Kevés olyan integrált elektronikai alkalmazás létezik, amelyeknél nincs szükség bizonyos mértékű teljesítményszabályozásra, legyen szó akár egyszerű áram- vagy feszültségforrásról vagy kifinomultabb, optimalizált rendszerről. Azzal, hogy a hatásfok a belépőszintű rendszereknél is egyre kiemeltebb szemponttá lépett elő, mindinkább elvárássá emelkedik, hogy valamilyen szintű intelligenciával rendelkezzen a rendszer. Még egy relatív alacsony szintű vezérlőalgoritmus is jelentős javulást érhet el a teljesítményben, és kicsivel több erőfeszítés árán már olyan haladó funkcionalitás is implementálható, mint teljesítménykövetés, finomított akkumulátortöltés, környezetfüggően aktivált beállítások, részletezett hibatolerancia stb.Ez a feladat tökéletes terep az alacsony árfekvésű mikrovezérlők számára, amelyek közül már lényegében a legkisebb is eléggé erős ahhoz, hogy komplex algoritmusokat futtasson amellett, hogy a gépi és emberi interfészek teljes skáláját is biztosítja. További fontos előny, hogy ezen a szinten is támogatottak már a szabványosított kommunikációs interfészek, mint pl. az SMBus, a LIN vagy ethernet.
A befektetett munka és megtérülése
A teljesítménygazdálkodás intelligenciával való felruházásának „alacsony kockázatú" módja egyszerűen az, hogy monitorozzuk a tápegységet egy mikrokontrollerrel, a mért értékeket pedig valamilyen kommunikációs interfészen keresztül visszajuttatjuk a rendszernek. Ehhez minimális mennyiségű alkatrész és fejlesztés kell, hiszen valójában csak arra van szükség, hogy a feszültséget, áramerősséget és esetleg a hőmérsékletet valamely módon mérjük. További paraméterek (pl. kitöltési tényező, tápfrekvencia stb.) mérésével még kifinomultabbá tehető a feszültségszintek teljesítményközpontú vezérlése.
A piacon több olyan, kapcsolóüzemű tápegységekhez kínált alkalmazásspecifikus áramköri termék (ASSP) is elérhető, amely lehetővé teszi a funkcionalitás módosítását a kritikus paraméterek függvényében hozott döntések alapján. Ez egyszerű módot biztosít a hatásfok növelésére, és olyan könnyű feladat, hogy a mikrovezérlők többségének semmilyen gondot nem okoz. A mikrokontroller a tápegység funkcionalitását a mért paraméterek alapján, soros kommunikáció útján könnyedén tudja módosítani.
A leírt megközelítés további előnye, hogy maga a tápegység az ASSP vezérlése alatt marad, amely azt jelenti, hogy a fejlesztőcsoportnak nem szükséges kifejezetten tápegység-fejlesztési ismeretekkel rendelkeznie azonfelül, hogy értik a módosítható paraméterek pontos szerepét és azok hatását. Az alapfejlesztés továbbra is maradhat a tápegységszakértő kollégák hatásköre.
Az alternatív megoldás, az implementáció következő lépcsője és egyben a költségcsökkentés egyik leghatékonyabb eszköze, hogy a kapcsolóüzemű tápegység vezérlő ASSP-jét és a mikrokontroller funkcionalitását egyetlen, integrált eszközben egyesítjük. Ez a feladat sokkal könnyebb nagy teljesítményű, gyors mintavételezésű A/D-átalakítóval közeli integráltságban lévő mikrokontrollernél, mivel így egy teljesen digitális, szoftveres implementáció hozható létre. Igaz, hogy ehhez már magasabb szintű kapcsolóüzemű tápegység-tervezői ismeretekre van szükség, és az implementáció sikere nagyban függ attól, hogy mekkora számítási teljesítmény áll rendelkezésre (amelyet paradox módon gyakorta korlátoz a teljes rendszerre kiírt teljesítménykeret).
A hibrid megközelítés
A kétféle megvalósítási mód között a középutat a hibrid megközelítés jelenti. Ebben az esetben az analóg perifériákat tartalmazó, kevertjelű vezérlő szerepét egy integrált eszköz, pl. a Microchip PIC16F753 tölti be, amely rendelkezik műveleti erősítővel, lejtéskompenzációval, D/A-átalakítóval, komparátorokkal és PWM vezérlővel – mindezt egyetlen, 14-kivezetésű tokozásban elhelyezett mikrokontroller formájában.
Az összes periféria programozható, amelyek nagy szabadságfokú kombinációja jóvoltából sokféle tápegység fejleszthető ki. A szoftveres vezérlés alapján a konfiguráció dinamikus, így mindig a változó tápellátási feltételekhez igazítható a viselkedés. Ennek értelmében készenléti módban a rendszer egyszerű hiszterézises vezérlővé konfigurálható, amelyből nagyobb tápigény esetén gyorsan és egyszerűen át lehet térni állandó áramú üzemmódú, eltérő frekvenciájú működésre.
Mivel a tápegység vezérlése teljes egészében a mikrokontrollerben történik, nincs szükség később hozzáadandó, külső alkatrészekre, így egyszerre lesz egyszerűbb a munka és kisebb a szükséges alkatrészek száma. Továbbá, mivel a teljes rendszer integrálásra került a firmware-be, teljes rálátás nyílik a tápegység paramétereire anélkül, hogy jelentősen meg kellene változtatni a tervezési folyamatot. A kommunikációs és intelligens működést megvalósító interfészek fejlesztése és ellenőrzése maradhat a tápegységfejlesztő csoport feladata.
Az 1. ábrán egy PIC16F753-alapú, tipikus tápegység látható, amelyhez képest a legtöbb implementációt egy alap-kapcsolóüzemű tápegység-konfiguráció kismértékű változtatásai adják. A kimeneti komplementergenerátor, nevéhez hűen, a fel- és lefutó bemenetekről programozható, holtsávos komplementer-kimenetet állít elő, a CCP pedig programozható frekvenciájú felfutást produkál. A C1 komparátor lefutóélt ad, ha az áramerősség meghaladja a lejtéskompenzátor kimenetét. A CCP és C1 kombinálható a maximális kitöltési tényezőhöz, amelyre bizonyos topológiák (pl. feszültségnövelő, flyback, SEPIC) esetén szükség van. Az OPA műveleti erősítő visszacsatolást és kompenzációt valósít meg, míg a DAC szolgáltatja a műveleti erősítő referenciáját, jóllehet ehelyett fix feszültségű referencia is használható abban az esetben, ha nincs szükség programozható jelszintekre. A lejtéskompenzátort a komparátorok vagy a COG resetelheti, az előtöltött kondenzátor töltésmentesítésére pedig programozható áramnyelőt alkalmaz.
Ez egy relatív egyszerű konfiguráció, a 2. ábra pedig példát mutat arra, hogyan lehet ezt a rendszert feszültségnövelő, szabályozott áramerősségű, LED-lánc táplálására alkalmas módon használni. A 3. a)–c). ábrák az implementált intelligencia szintjét szemléltetik, amelyek hozzáadására a konfigurációt követően mód van, és ezúton lehetőséget biztosít számos alkalmazás megvalósítására.
Összefoglalás
A tápellátó rendszerek működésének intelligenssé tétele számos, távolba mutató előnnyel kecsegtet, és megvalósítható az egészen egyszerűtől (mikrokontroller rendszerbe illesztése) kezdve a legkifinomultabb módokig (széles funkcionalitású, teljesen integrált megoldás dsPIC-kel vagy kevertjelű mikrokontrollerrel) többféleképpen. Sohasem volt még ennyire egyszerű alacsony ráfordítással ilyen nagy tudású, teljesen integrált megoldásokat kifejleszteni, és akár egychipes, intelligens, kapcsolóüzemű tápegységek létrehozására is adott a lehetőség. Az elkészült rendszer jelentősen befolyásolhatja az elektromos, elektronikus eszközök működési hatásfokát.
