscita che forma l'onda quadra. Per contro, il PWM analogico opera attivandosi su una transizione dell'orologio e disattivandosi quando una "rampa" di tensione raggiunge la tensione di intervento preimpostata.

La precisione della tensione di riferimento e la frequenza di aggiornamento dell'uscita ADC al processore PID (Proportional-Integral-Derivative) migliorano notevolmente la stabilità e la precisione della tensione di uscita rispetto ai regolatori di tensione analogici. Nella Figura 2 un diagramma a blocchi di un regolatore di commutazione analogico è messo a confronto con un equivalente digitale.

(Per una descrizione più dettagliata del controllo digitale dell'alimentazione, vedere "The Rise of Digital Control for DC/DC Regulation" nella Biblioteca articoli.)

Figura 2: Un regolatore analogico della tensione di commutazione (in alto) spesso richiede una rete di compensazione difficile da progettare, per assicurare che il dispositivo sia stabile ma offra comunque una buona ampiezza di banda, un buon margine di fase e un buon margine di guadagno. In un equivalente digitale (in basso) questo lavoro viene svolto da un processore PID. (Schema disegnato con Scheme-it® di Digi-Key)

Anche se il principio del controllo digitale è facile da capire, l'implementazione della tecnica è tutt'altro che semplice, per quanto i recenti progressi l'abbiano resa meno ostica. La chiave della stabilità, combinata con una buona risposta in frequenza per far fronte a variazioni rapide del carico, risiede in gran parte negli algoritmi che determinano il modo in cui il processore PID comanda l'anello di controllo.

Tradizionalmente, le soluzioni di controllo digitale richiedevano i servizi di microcontroller per scopi generici o di DSP per svolgere la funzione di elaborazione PID. Purtroppo, dal momento che questi dispositivi non erano specificamente progettati per le alimentazioni, richiedevano una buona dose di codifica software e di progettazione del firmware. A parte il fatto che questo allungava le tempistiche dei progetti e faceva lievitare i costi, servivano capacità di codifica che andavano al di là delle abilità di molti progettisti di alimentazione analogica.

I nuovi moduli di alimentazione digitali rendono più abbordabile la sfida della codifica

Oggi diversi fornitori di chip offrono "moduli di alimentazione digitali". Si tratta di dispositivi speciali che sfruttano la flessibilità offerta dalla configurazione, dal controllo e dal monitoraggio digitali implementati dal protocollo SMBus e PMBus, offrendo al contempo comandi specifici di anello di controllo digitale. Questi dispositivi eliminano i compromessi dei microcontroller generici e dei DSP e fanno risparmiare tempo accorciando i lunghi cicli di codifica.

Il controller di alimentazione digitale UCD3138 di Texas Instruments è un buon esempio di questo tipo di dispositivi. Cruciali per la funzionalità del chip sono le sue periferiche dell'anello di controllo digitale. Ognuna di queste periferiche implementa un anello di controllo digitale ad alta velocità costituito da un ADC di errore dedicato (EADC), un compensatore digitale a due poli/due zeri basato su PID e uscite digitali PWM (DPWM) con una risoluzione della larghezza di impulso di 250 ps. Il dispositivo contiene inoltre un ADC generico a 12 bit, 267 ksps con un massimo di 14 canali, timer, controllo di interrupt, PMBus e porte di comunicazione UART. Il dispositivo si basa su un microcontroller ARM® a 32 bit che esegue il monitoraggio in tempo reale, configura le periferiche e gestisce le comunicazioni. Sono disponibili tre serie di periferiche, che operano in modo autonomo per comandare simultaneamente tre anelli di controllo indipendenti.

Per massimizzare l'efficienza operativa del controller di alimentazione digitale, è necessario impostare i coefficienti PID in funzione dei regolatori della tensione di commutazione collegati. L'impostazione dei compensatori digitali è semplice, dato che TI ha limitato l'assegnazione dei valori dei bit a specifici registri predefiniti. I controller UCD3138 non richiedono lo sviluppo di codice complesso per calcolare costantemente funzioni matematiche complesse di trasferimento.

TI ha prodotto un report di applicazione (vedere il riferimento 2) che mostra come usare un analizzatore di rete per produrre un plot Bode della tensione iniziale e dell'anello di controllo della corrente di un circuito di alimentazione. È poi possibile modificare i coefficienti PID (vedere la Figura 3) finché il compensatore digitale a due poli/due zeri non dà all'alimentazione la larghezza di banda, il margine di fase e il margine di guadagno desiderati. Una volta determinati questi coefficienti, li si può programmare nel controller UDC3138, che assicurerà poi che i dispositivi connessi operino sempre in condizioni ottimali.

Figura 3: Struttura PID del controller UCD3138. Con i coefficienti di ingresso giusti, il dispositivo assicura che i regolatori della tensione di commutazione collegati funzionino al meglio. (Fonte: Texas Instruments)

Un altro esempio di modulo digitale di alimentazione è il controller di potenza digitale DM7803G di Bel Power Solutions. Il DM7803G è un gestore digitale dell'alimentazione completamente programmabile che usa l'interfaccia bus di comunicazione I²C per controllare, gestire, programmare e monitorare fino a 32 regolatori della tensione PoL (punto di carico) e quattro dispositivi di alimentazione indipendenti. Un grande vantaggio per il progettista è dato dal fatto che DM7803G elimina la necessità di componenti esterni per la gestione dell'alimentazione, la programmazione e il monitoraggio dei regolatori di tensione PoL.

Il dispositivo è programmato con i parametri operativi dei dispositivi connessi tramite un'interfaccia grafica utente (GUI). Per ogni dispositivo connesso è possibile programmare la tensione di uscita, i livelli di protezione della tensione, il posizionamento della tensione ottimale, i ritardi di attivazione e disattivazione, oltre a velocità di risposta, frequenza di commutazione e interleave (variazione di fase). Analogamente al controller UCD3138, una volta determinati i coefficienti di compensazione PID, il DM7803G programma anche gli anelli di compensazione di retroazione dei regolatori della tensione PoL collegati.

Anche se i prodotti descritti sopra possono essere usati come base per una soluzione interamente digitale in cui la codifica è nulla o ridotta al minimo, per sfruttare al meglio l'alimentazione digitale è comunque preferibile possedere un certo livello di conoscenza degli anelli di controllo e delle reti di compensazione.

Tuttavia, per gli sviluppatori che preferiscono invece accelerare il processo di progettazione eliminando quanti più componenti esterni possibile, sono disponibili diverse soluzioni digitali completamente integrate.

Queste soluzioni di alimentazione completamente digitali con integrati il controllo PWM, lo stadio di potenza (MOSFET), induttore e componenti passivi oltre a un controller digitale dell'alimentazione abilitato per PMBus, sono offerte da diversi fornitori. I circuiti di applicazione per questi dispositivi sono semplici, comprendono il modulo stesso e alcuni condensatori di ingresso e uscita.

Il rovescio della medaglia è il prezzo: questi dispositivi sono infatti destinati unicamente ad applicazioni di fascia alta e costano da USD 30 a 50 il pezzo. Applicazioni tipiche sono quelle che alimentano ASIC, FPGA, DSP, CPU e chip di memoria per computer, infrastrutture di comunicazione e applicazioni industriali.

Un esempio di tali moduli digitali di alimentazione è ISL8271M di Intersil. Questo modulo regolatore della tensione prende una tensione di ingresso tra 4,5 e 14 V e produce un'uscita tra 0,6 V e 5 V fino a 33 A con un'efficienza del 96%. Intersil specifica che il dispositivo può rispondere a un cambiamento di carico transitorio entro un ciclo di clock.

La Figura 4 mostra il circuito di un'applicazione per il dispositivo e ne illustra le dimensioni. Il modulo digitale di alimentazione offre un alto grado di programmabilità tramite la sua interfaccia di comunicazione I²C conforme con PMBus per parametri quali la marginazione, il limite di corrente, l'avvio graduale e i limiti di guasto. Il PMBus può essere usato anche per monitorare tensioni, corrente, temperature e stato di guasto. Trattandosi di un'alimentazione digitale completamente integrata, la compensazione dell'anello di controllo è stata impostata in fabbrica. Il chip può essere usato come alimentatore autonomo o come parte di un sistema a regolatori multipli in cui tutti i chip sono collegati tramite il protocollo SMBus e PMBus.

Figura 4: ISL8721M di Intersil offre un modulo digitale di alimentazione altamente integrato che richiede solo l'aggiunta di alcuni componenti passivi per una soluzione di alimentazione digitale completa. (Fonte: Intersil)

Conclusione

Ci sarà sempre posto per le alimentazioni analogiche, in quanto rappresentano una soluzione semplice, robusta e poco costosa. Possedere una qualche conoscenza delle tecniche di compensazione dell'anello di controllo è un vantaggio, ma basando il progetto su uno dei numerosi convertitori modulari della tensione di commutazione e seguendo il circuito di riferimento del produttore, è possibile giungere ad una discreta soluzione.

D'altra parte, per applicazioni più complesse come quelle informatiche industriali, le telecomunicazioni e i sistemi di comunicazione wireless che richiedono più linee di alimentazione e più tensioni, le soluzioni analogiche risultano ben presto troppo poco elastiche e difficili da gestire. Il controllo digitale di regolatori di tensione analogici applicabili semplifica il progetto di questi sistemi e rende più agevole aggiungere altre linee di tensione in un secondo momento del ciclo di sviluppo di un prodotto.

Un progetto interamente digitale in cui un supervisore digitale non solo configura, controlla e monitora le alimentazioni collegate tramite bus ma si occupa anche della compensazione dell'anello di controllo, facilita ulteriormente la progettazione dell'alimentazione per sistemi complessi, sebbene i costi siano superiori, in questo caso.

Ciò detto, il prezzo dei componenti di gestione dell'alimentazione digitale continua a scendere. Inoltre, il livello di integrazione è aumentato al punto che oggi in commercio si trovano moduli digitali di alimentazione completamente integrati che, per formare un'alimentazione perfettamente funzionale, richiedono solo l'aggiunta di alcuni condensatori esterni. Queste tendenze sono destinate a proseguire e, probabilmente, assisteremo al sorpasso delle tecnologie digitali sulle loro controparti analogiche.   

Riferimenti:

1. "The Benefits of Using Digital Power Modules", Intersil, 2014.
2. "UCD3138 PFC Tuning", Bosheng Sun, Zhong Ye, Application Report SLUA709, Texas Instruments, marzo 2014.