Uso de los últimos módulos integrados para una energía digital confiable

Gracias a la caída de los costos de los componentes y del control de software, la energía digital se convirtió en una solución popular al problema del control de múltiples voltajes en diferentes diseños de extrema complejidad. Sin embargo, la energía digital enfrenta sus propios retos, especialmente si se añade a un diseño que ya existe. Además, el control digital añade la necesidad de desarrollo de firmware, que los diseñadores analógicos solían evitar en el pasado.

Este artículo describirá rápidamente las ventajas del control de energía digital antes de definir dos enfoques de control digital. El primero es un enfoque de "envoltorio digital" que todavía se basa en los reguladores de voltaje analógicos. El segundo es una solución de diseño totalmente digital. El artículo mostrará cómo puede aprovechar las funciones más recientes de CI de energía digital para diseñar un suministro de energía estable con tiempos de respuesta transitorios más rápidos, mayor ancho de banda y mejor rendimiento general.

El diseño analógico funciona bien: ¿para qué cambiarse al digital?

Las técnicas analógicas han dominado el diseño de conmutación de convertidores CC/CC (reguladores de voltaje) porque eran relativamente simples y barato de implementar. Sin embargo, el diseño analógico tiene desventajas; en particular, el complicado asunto de la compensación del control de bucle.

El diseño digital ofrece una alternativa, sobre todo porque el precio, las dimensiones y el consumo de energía de los componentes necesarios para admitir una fuente de energía digital disminuyeron. Los componentes digitales permiten a los diseñadores ajustar con precisión el control del circuito de manera que se mejore la respuesta transitoria y se maximice la eficiencia.

En la práctica las cosas pueden ser un poco más complejas, en particular cuando un proveedor de silicio puede tener una definición diferente de "energía digital" en comparación con otro. Algunos proveedores definen la técnica como una solución de fuente de alimentación con una interfaz digital que se aprovecha de la funcionalidad ofrecida por el protocolo de Bus de Administración de Energía (PMBus) junto con un bucle de control analógico en una solución de "envoltorio digital". Otras empresas insisten en que la energía digital es un bucle de control completamente digital alimentado por un microprocesador o un procesador de señal digital (DSP).

Cada técnica trae sus retos: los envoltorios digitales aún lo deja con el reto de compensación de control de bucle que tal vez intentaba eliminar en primer lugar, mientras que una solución completamente digital lleva la implicación inherente de que un diseñador puede necesitar hacer una cantidad significativa de codificación para que el sistema de energía digital entre en funcionamiento. Sin embargo, una nueva generación de controladores de energía y módulos digitales promete hacer frente a los retos tanto de las envoltorios digitales como de las soluciones completamente digitales.

Adición de un envoltorio digital

La adición de la energía digital a una topología analógica actual ofrece una serie de ventajas. La llave entre ellas es la comunicación bidireccional facilitada por el Bus de Administración del Sistema (SMBus) utilizando el protocolo PMBus.

PMBus es el protocolo estándar para la comunicación con los sistemas de conversión de energía mediante el uso de un bus de comunicaciones digital. Se basa en SMBus, ya que mientras SMBus fue diseñado para una comunicación con dispositivos de bajo ancho de banda, PMBus está dirigido a la administración digital de las fuentes de energía, componentes y chips relacionados con la energía, tales como un subsistema de baterías recargables.

SMBus estaba basado en Circuito Interintegrado (C²I), la serie, bus de computadora de un solo extremo diseñado originalmente por Philips y se utilizaba para la conexión de periféricos de baja velocidad a una placa madre u otro sistema empotrado. Como resultado de esta base, PMBus es un protocolo de comunicaciones de dos hilos de relativamente baja velocidad. Sin embargo, a diferencia de SMBus y C²I, PMBus define un número sustancial de comandos específicos de dominio en lugar de detallar cómo comunicarse utilizando los comandos definidos por el usuario.

En marzo de 2005 fue publicada la versión 1.0 de la especificación PMBus Más recientemente, fue publicada una especificación revisada, la versión 1.3 Esta versión reduce las latencias utilizando comunicaciones de alta velocidad y también agrega un bus dedicado de Escala de Voltaje Adaptable (AVS) para controlar los voltajes del procesador estática y dinámicamente El estándar es propiedad del Foro de Interfaz de Administración del Sistema (SM-IF) y es libre de regalías.

El uso de dispositivos PMBus habilitados para la conversión de energía proporciona flexibilidad y control que no es posible conseguir con sistemas de alimentación analógicos tradicionales. Mediante el diseño con energía digital, el ajuste de los voltajes de salida, las secuencias de energía y la sincronización de múltiples líneas de voltaje se pueden administrar fácilmente a través de un controlador de host a través de PMBus (Figura 1). (Para obtener más información acerca de PMBus para fuentes de alimentación digitales, vea el artículo de la biblioteca, "Control de Regulador de Voltaje Digital usando PMBus").

Figura 1: La comunicación bidireccional a través de SMBus utilizando el protocolo PMBus permite la configuración, control y seguimiento de múltiples dispositivos de fuente de alimentación. (Fuente: Intersil)

Además, mediante el uso de SMBus y PMBus, se puede agregar fácilmente una nueva línea de voltaje a un sistema de administración de energía. No es necesario reprogramar o añadir más circuitos integrados de administración de energía independientes para facilitar la línea de voltaje adicional, y la línea se integra fácilmente en los esquemas de monitoreo, secuenciación, de márgenes y detección de fallas.

Los reguladores de voltaje de conmutación digitalmente configurables y controlables están ampliamente disponibles. Por ejemplo, MIC24045 de Microchip es un regulador para múltiples aplicaciones de línea de voltaje de 4.5 V a 19 V rango de entrada, reductor síncrono 5 A ("buck"). Se pueden programar varios parámetros a través de I²C, tales como el voltaje de salida, frecuencia de conmutación, pendiente de arranque suave, márgenes, valores límite actuales y demoras en el arranque. Además, el MIC24045 brinda diagnósticos y la información de estado a través de la interfaz de I²C.

Mientras que SMBus y PMBus brindan la conveniencia y la flexibilidad de la configuración digital, el control y el monitoreo para las fuentes de alimentación analógicas convenientemente interconectadas, esta solución de envoltorio digital está a la altura del control digital completo, y por lo tanto no puede aprovechar todas las ventajas del enfoque. Cada dispositivo analógico conectado al bus funciona de acuerdo con su propio bucle(s) de control, el cual determinan la estabilidad y la frecuencia de respuesta del dispositivo, que a su vez determina factores tales como la rapidez con que la fuente de alimentación reacciona a los cambios rápidos en la carga. (Ver artículo de la librería, “Aprendiendo acerca de la respuesta de bucle de control de reguladores de conmutación”).

Con frecuencia, el diseñador se enfrenta a la necesidad de modificar un bucle de control de una fuente de alimentación analógica para mejorar la estabilidad y respuesta de la frecuencia agregando redes de compensación. (Ver artículo de la librería, “Diseñar Redes de Compensador para mejorar la respuesta de frecuencia del regulador de conmutación”). Esta es una tarea que asusta a muchos diseñadores suministro de energía menos experimentados. Sin embargo, es una tarea que se puede evitar optando por una solución completamente digital.

Maximiza los beneficios de energía digital

Las soluciones completamente digitales se implementan no solo mediante el uso de la configuración, control y monitoreo digital habilitados por el protocolo SMBus y PMBus, sino también mediante la implementación de bucles de control digitales para los reguladores de voltaje individuales conectados al bus.

El principio del control digital es bastante simplista. En un regulador analógico, el bucle de control se basa en comparar el error entre el voltaje de salida real y el voltaje de salida deseado. En un regulador digital, un convertidor de analógico a digital (ADC) se traduce ese voltaje de error en un valor digital. La precisión de esta traducción se rige por la resolución del ADC, pero incluso con una modesta resolución, el resultado es probable que sea más preciso que la medida hecha por un comparador analógico. Cuanto mayor sea la resolución del ADC, mejor será el control del regulador de voltaje.

Además del ADC, se emplea un procesador proporcional-integral-derivativo (PID) para reemplazar la red de compensador del dispositivo analógico. Los procesadores PID son dispositivos inteligentes que se utilizan en muchos procesos de control de bucle cerrado. El procesador PID utiliza la lectura digital de voltaje de error para corregir la salida del regulador de voltaje ajustando constantemente el ciclo útil del tren de impulso generado por el chip de modulador de ancho de pulso digital del regulador (PWM). El procesador PID también debe asumir la tarea de compensar la ganancia y los factores de cambio de fase en todo el bucle de control, al igual que lo hace la red de compensador en la versión analógica.

El PWM digital genera el mismo pulso de drive de ancho de variable como su homólogo analógico, pero lo hace "calculando" y luego "midiendo el tiempo" de la duración deseada de los tiempos de encendido y apagado de la señal de salida que forma la onda cuadrada. En contraste, el PWM analógico opera activando ON en una transición de reloj y activando OFF cuando una "rampa" de voltaje fijo alcanza un voltaje de desplazamiento preestablecido.

La precisión del voltaje de referencia y la frecuencia de actualización de la salida de ADC al procesador proporcional-integral-derivativo (PID) mejora significativamente la estabilidad y la precisión del voltaje de salida en comparación con los reguladores de voltaje analógicos. La figura 2 compara un diagrama de bloques del regulador de conmutación analógico con el de un equivalente digital.

(Para una descripción más detallada del control de energía digital, vea el artículo de la biblioteca, "El ascenso de control digital para la Regulación CC/CC").

Figura 2: Un regulador de voltaje de conmutación analógico (arriba) a menudo requiere una red compensador difícil de diseñar para asegurarse de que el dispositivo es estable; sin embargo, ofrece buen ancho de banda, margen de fase y margen de ganancia. En un equivalente digital (abajo), el trabajo se realiza mediante un procesador PID. (Diagrama dibujado usando Scheme-it® de Digi-Key)

Si bien el principio de control digital es sencillo de entender, la aplicación de la técnica está lejos de ser trivial, aunque los recientes avances están haciéndolo más fácil. La clave para la estabilidad combinada con una buena respuesta de frecuencia con el fin de responder rápidamente a los cambios en la carga, depende en gran parte de los algoritmos que determinan cómo el procesador PID comanda el bucle de control.

Tradicionalmente, las soluciones de control digital requerían los servicios de microcontroladores de propósito general o DSP para realizar la función de proceso PID. Desafortunadamente, ya que tales dispositivos no fueron diseñados específicamente para las fuentes de alimentación, requerían una gran cantidad de codificación de software y diseño de firmware. Además de extender los programas del proyecto y elevar los costos, esto requiere talentos de codificación que estaban más allá de las habilidades de muchos diseñadores de fuentes de alimentación analógicas.

Nuevo reto de facilidad de codificación de módulos de energía digitales

Hoy en día, varios proveedores de silicio ofrecen "módulos de energía digitales". Estos son dispositivos especializados que aprovechan tanto la flexibilidad que ofrece la configuración digital, el control y el monitoreo implementado por SMBus y el protocolo PMBus, mientras que también ofrecen comandos de control en bucle digitales especializados. Tales dispositivos eliminan los compromisos de microcontroladores de propósito general y DSP, y ahorran tiempo reduciendo los ciclos de codificación largos.

UCD3138 de Texas Instruments El Controlador de Energía Digital es un buen ejemplo de un dispositivo de este tipo. La clave para la funcionalidad del chip son sus periféricos del bucle de control digital. Cada uno de estos periféricos implementan un bucle de control digital de alta velocidad que consta de un ADC de error dedicado (EADC), un compensador digital de dos varas/dos cero basado en PID y salidas PWM digital (DPWM) con una resolución de ancho de pulso de 250 ps. El dispositivo también contiene un ADC de propósito general de 12 bits y 267 ksps con hasta 14 canales, temporizadores, control de interrupciones, PMBus y puertos de comunicaciones UART. El dispositivo se basa en un microcontrolador ARM® de 32 bits que realiza monitoreo en tiempo real, configura los periféricos y administra las comunicaciones. Tres conjuntos de periféricos están disponibles, los cuales funcionan de forma autónoma para comandar simultáneamente tres bucles de control independientes.

Para maximizar la eficiencia operacional del controlador de energía digital, es necesario establecer los coeficientes PID para adaptarse a los reguladores de voltaje de conmutación conectados. Configurar los compensadores digitales es sencillo ya que IT limita la asignación de valores a los registros de bits predefinidos específicos. Los controladores UCD3138 no requieren el desarrollo de código complejo para calcular continuamente las funciones de transferencias matemáticas complejas.

TI ha producido un informe de la aplicación (ver referencia 2), que muestra cómo utilizar un analizador de red para producir un diagrama de Bode del voltaje inicial y del bucle de control actual de un circuito de alimentación de energía. Después, se pueden realizar modificaciones a los coeficientes PID (ver Figura 3) hasta que el compensador digital dos varas/dos cero le de a la fuente de alimentación el ancho de banda, el margen de fase y el margen de ganancia deseados. Una vez que se determinan estos coeficientes, pueden ser programados en el controlador UDC3138, el cual luego asegura que los dispositivos conectados siempre funcionan en condiciones óptimas.

Figura 3: Estructura PID del controlador UCD3138. Con los coeficientes de entrada correctos, el dispositivo garantiza un funcionamiento óptimo de los reguladores de voltaje de conmutación conectados. (Fuente: Texas Instruments)

Otro ejemplo de un módulo de energía digital es el Controlador de Energía Digital DM7803G de Bel Power Solutions. El DM7803G es un administrador de energía digital totalmente programable que utiliza la interfaz de bus de comunicación I²C para controlar, gestionar, programar y monitorear hasta 32 reguladores de voltaje en el punto de carga (POL) y cuatro dispositivos independientes de energía. Un punto clave para el diseñador es que el DM7803G elimina la necesidad de componentes externos para administrar la energía, programar y monitorear los reguladores de voltaje POL.

El dispositivo está programado con los parámetros de funcionamiento de los dispositivos conectados a través de una interfaz de usuario gráfica (GUI). Para cada dispositivo conectado, es posible programar el voltaje de salida, los niveles de protección de voltaje, un posicionamiento óptimo de voltaje, los retrasos y velocidades de respuesta de encendido y apagado, la frecuencia de conmutación e intervalo (cambio de fase). Al igual que en el controlador UCD3138, una vez que se han determinado los coeficientes de compensación de PID, el DM7803G también programa los bucles de compensación de retroalimentación de los reguladores de voltaje POL conectados

Mientras que los productos descritos anteriormente pueden utilizarse como base para una solución digital completa con poca o ninguna codificación, un grado razonable de conocimientos sobre bucles de control y redes de compensación sigue siendo una ventaja para conseguir el máximo rendimiento de una fuente de alimentación digital.

Sin embargo, para los desarrolladores que prefieren acelerar el proceso de diseño eliminando la mayor cantidad de componentes externos como sea posible, están disponibles una serie de soluciones de energía digitales completamente integradas.

Estas soluciones de energía completamente digitales con la integración del control de PWM, etapa de energía (MOSFET), inductor y componentes pasivos, junto con un controlador de energía digital habilitado por PMBus, están disponibles por medio de varios proveedores. Los circuitos de aplicación para tales dispositivos son simples, compuesto por el propio módulo y unos condensadores de entrada y de salida.

El inconveniente es el precio: este tipo de dispositivos son sólo para aplicaciones de alto rendimiento de primera calidad, que cuestan de $30 a $50 cada uno. Las aplicaciones típicas son de energía ASIC, FPGA, DSP, CPU y chips de memoria para la computación, infraestructura de comunicaciones y aplicaciones industriales.

Un ejemplo de un módulo de energía digital de tal tipo es ISL8271M de Intersil. Este módulo de regulador de voltaje tiene un voltaje de entrada desde 4.5 hasta 14 V y produce un voltaje de salida de 0.6 V a 5 V hasta 33 A, con una eficiencia del 96%. Intersil especifica que el dispositivo puede responder a un cambio de carga transitoria dentro de un ciclo de reloj.

La figura 4 muestra un circuito de aplicación para el dispositivo e ilustra sus dimensiones. El módulo de energía digital ofrece un alto grado de capacidad de programación a través de su PMBus compatible con la interfaz de comunicación I²C para parámetros tales como márgenes, límite de corriente, arranque suave y límites de fallo. PMBus también puede utilizarse para monitorear los voltajes, corrientes, temperaturas y estado de fallos. Como se trata de una fuente de alimentación digital totalmente integrada, la compensación de control de bucle se estableció en la fábrica. El chip puede ser utilizado como una fuente de alimentación independiente o como parte de un sistema multiregulador donde todos los chips están vinculados a través del protocolo SMBus y PMBus.

Figura 4: ISL8721M de Intersil ofrece un módulo de energía digital altamente integrado que requiere solo la adición de unos pocos componentes pasivos de una solución fuente de alimentación digital completa. (Fuente: Intersil)

Conclusión

Probablemente siempre habrá un lugar para fuentes de alimentación analógicas, ya que ofrecen una solución sencilla, económica y robusta. Tener algunos de los conocimientos de las técnicas de compensación de bucle de control es una ventaja, pero basando el diseño en uno de los muchos productos de convertidor de voltaje de conmutación modulares y siguiendo circuito de referencia del fabricante, es posible llegar a una solución de trabajo decente.

Por otro lado, para aplicaciones más complejas, tales como la informática industrial, telecomunicaciones y sistemas de comunicación inalámbricos que requieren múltiples líneas eléctricas y voltajes, las soluciones analógicas se vuelven rápidamente inflexibles y difíciles de manejar. El control digital de reguladores de voltaje analógico aplicables simplifica el diseño de tales sistemas y facilita la adición de líneas de voltaje más tarde en el ciclo de desarrollo de un producto.

El diseño completamente digital mediante el cual un supervisor digital no solo configura, controla y monitorea las fuentes de alimentación conectadas al bus y se ocupa de la compensación de control de bucle, sino que también facilita aún más el diseño de fuente de alimentación para sistemas complejos, aunque con un costo más elevado.

Dicho esto, el precio de los componentes digitales de administración de energía continúa bajando. Por otra parte, el nivel de integración se ha elevado a un punto en el que los módulos de energía digitales totalmente integrados que sólo requieren la adición de un par de condensadores externos para formar una fuente de alimentación totalmente funcional ya están disponibles comercialmente. Estas tendencias van a continuar y es probable que vea las tecnologías digitales superan a sus homólogos analógicos.   

Referencias:

1. "Los beneficios de utilizar módulos de energía digital", Intersil, 2014.
2. "UCD3138 PFC Tuning," Bosheng Sun, Zhong Ye, Informes de aplicación SLUA709, Texas Instruments, Marzo de 2014.