A teljesítménykonverziós alkalmazásokban a digitális vezérlési megoldások szüntelen térhódításának oka nem más, mint a remek rugalmasság és kiváló hatásfok. Ezek az előnyök azonban nem minden további nélkül állnak rendelkezésre, hiszen valójában komplex és kifinomult, nagy feldolgozási sebességű hardveren futtatott algoritmusok eredményei, amelyek a kapcsolóüzemű tápegységek kiváló hatásfokú működését szavatolják.
A kapcsolóüzemű tápegységek optimalizálására egyre inkább tekintenek úgy, mint a végtermékben a hatásfoknövelés alapvető fontosságú eszközére. A fő kihívás ebben a feladatban viszont az, hogy a jó hatásfokú működés mindenféle terhelési feltétel mellett megtartható maradjon. A teljesítménytényező-korrekció (PFC – Power Factor Correction) bemutatkozásával a hatásfokcélok elérésében, szabványosítási és piacképességi tekintetben egyaránt új lehetőségek nyíltak meg. A PFC ennek megfelelően a félvezetőipari beszállítók figyelmének középpontjába került, akik mindent megtesznek azért, hogy a digitális vezérlés tekintetében minél nagyobb mértékben fejlesszék megoldásaikat. A szoftveralapú algoritmusokkal nagyobb szabadságfokot adó és magasabb működési hatásfokot biztosító implementációk érhetők el, amennyiben megfelelő hardveres háttértámogatás áll hozzájuk rendelkezésre.
A digitális vezérlés
A teljesítménykonverzió állandó kiindulási pontja a váltakozó áramú forrás, amelyet először egyenirányítanak, majd pedig különböző fokozatokon keresztül a jelszintet közbenső értékekre csökkentve végül elérik a terhelés számára helyileg szükséges jelszintet. A rendszer teljesítménytényezője a valós és látszólagos teljesítmény hányadosa, így tehát a rendszer annál jobb hatásfokkal üzemel, minél közelebb van a hányados értéke az 1-hez. A teljesítménytényező-korrekció célja az, hogy ennek a hányadosnak az értékét 1-re (vagy legalább minél közelebb 1-hez) visszaállítsa, amely egyfelől kondenzátorok beiktatásával, másfelől pedig feszültségcsökkentő, feszültségnövelő vagy kombinált feszültségcsökkentő/feszültségnövelő, digitális vezérlésű, konverziós megoldások implementálásával lehetséges.
Az analóg és digitális világok közötti mozgás jellemzően késleltetéseket visz be a rendszerbe. A vezérlőhurok késleltetése azt az időt adja meg, amely szükséges ahhoz, hogy a vezérlésben megvalósított változás érvényre jusson és a változás hatása mérhető legyen. Az állandósult állapotbeli feltételek mellett ez relatíve egyszerű esetet jelent, azonban különböző terhelések mellett a vezérlőhurok végrehajtási sebessége közvetlenül befolyásolhatja a PFC működését és a rendszer hatásfokát.
A feladat bonyolultsága nő, ha a fogyasztó helyén alacsony feszültségre, de nagy áramszintekre van szükség, ami pedig igencsak jellemző a modern, beágyazott rendszerek által támasztott követelményekre. Manapság ugyanis a mikroprocesszorok, FPGA-k, berendezésorientált áramkörök rendre alacsony tápfeszültségről (3,3 V és alatta) üzemelnek, áramfelvételük azonban lényegesen nagyobb lehet a teljesítményigényük kielégítése okán. Továbbá a mindenkor aktuális igényeik jelentősen függenek az üzemeltetési feltételektől.
Az 1. ábrán látható módon a digitális vezérlés a teljesítménykonverziós lánc egészén értelmezhető és alkalmazható, ezáltal a megnövelt rugalmasság és működési hatásfok is kiterjeszthető a teljes rendszerre és a különböző, változatos terhelésekre. Ennek a kulcsa a kifinomult algoritmusok folyamatos fejlesztése és alkalmazása, amely többek között a változó terhelések hatásának automatikus, adaptív lekövetésére is alkalmas, továbbá olyan nemlineáris és prediktív viselkedést képes megvalósítani, amelyekkel a tranziensek során a dinamikus válaszképesség fejleszthető. A félvezető-technika fejlődése nyomán a gyártók ezeket rendre implementálják és fejlesztik a digitális vezérlési megoldások teljesítményét, amely által az elérhető maximális kapcsolási frekvencia nemcsak nagyobb hatásfokot, hanem nagyobb teljesítménysűrűséget is jelent.
A digitális jelvezérlők megszületése
A digitális vezérlés megjelenése és elterjedése olyan alkalmazási területeken, mint a teljesítménykonverzió, motorvezérlés stb., ahol az adaptív vezérlési képességek jelentős előnyt biztosítanak, elvezetett a digitális jelvezérlők (DSC – Digital Signal Controller) termékkategória megszületéséhez. A DSC vezérlőtípus sajátossága, hogy ötvözi az elsősorban audio- és videofeldolgozásban elterjedt digitális jelfeldolgozó processzorok (DSP – Digital Signal Processor) és az általános célú „igáslovak”, a mikrokontrollerek (MCU – MicroController Unit) képességeit. Ezzel egy olyan új termékkategória születhetett meg, amely ideális az olyan komplex vezérlőalgoritmusok futtatására, amelyek egy hagyományos MCU számára túlságosan bonyolultak és számításigényesek lennének, továbbá olyan interfészekkel rendelkezik, amellyel a DSP-k jellemzően nem.
A piac egyre nagyobb éhséget tanúsít a DSC-k iránt, amelyek gyártói minden igyekezetükkel azon vannak, hogy tartsák a lépést az igényekkel. A legjobb megoldásoknál az architekturális fejlesztések folyamatosak, megfelelő alapot és lehetőséget teremtve a vezérlőhurkok pontosságának és sebességének fejlesztéséhez az alkalmazásokban, kihasználhatóvá téve ezáltal a vezérlőalgoritmusok legfrissebb fejlesztési eredményeit.
A meghatározó kevertjelű megoldást valójában a DSC-k biztosítják, hiszen a digitális feldolgozási képességeket analóg perifériákkal egyesítik. Az univerzális megoldáshoz szükséges mindkét világ tökéletes együttműködése, ami mint ideális megoldást gyakorlatilag a teljesen integrált megoldásokat helyezi előtérbe. Az analóg és digitális technológiák kombinálása egy eszközön azonban kompromisszumokat szülhet a fejlesztés során, azonban ha mindkét világban egymással összhangban javítjuk a teljesítményt, az optimális megoldás megtalálható.
A DSC-k központi alapegységei a processzormag, amely képes a jelfeldolgozó algoritmusok jó hatásfokú futtatására, az egy vagy több jelátalakítást végző analóg-digitális átalakító (ADC – Analog/Digital Converter), valamint az impulzusmodulációs (PWM – Pulse Width Modulation) kimenet valamely formája, amely alkalmas a feszültségnövelő és/vagy feszültségcsökkentő áramkörök teljesítménytranzisztorainak meghajtására. Mindezen alapelemek egyetlen olyan architektúrába tömörítésével, amellyel nagy sebességű vezérlőhurkok megvalósíthatók, meg lehet oldani a kiváló hatásfokú AC/DC és DC/DC teljesítménykonverziót biztosító digitális jelvezérlők implementálását.
A kevert jelű megoldások
A Microchip-féle dsPIC33 GS-termékcsalád harmadik generációja minden említett, kulcsfontosságú területen a második generációhoz képest jelentős előrelépést nyújt teljesítmény tekintetében. A harmadik generációs eszközök központi feldolgozóegységének teljesítménye immár 70 MIPS (a korábbi 50 MIPS-hez képest), továbbá olyan új kiegészítéseket is kapott, mint a kontextuskiválasztású munkaregiszterek, amelyek a nyers, MIPS-ben kifejezett feldolgozási sebességnél jóval előremutatóbb teljesítménynövekedés megvalósítását teszik lehetővé a digitális vezérlésű teljesítménykonverziós alkalmazásokban.
A központi feldolgozóegység kiegészítése két, további munkaregiszter-készlettel majdhogynem azonnali kontextuskapcsolást tesz lehetővé. Az analóg perifériák teljesítményét a megelőző, második generációhoz képest szintén jelentősen fejlesztették, hiszen a harmadik generáció egyes tagjainál akár 5 db, 12 bites A/D-átalakító is rendelkezésre áll, a 600 ns helyett mindössze 300 ns késleltetéssel. Ezekkel a fejlesztésekkel a Type III kategóriájú kompenzátorok késleltetése 2 μs-ról akár 1 μs-ra is csökkenthető, a csökkentett fázisromlás pedig ezáltal jobb stabilitáshoz vezet. A gyorsabb vezérlőhurkok nagyobb kapcsolási frekvenciát és jobb tranziensválaszt is elérhetővé tesznek. A mindezekkel nyert hatásfoknövelés a nagyobb feldolgozási teljesítményen felül nagyobb teljesítménysűrűséget is jelent, ezáltal a tápegységek kisebb méretűre és alacsonyabb alkatrészszámúra is tervezhetők.
A harmadik, „GS” jelű generáció egy további architekturális fejlesztése a dupla flash partíció, ami támogatja az ún. „Live Update” frissítési módszert. Ez lehetővé teszi a DSC által futtatott vezérlőalgoritmus vagy bármely más szoftver esetében a terepi frissítés lehetőségét a tápegység működésének fenntartása mellett. A frissített szoftver a második, akkor éppen üzemen kívüli flash partícióba kerül betöltésre, amelyre – ha átment az ellenőrzésen – átkapcsol a központi feldolgozóegység, és onnan folytatja a szoftvervégrehajtást. Ez egy rendkívül előnyös megoldás az olyan alkalmazások esetében, ahol egyrészt a 100%-os rendelkezésre állás rendkívül fontos (pl. szervertápegységek stb.), másrészt pedig a relatíve csekély hatásfoknövelés végeredményben jelentős költségmegtakarítást jelent az üzemeltetési ráfordítások tekintetében. A „Live Update” frissítés nélkül a frissítést vagy a tervezett/nem tervezett karbantartási időszakokban kellene végrehajtani, máskülönben a rendszerben rejlő lehetőségek a jobban optimalizált szoftverek hiányában kihasználatlanok maradnának, amelyek az ideálishoz képest egyformán kedvezőtlen üzemeltetési feltételeket jelentenek.
Konklúzió
A teljesítménykonverzió digitális vezérlése tovább fejlődik, és mivel az általa nyújtott előnyök rugalmasság és hatásfok tekintetében jelentősek, térhódítása az analóg vezérlés kárára folyamatos és töretlen. Jóllehet, a digitális megoldás összetettsége a fejlesztők számára tagadhatatlan kihívást jelent, a potenciális többleteredmények lehetősége és mértéke ígéretes. A szabványosítási követelményektől eltekintve, a digitális vezérlés alkalmazása egyértelműen jobb teljesítménykonverziós megoldás elérését teszi lehetővé, a „Live Update” frissítési lehetőséggel pedig szoftverfrissítés útján úgy lehet egyszerűen a szoftveroptimalizálás által tovább fokozni a tápegységek teljesítményét, hogy az még a nagy megbízhatóságú alkalmazások követelményeinek is tökéletesen megfelel.
A DSC-k a tárgyalt és hasonló típusú alkalmazásokban a digitális vezérlés csúcsát jelentik azzal, hogy ideális hátteret biztosítanak a komplex algoritmusok végrehajtásának és a nagy teljesítményű analóg perifériák kezelésének. A kevert jelű megoldások világában minden szinten van lehetőség nagyobb teljesítmény elérésére, amelyekhez az olyan integrált, haladó programozási lehetőséget biztosító megoldások, mint a Microchip-féle dsPIC33EP GS DSC termékcsalád kiváló hardver- és szoftverhátteret biztosítanak, és megadják az újgenerációs tápegységek fejlesztőinek azokat a funkciókat, amelyekre szükségük van.
