Alimentatori programmabili con core digitale: tutti i vantaggi per l’utente.
L'etichetta "digitale" viene applicata a molti prodotti moderni e spesso questo significa solo che è presente un microcontrollore che compie qualche attività di routine, come ad esempio l’impostazione del tempo di infusione in una caffettiera o il controllo del display dell'orologio su un forno a microonde. Lo stesso vale talvolta per l'elettronica di potenza, con i termini "potenza digitale" e "alimentazione definita dal software", ormai entrati in voga nel marketing. Tuttavia, eseguendo un vero controllo digitale, il risultato può essere un notevole miglioramento delle prestazioni e i vantaggi che ne derivano.
Sebbene alcuni prodotti di conversione di potenza dispongano di interfacce digitali solo per una semplice funzione di controllo e monitoraggio, quest’ultima può comunque essere un reale vantaggio. Ad esempio, possono essere presenti sistemi critici in cui la conoscenza del degrado o della modifica dei parametri può avvertire di un guasto imminente, o ci si può trovare nei casi in cui la regolazione remota di piccoli valori della tensione di uscita è in grado di fornire un risparmio energetico dinamico. Ulteriori vantaggi si ottengono quando la compensazione dell'anello di controllo del convertitore viene eseguita digitalmente, insieme alle funzioni di controllo e monitoraggio. Si tratterebbe di un alimentatore con un vero e proprio "nucleo digitale".
Una definizione di compensazione dell'anello di controllo
La conversione di potenza sarà sempre fondamentalmente una funzione analogica, con un notevole accumulo di energia necessario in componenti lineari come condensatori e induttori. Tuttavia, per fornire una tensione o una corrente di uscita controllata in presenza di condizioni variabili come ingresso, carico, temperatura ed invecchiamento, è necessario realizzare un circuito di controllo retroazionato. Quest’ultimo deve rispondere senza instabilità in tutto il campo di funzionamento dell'alimentatore, con tempi di risposta rapidi in seguito a modifiche del sistema, come ad esempio i gradini di carico, con sotto-elongazioni o sovra-elongazioni minime.
Un esempio di metodo di controllo analogico classico è mostrato nella Figura 1, in cui l'uscita di destinazione viene confrontata con un riferimento, e il segnale di errore risultante viene utilizzato per generare la modulazione di larghezza di impulso (PWM) dell'azionamento verso un interruttore di alimentazione, in questo caso un convertitore buck, o un convertitore in configurazione forward. Il segnale di errore deve essere amplificato per ottenere un controllo accurato sull'uscita. Tuttavia, questo aumento del guadagno si combina con lo sfasamento di 180 gradi della retroazione negativa e gli inevitabili ritardi e sfasamenti intorno al circuito di controllo, rischiando di produrre una retroazione positiva complessiva e un'oscillazione a una determinata frequenza, o nella migliore delle ipotesi di ottenere caratteristiche di risposta deludenti. Per contrastare questo fenomeno, viene applicata la "compensazione dell’anello" attorno all'amplificatore di errore, modellandone la risposta in frequenza in ampiezza e in fase per fornire prestazioni migliori. Si ottengono buoni risultati quando il margine di fase in corrispondenza della frequenza di guadagno unitario è a circa 50 gradi dal feedback positivo, che si verifica a 360 gradi, e quando il margine di guadagno alla frequenza in cui la fase raggiunge i 360 gradi è di circa -10 dB. Anche la velocità di variazione del guadagno e della fase lungo la banda dell'anello di controllo è rilevante ai fini della stabilità. Andare sul sicuro e forzare ampi margini di guadagno e di fase in tutte le condizioni non costituisce l'ideale, in quanto ciò produce una risposta lenta ai cambiamenti del sistema.
Un alimentatore con controllo d’anello completamente digitale sostituisce l'amplificatore di errore e la relativa compensazione con un processore. (Figura 2) L'uscita di riferimento è inviata a un convertitore A-D; viene quindi generata una rappresentazione digitale dell'errore e quest’ultima viene manipolata per fornire il guadagno e la risposta di fase desiderati. La metodologia prevede che i dati di ingresso, che rappresentano misure discrete nel dominio del tempo, vengano trasformati matematicamente nel dominio della frequenza complessa mediante il metodo della trasformata 'Z', simile a una trasformata di Laplace. Nel dominio della frequenza, qualsiasi caratteristica del filtro può essere ottenuta mediante semplici operazioni aritmetiche, moltiplicazione e addizione, istruzioni standard per il processore. Un'ulteriore conversione D/A genera il segnale di controllo per un modulatore analogico di larghezza di impulso o, in alternativa, la funzione PWM può essere interna al processore. Naturalmente, una delle principali differenze tra la compensazione analogica e quella digitale è che la prima è fissata dai valori dei componenti discreti, mentre la compensazione digitale può essere modificata a piacimento, anche durante il funzionamento, se necessario.
I vantaggi del controllo digitale
Anche se il controllo digitale può fornire caratteristiche di compensazione con precisione pressoché arbitraria, è vero che il controllo analogico può fornire prestazioni perfettamente adeguate con minore complessità, ma solo con condizioni fisse. In base alla topologia, se le condizioni del circuito cambiano, come la corrente di carico o la deriva della ESR del condensatore di uscita con la temperatura, i valori ottimali dei componenti di compensazione variano, ed è quindi necessario trovare una soluzione di compromesso, che sarebbe subottimale per la maggior parte delle condizioni. Allo stesso modo, i componenti di compensazione a discreti presentano tolleranze e possono essere soggetti a deriva con l'invecchiamento, quindi un progetto professionale dovrà aumentare i margini di guadagno e di fase per tenere conto di questi casi peggiori.
Per illustrare ciò, in Figura 3 sono rappresentati il guadagno e la risposta di fase di un anello di controllo di un convertitore buck con una variazione della tensione di ingresso pari a 4:1 o 12 dB. L'effetto ottenuto con questo particolare convertitore è un margine di fase nella linea bassa di 50°, poiché il guadagno incrocia l'unità con Fc basso, il che costituisce un buon risultato, e 30° nella linea alta, offrendo stabilità marginale. Significativamente, nella linea alta il guadagno scende a 40 dB/decade, contribuendo a una risposta molto poco smorzata. Il miglioramento di questo aspetto degraderebbe tipicamente le prestazioni nella linea con un pesante sottosmorzamento, e presenta la necessità di ottenere un compromesso attraverso la compensazione dell'anello a discreti. Nei progetti di compensazione analogica, possono essere utilizzate tecniche come la "compensazione della pendenza" per migliorare la stabilità in condizioni particolari, ad esempio in presenza di duty cycle elevati. Ancora una volta, tuttavia, i valori ottimali per i componenti di compensazione della pendenza dipendono dalla tensione di uscita nel convertitore buck del nostro esempio; quindi, non è possibile trovare per l’alimentatore i valori ideali necessari per regolarne la tensione di uscita su un ampio intervallo.
Un vantaggio del controllo digitale è che consente una compensazione ottimale in tutte le condizioni, con fattori di scala regolati "in tempo reale" se necessario. Tuttavia, per la ricarica della batteria è possibile effettuare anche importanti modifiche funzionali, come il passaggio dal controllo in tensione al controllo in corrente, oppure è possibile selezionare semplicemente le tensioni di uscita e le soglie di monitoraggio non standard. Ciò offre l’opportunità di configurare sul campo in diverse applicazioni e consente l'utilizzo dell'alimentatore come parte di un ciclo di controllo più ampio del processo, come avviene nell’ambito dell'automazione di fabbrica e della robotica. È possibile controllare le caratteristiche e la compensazione dell'anello su un bus digitale e, sui moderni alimentatori, quest’ultimo può essere opzionalmente di tipo PMBus, CANBUS o Modbus con strati fisici RS 485 o I2C.
I fornitori di alimentatori con core digitali forniranno un software che comunica con il prodotto utilizzando un'interfaccia grafica, in cui i parametri possono essere selezionati e ottimizzati e quindi salvati nella memoria non volatile del processore. Successivamente allo sviluppo e all'ottimizzazione del sistema, è possibile codificare, su richiesta e presso la fabbrica, le modifiche alle impostazioni predefinite all’interno del prodotto.
Un esempio di applicazione di potenza digitale: la polimerizzazione UV
L'indurimento di inchiostri e rivestimenti rappresenta un mercato che vale oltre 5 miliardi di dollari su scala globale e viene tipicamente realizzato tramite LED ultravioletti con livelli di potenza di 5-20 kW. I LED sono pilotati in stringhe con una corrente ben precisa, incrementata in modo controllato all'avvio. Gli alimentatori dedicati ad alta potenza e a corrente costante non sono comuni e un'alimentazione a tensione costante con un modulo di limitazione di corrente aggiuntivo risulta essere costosa. Per contro, gli alimentatori digitali per uso generale della serie HPT o della nuova serie HPF di XP Power con ingresso monofase possono essere configurati in combinazioni parallelo e serie per funzionare in questo modo. La corrente effettiva può essere programmata tramite un'interfaccia digitale RS485 o tramite un ingresso analogico. L'interfaccia grafica in dotazione e il costante supporto tecnico di XP Power rendono questa soluzione rapida ed economica.
Un esempio di applicazione di potenza digitale: laser per microlavorazione
La microlavorazione laser viene utilizzata per il taglio, la fresatura e la marcatura di un'ampia varietà di materiali, con applicazioni che vanno dal taglio dei wafer di semiconduttori alla marcatura su scala micrometrica, al taglio e foratura con diamante. Il laser richiede in genere 100 V a 1-20 kW con una regolazione precisa di corrente e tensione e con controllo e monitoraggio remoti: una combinazione ideale per le funzionalità di un alimentatore a controllo digitale. Anche in questo caso, XP Power offre HPT5K0TS100, una soluzione con una potenza nominale di 5 kW e un'uscita programmabile da 0 a 105 VCC (Figura 4) o HPLK50, che è una versione dell’alimentatore con ingresso nella linea bassa. I protocolli di controllo includono PMBus, CANopen, Modbus e SCPI.
Conclusioni
Il controllo digitale di un alimentatore entra in gioco quando sono richieste prestazioni statiche e dinamiche ottimali per un'ampia gamma di condizioni operative, con un miglioramento delle funzionalità del prodotto finale. Anche nelle applicazioni meno critiche, la versatilità di un alimentatore digitale può consentire di coprire più applicazioni con un singolo modello, riducendo i costi di acquisto e di stoccaggio. Allo stesso tempo, la capacità di monitorare e di controllare l'alimentazione da remoto può offrire notevoli vantaggi a livello di sistema, soprattutto se integrata in un circuito più ampio di controllo di processo.
