Néhány eszköz saját akkumulátorról vagy szárazelemről, másik pedig az elektromos hálózatról nyer energiát, azonban mindben közös, hogy tápegységet tartalmaznak. Ha világszinten vizsgáljuk ezen eszközök számosságát, több milliárddal kell számolnunk, egy egyszerű fejszámolás után pedig könnyen megállapítható, hogy mekkora jelentősége van annak, hogy ezeket a lehető legkisebb teljesítményveszteséggel üzemeltessük. Az okoseszközök tápegységekkel szemben támasztott követelményei messze meghaladják a korábbiakat, hiszen a mai megoldások többségénél a teljesítményfelvétel tág határok között, a készenléti néhány milliwattól az aktív állapotbeli több száz wattig skálázódhat. Ebből következik, hogy ilyen tág határok közötti működést hatékonyan biztosítani a hagyományos kapcsolóüzemű tápegységek nem képesek, mert egyszerűen nem elég jók, és ezért olyan tápegységmegoldásra van szükség, amely üzem közben, bármely üzemállapotok között képes üzemmódot változtatni.
Hagyományosan a tápegységeket analóg áramkörökkel implementálták, diszkrét alkatrészekből és/vagy analóg teljesítményelektronikai elemekből építkezve. Ebben a megközelítésben a komplett vezérlőkört analóg visszacsatoló hurokként tervezték meg, ezáltal ezek a megoldások relatív olcsók és könnyen kifejleszthetők voltak. Manapság számos ASIC-alapú kapcsolóüzemű megoldás érhető el, amelyeket a leggyakoribb felhasználási célokra optimalizáltak, azonban zömük nem képes a modern okoseszközök haladó igényeihez alkalmazkodni.
A digitális tápegységek másrészről rendkívül teljesítményképesek. A teljesen digitális tápegységek minden bemeneti jelet digitalizálnak, ennek megfelelően a digitális világban végeznek minden jelfeldolgozást. A teljesítményvezérlés megfelelő minőségű ellátásához ehhez komoly számítási kapacitásra van szükség, ezért hagyományosan ez a dedikált digitális jelfeldolgozók (DSP – Digital Signal Processor) és mikrokontrollerek játékterülete volt, amelyek rendelkeztek a szükséges számítási kapacitással. A digitális tápegységek az analóg társaikhoz képest számos előnnyel bírnak: például könnyen adaptálhatók többféle tápegység-topológiához, illetve a maximális hatásfok eléréséhez viszonylag könnyen hangolhatók. A digitális tápegységek nem elhanyagolható hátrányait a bonyolult áramköri tervezés és magas költségek jelentik.
Vegyük át még egyszer! Van egyszer a bal sarokban az analóg tápegységünk, amely gyors és olcsó, azonban rugalmatlan, illetve a jobb sarokban a digitális tápegységünk, amely kiváló teljesítményű és rendkívül rugalmas, viszont bonyolult és drága. Nem lenne-e remek, ha létezne e kettőnek egy „öszvérje”, amely jó hatásfokkal egyesíti mindkét versenyző főbb előnyeit?
Ezen a ponton lépnek színre a hibrid tápegységek, amelyekben a visszacsatoló hurok alapvetően analóg áramkör, digitális bővítményekkel megerősítve. A hibrid tápegységek a digitális logikai részeket analóg áramkörökkel kombinálva kínálják, biztosítva mindkét világ legjobb tulajdonságait egyetlen eszközben. A digitális részekkel megerősített analóg visszacsatoló hurokkal könnyen lehet topológiát váltani és vezérlési paramétereket optimalizálni, elérve az alkalmazásban a lehető legjobb teljesítményt.
Vizsgáljuk most meg egy gyors példán keresztül a hibrid megoldások előnyeit! Egy akkumulátortöltőben szigorú töltési karakterisztikák mentén elvárt a működés egy adott akkumulátorcellát illetően. A töltés korai szakaszában néhánynál rögzített, szűk keretek között szabályozott áramerősséget kell biztosítani, majd az akkumulátortöltöttség teljes névleges kapacitásához közeledtével áramnemű működésről feszültségneműre kell váltani, amelyben az áramerősség lecsökken, és jól szabályozott feszültség lép a helyébe. Hibrid tápegységnél egy ilyen feladatnak a megoldása rendkívül egyszerű, hiszen a tápegység működését áramnemű üzemben kell elkezdeni, majd egy adott idő elteltével feszültségneműbe kell átváltani. A hardver és a topológia állandó, mindössze az érzékelésben történik változás.
Mint korábban említettük, a hibrid tápegység nem más, mint egy digitális részekkel megtámogatott, analóg visszacsatolós hurkos megoldás. A teljes hibrid rendszer úgy van kitalálva, hogy magfüggetlen perifériákon (CIP – Core Independent Peripherals) fusson. A CIP-alapú hibrid tápegység kialakítására alkalmas mikrokontrollerek rendelkeznek egy továbbfejlesztett, autonóm PWM vezérlővel, amely sokrétűen konfigurálható különféle tápegység-topológiák és vezérlési módok megvalósíthatósága érdekében.
A 2. ábra egy CIP-alapú hibrid tápegység megvalósítására alkalmas teljesítményvezérlő mikrokontroller felépítését ábrázolja, jelentősen leegyszerűsített formában. A rendszer áll egy általános célú mikrokontrollerből és egy PWM vezérlőből, amely utóbbi képes a mikrokontroller egyéb részeitől teljesen függetlenül működni. A PWM vezérlő funkcionalitása háromfelé tagolható a 3. ábra szerint:
- a modulátorblokk felelős a külső teljesítménytranzisztorok felé táplált kapcsolójel előállításáért. Vezérlési módtól függően áramvagy feszültség-visszacsatoló jelet használ a kitöltési tényező beszabályozására,
- a meredekségkompenzációs blokk felelős a stabilitásért,
- a hibaérzékelő blokk felelős a tápellátás megszakításáért rövidzárlat vagy egyéb esemény következtében kialakuló túláramkörülmény esetén.
Rendszerszemlélet esetén óriási előnye van annak, ha a teljes rendszert egyetlen, független modullá konfiguráljuk, mivel így egy függetlenül működő tápegységet és egy magasabb szintű funkciókkal vígan elboldoguló mikrokontrollert kapunk, amely könnyedén képes a központi vezérlővel kommunikálni, vezérlőfunkciókat ellátni, és persze a PWM vezérlő felsőbb szintű vezérlését megoldani.
Vegyünk egy másik példát! LED-es világítás esetén a megfelelő színhőmérséklet eléréséhez rendkívül pontosan szabályozott meghajtóáramra van szükség. Erre hatással lehet a környezeti hőmérséklet, viszont egy hibrid tápegységgel ellátott mikrovezérlő képes a környezeti hőmérséklet monitorozására és a tápegységkimenet annak megfelelő kompenzálására. Nehezítő körülményként megemlíthető, hogy egy RGBW LED-szalag vezérléséhez négy, független csatornára van szükség, ebben az esetben nyugodtan vehetjük tudomásul, hogy a CIP-alapú hibrid tápegységes mikrovezérlők egy része rendelkezik négy, független PWM vezérlővel, amelyek mind külön-külön, egymástól függetlenül vezérelhetők. Ezeknek nem szükséges feltétlenül azonos feszültségkimenettel rendelkezniük, egyikük felhasználható 1,8, 3,3 vagy 5 V feszültségszint szolgáltatására egyéb rendszerelemek számára.
Tervezni csak egyszerűen
A mikrokontrollereket többnyire magas szintű programnyelven, például C-ben programozzák, míg a tápegységfejlesztők általában analóg szimulációs eszközök segítségével fejlesztik ki és optimalizálják áramköreiket. Hagyományosan a mikrokontrolleres szoftverfejlesztőknek legjobb esetben is csak minimális tapasztalata van tápegységtervezésben és vice versa, a tápegységfejlesztők sem igazán jártasak mikrokontrolleres kódfejlesztésben – ez márpedig bonyodalmat jelent. Hogyan lehet egy tapasztalt tápegységfejlesztő számára lehetővé tenni a hibrid tápegységek programozását és szoftveres konfigurálását?
Egy lehetséges koncepció az, ha olyan grafikus fejlesztőeszközöket kínálunk fel számukra, amely a PWM vezérlő teljes konfigurálását néhány egyszerű feladatra bontja le. A színfalak mögött persze a fejlesztőkörnyezet elvégzi a szükséges programkódok legenerálását a PWM vezérlő felkonfigurálásához, amelynek eredménye lehet akár egy szinkron feszültségcsökkentő topológiájú, csúcsáramvezérelt, korrekt modulációt, kompenzációt és hibadetektálást támogató, komplett megoldás.
A Microchip a közelmúltban bemutatott konkrét mikrokontrolleres megoldásokat erre a célra, amelyek PIC16F176x és PIC16F177x típusnevekre hallgatnak. Ezekben megtalálható akár négy, független PWM vezérlő, és élvezik az MPLAB® X grafikus kódkonfigurátor teljes támogatását is. A 4. ábrán látható grafikus kódkonfigurátort az analóg tápegységfejlesztők igényeinek szem előtt tartásával tervezték meg, és elrendezését és működését tekintve teljes mértékben arra hajaz, amit az analóg tápegységfejlesztők korábbi munkájuk során megszoktak. A C programnyelvű kódolás és regiszterkonfiguráció helyett elegendő mindössze a megfelelő tápegység-topológiát és vezérlésmódot kiválasztani, illetve betáplálni a megfelelő alapparamétereket, mint például kapcsolási frekvencia és PWM kitöltési tényező. A grafikus kódkonfigurátor a munka többi részét elintézi, és előállítja az inicializálási programkódot.
E megoldás egyik nagy előnye, hogy normál működés alatt nem fut programkód, hiszen az csupán a PWM vezérlő belső csatlakozásainak helyes beállítására szolgál. A futás megkezdése után a PWM vezérlő teljes mértékben a mikrokontroller beavatkozása nélkül üzemel.
