Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Metal Work Pneumatic
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji

ghost666 29 Gru 2013 11:00 3393 0
  • Z uwagi iż całkowity rozmiar urządzeń komunikacyjnych, medycznych czy też wyposażenie przemysłowego niezmiennie się zmniejsza zarządzanie zasilaniem takich układów stanowi coraz większe wyzwanie. W niniejszym artykule przyjrzymy się aplikacji nowego, wysoce zintegrowanego układu zasilania zapewniającego jednocześnie wiele napięć zasilania przy jednoczesnej minimalizacji objętości urządzenia. Układ ten współpracuje z systemami RF, urządzeniami opartymi o układy FPGA czy też klasyczne procesory.

    Pojawienie się w infrastrukturze komunikacyjnej femto- czy nawet pikokomórek generuję potrzebę konstrukcji coraz mniejszych stacji bazowych. Stacje takie charakteryzują się bardzo kompleksowym wymaganiom stawianym układom zasilania. W stacji bazowej osobne linie zasilania muszą być podłączone do wielu modułów, między innymi pamięci, procesora, transceivera sygnału radiowego, wzmacniaczy mocy, a wszystko to w bardzo ograniczonej przestrzeni. Ogromne wymagania stawia się także wysokiej wydajności rozwiązań zasilania w tego typu systemach. Przykładowy układ tego typu pokazano na poniższym schemacie blokowym.

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Typowa stacja bazowa sieci komórkowej potrzebuje układu zasilania o bardzo wysokiej gęstości mocy. Oznacza to iż układ ten musi charakteryzować się niewielką zajmowaną objętością i jednocześnie móc dostarczać duży prąd do układów stacji bazowej. Jednocześnie zasilacz taki musi charakteryzować się szybką odpowiedzią na zmiany napięcia wejściowego oraz zmienne zapotrzebowanie wielu modułów na energię elektryczną. Z drugiej strony wymagane jest używanie liniowych stabilizatorów o niskim spadku napięcia (LDO) które charakteryzują się bardzo niskim szumem napięcia wyjściowego. Napięcie takie wymagane jest do zasilania czułych układów, takich jak, między innymi, oscylatory kwarcowe kompensowane termiczne (TCXO). Możliwość skonfigurowania częstotliwości przełączania wbudowanej przetwornicy poza krytycznymi pasmami RF systemu zapewnia znaczną redukcję szumów w systemie, a synchronizacja wszystkich przetwornic obecnych w zasilaczu pozwala zapewnić iż nie pojawią się asynchroniczne tętnienie, które mogłyby mieć wpływ na działanie systemów radiowych. Redukcja napięcia zasilania rdzenia stacji bazowej (Vcore) pozwala na zmniejszenie całkowitego zużycia mocy przez urządzenia. Dodanie funkcji takich jak programowe sekwencjonowanie linii zasilania opisywanego zasilacza pozwala zapewnić włączenie procesora systemu zanim uruchomiony zostanie transceiver RF. Dodatkowo system zasilający wyposażony jest w interfejs I²C, pozwalający na komunikację z układami zasilania. Pozwala to na zmianę napięć wyjściowych z zasilacza w czasie pracy a także na monitorowanie wielu jego parametrów takich jak napięcia wyjściowe wbudowanych przetwornic, temperatura układów aktywnych etc. Zapewnia to znaczne zwiększenie niezawodności projektowanej stacji bazowej.





    Podobny trend obserwuje się aparaturze medycznej, na przykład przenośnych ultrasonografach lub innym, podobnym sprzęcie. Miniaturyzacja urządzeń medycznych także wymusza miniaturyzację systemów zasilania, zasilających wewnętrzne moduły urządzenia. Na poniższym schemacie pokazano przykładowy system zasilania, który można wykorzystać W aparaturze medycznej.

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    W typowym urządzeniu gdzie wykorzystano układ FPGA (patrz poniższy schemat blokowy) oraz zewnętrzną pamięć wymagany jest zasilacz który może dostarczyć duże prądu do zasilanego urządzenia a także jest w stanie szybko reagować na zmienne warunki zasilania, co pozwala efektywnie zasilać rdzeń układu FPGA oraz systemy I/O. Dodatkowo w systemie instaluje się niskoszumne stabilizatory LDO pozwalające na zasilanie zintegrowanych układów analogowych, takich jak na przykład pętle PLL. Sekwencjonowanie załączania poszczególnych linii zasilania pozwala na wymuszenie załączenia układu FPGA zanim napięcie zostanie podane na pamięć RAM. Zastosowanie stabilizatorów z wyjściem informującym o stanie zasilania oraz wejściem sterującym pozwala na precyzyjną kontrolę nad czasem załączania poszczególnych linii zasilania oraz monitorowanie występowania ewentualnych usterek. Projektanci systemów zasilających bardzo lubią wykorzystywanie znanych już sobie układów w wielu aplikacjach zatem dodanie funkcjonalności zmiany limitu prądowego danego układu jest niezwykle istotne. Pozwala to na wykorzystywanie tego samego projektu w kilku różnych urządzeniach, gdzie zmianie ulega jedynie limit prądowy poszczególnych wyjść zasilacza. Takie rozwiązanie pozwala na skrócenie czasu projektowania sekcji zasilania urządzenia, co przyśpiesza wprowadzenie urządzenie do sprzedaży na rynku, a w konsekwencji pozwala na zwiększenie zysków.

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Rozważmy zatem uogólniony projekt systemu zasilania wyposażonego w wiele wyjść, zasilanego napięciem 12 V. Układ dedykowany jest do zasilania systemu opartego o FPGA i posiada pięć wyjść o następującej specyfikacji:

    * Rdzeń: 1.2 V @ 4 A
    * Pozostała układy: 1.8 V @ 4 A
    * Układy I/O: 3.3 V @ 1.2 A
    * Pamięć DDR: 1.5 V @ 1.2 A
    * Zegar: 1.0 V @ 200 mA

    Typowa dyskretna implementacja pokazana na górnej (a) części schematu poniżej prezentuje architekturę w której cztery stabilizowane przetwornice podłączone są równolegle do napięcia wejściowego 12 V. Wyjście jednej z przetwornic zasila stabilizator LDO, wykorzystany do
    stabilizacji napięcia zasilającego zegar systemowy. Taka architektura pozwala na minimalizację strat moc przy jednoczesnym spełnieniu wymaga co do systemu.

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Druga architektura, pokazana na dolnej (b) części schematu blokowego, zakłada wykorzystanie wstępnej przetwornicy z 12 V na 5 V, które następnie jest wykorzystane do stabilizacji wymaganych linii zasilających system. Takie rozwiązanie pozwala zmniejszyć koszt systemu, jednakże efektywność opisywanego układu jest gorsza z uwagi na dwustopniowy proces stabilizacji napięcia. W obu przypadkach każde z napięć musi zostać stabilizowane osobno aplikowanym układem, co oznacza iż aby dodać funkcjonalność sekwencjonowania linii zasilacza konieczne jest dodanie zewnętrznego układu dedykowanemu sekwencjonowaniu zasilania lub też wykorzystanie stabilizatorów wyposażonych w wyjścia informujące o swoim stanie oraz wejścia pozwalające na ich zdalne załączanie. Także szum zasilania może stanowić poważny problem, o ile częstotliwości i fazy przełączania wszystkich stabilizatorów impulsowych nie zostaną ze sobą zsynchronizowane.

    Zintegrowane rozwiązanie zapewnia wysoką efektywność i niewielki rozmiar urządzenia

    Zintegrowanie wielu stabilizatorów impulsowych i liniowych LDO w jednej fizycznej obudowie pozwala na istotne zmniejszenie rozmiaru systemu zarządzania zasilaniem. Co więcej zintegrowane zasilania zapewniają szereg dodatkowych funkcjonalności w porównaniu nad dyskretnymi implementacjami tych samych układów. Redukcja ilości dyskretnych elementów poważnie zmniejsza koszt i poziom skomplikowania docelowego układu. Układu ADP5050 oraz ADP5052 firmy Analog Devices są zintegrowanymi centrami zarządzania zasilaniem. Mogą one zintegrować w swojej strukturze szereg funkcji całego systemu zasilania. Ich implementacja w systemie nie tylko zmniejsza ilość elementów na PCB i jego wymiar ale także poważnie upraszcza i przyśpiesza proces projektowania poprzez uproszczenie całej konstrukcji,

    W celu maksymalizacji efektywności układu każdy z stabilizatorów impulsowych w strukturze układu zasilany jest napięciem wejściowym systemu, co oznacz iż wstępny stabilizator jest zbędny. Przetwornice pierwsza oraz druga mają wbudowane w stukturę trzy programowalne limity prądowe na poziomie 4 A, 2,5 A oraz 1,2 A, co pozwala programistom bezproblemowo dobrać je do aplikacji lub zmieniać w zależności od wymagań konkretnej konstrukcji. Stabilizator LDO zasilany może być napięciem od 1,7 V do 5,5 V co oznacza iż zasilać można go z dowolnej linii zasilania, na przykład 1,8 V. Stabilizator LDO stabilizuje napięcie 1 V dla ultraczułych układów analogowych,

    Częstotliwość pracy przetwornic programowana jest z wykorzystaniem zewnętrznego opornika RRT pomiędzy 250 kHz a 1,4 MHz. Elastyczny dobór częstotliwości pozwala na dobór układu do konkretnej aplikacji - poprzez zwiększanie częstotliwości zmniejszamy fizyczne rozmiary układu, a zmniejszając ją zwiększamy efektywność. Poniższy wzór pokazuje zależność częstotliwości przełączania od opornika RRT.

    RRT = (14822/fSW)1.081, with R in kΩ and f in kHz.


    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    W niektórych aplikacjach porzadane jest i jedno i drugie - niska częstotliwość przełączania zapewniająca dużą efektywność dla linii o dużym poborze prądu oraz wysoka pozwalająca zmniejszyć rozmiar indukcyjności w systemie w liniach gdzie pobór prądu jest mniejszy. Możliwa jest praca z dwoma częstotliwościami przełączania jednocześnie, dzięki trybowi podziału przez dwa w którym jedna z przetwornic pracuje z połową częstotliwości drugiej. Dodatkowo częstotliwość przełączania przetwornicy pierwszej oraz trzeciej może być programowana zdalnie z wykorzystaniem interfejsu I²C.

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Sekwencjonowanie załączania linii zasilacza

    Układy ADP5050 oraz ADP5052 posiadają wbudowane cztery zasadnicze funkcjonalności które ułatwiają realizację sekwencjonowania zasilania w aplikacjach wykorzystujących układy FPGA. Są to: precyzyjne wejście załączające, programowalny soft-start, wyjście informujące o poprawnym działaniu stabilizatora oraz przełącznik powalający na rozładowanie aktywnego wyjścia. Przyjrzyjmy się bliżej tym funkcjonalnościom.

    Precyzyjne wejście załączające
    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Każdy stabilizator, włącznie z stabilizatorem LDO, wyposażony jest wejście załączające z precyzyjnym napięciem odniesienia wynoszącym 0,8 V. W momencie gdy napięcie podawane na to wejście przekroczy napięcie odniesienia 0,8 V stabilizator zzostanie uruchomiony. Gdy napięcie spada poniżej 0,725 V stabilizator zostanie ponownie wyłączony. Dla zapewnienia poprawnego działanie wewnątrz układu dodano opornik podciągający do masy o wartości 1 MΩ. To precyzyjne wejście pozwala na sekwencjonowanie zasilania, poprzez załączanie kolejnego stabilizatora napięciem z poprzedniego. Na przykład jeśli wyjście z pierwszego stabilizatora wynosi normalnie 5 V możemy skonfigurować je tak iż próg 0,8 V przypada na 4 V. Oznacza to że gdy napięcie na pierwszym wyjściu przekroczy 4 V drugi stabilizator zostanie załączony.

    Programowalny soft-start
    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Układy soft-startu pozwalają na kontrolowane narastanie napięcia na wyjściu stabilizatora co zabezpiecza układ przed nadmiernym prądem płynącym podczas uruchomienia. Jeśli pin soft-startu podłączony jest do napięcia VREG to cas narastania ustalany jest na 2 ms, jednakże można go wydłużyć do 8 ms poprzez dołączenie dzielnika oporowego pomiędzy pin soft-startu a VREG oraz masę. Tą funkcjonalność wykorzystać można gdy na wyjściu stabilizatora włączony jest kondensator o dużej pojemności. Pozwala to na w pełni konfigurowalne kontrolowane załączanie stabilizatora podczas sekwencji załączania linii zasilania

    Wyjście informujące o poprawnym działaniu stabilizatora
    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Układy wyposażone są w wyjście power-good działające jako otwarty dren. Na wyjściu tym ustawiany jest stan wysoki podczas normalnej pracy układu. Wyjście to pozwala na komunikację z systemem, informującą iż konkretny stabilizator działa poprawnie. Domyślnie wyjście to zaprogramowane jest do monitorowania pierwszego stabilizatora impulsowego, jednakże można skonfigurować układ do innej pracy. Poszczególne sygnały power-good pochodzące z poszczególnych stabilizatorów mogą być odczytywane poprzez interfejs I²C układu ADP5050.

    Wyjście w stanie wysokim oznacza iż wyjście z stabilizatora jest powyżej 90,5% nominalnego napięcia, jeśli napięcie to spadnie poniżej 87,2% na dłużej niż 50 mikrosekund ustawiony zostanie na tym wyjściu stan niski. Fizyczny pin power-good w układzie jest iloczynem (AND) wewnętrznych sygnałów działania stabilizatorów.Wewnętrzne sygnały muszą być co najmniej 1 ms w stanie wysokim zanim pin power-good przejdzie w stan wysoki.

    Przełącznik rozładowywania wyjścia
    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Każdy z stabilizatorów impulsowych w systemie posiada wbudowany przełącznik rozładowywania wyjścia. Oznacza to że w momencie gdy stabilizator zostanie wyłączony jego wyjście zostanie zwarte z masą poprzez opornik 250 Ω. Pozwala na to rozładowanie pojemności znajdujących się w danej linii zasilania. Jest to niezwykle istotne dla niezawodnego działania systemu zwłaszcza jeśli zasilanie będzie cyklicznie wyłączane i włączane.

    Na poniższym obrazku pokazano typową sekwencję załączania napięć w opisywanym układzie.

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Interfejs I²C

    Interfejs I²C wbudowany w układ pozwala na monistorowanie pracy systemu zasilania oraz regulację napięcia wyjściowego z dwóch stabilizatorów impulsowych (pierwszego i czwartego). Pozwala także na monitorowanie szeregu parametrów pracy układu między innymi napięcia wejściowego i temperatury układu.

    Monitorowanie napięcia wejściowego

    Napięcie wejściowe do układu może być monitorowane na wypadek różnego rodzaju awarii. Na przykład w systemie zasilanym 12 V interfejs kontrolny konfigurowany jest tak iż wyśle on sygnał alarmowy jeśli napięcie wejściowe spadnie poniżej 10,2 V. Sygnał przerwania na dedykowanym pinie poinformuje o tym zdarzeniu procesor. Poziom przy których wyzwalane będzie takie przerwanie konfigurowany jest programowo.

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Monitorowanie temperatury złącza

    Funkcja monitorowania temperatury układu jest niezwykle istotna i pozwala na wykrywanie przegrzania powyżej prekonfigurowanego poziomu., Programowo można ustawić jeden z trzech poziomów limitu temperatury - 105, 115 lub 125 stopnii celsjusza. Wystąpienie temperatury powyżej ustalonego programowo poziomu spowoduje wyzwolenie przerwania, informującego o sytuacji procesor systemu.

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Aktywne rozładowywanie wyjścia

    System aktywnego rozładowywania kondensatorów na wyjściu przetwornicy pozwala na szybkie rozładowanie pojemności filtrującej na wyjściu stabilizatora. Stan tej funkcji kontrolowany jest programowo. Zastosowanie funkcji rozładowywania wyjścia po wyłączeniu stabilizatora pozwala na poprawę niezawodności działania systemu zasilającego.

    Dynamiczne skalowanie napięcia

    Dynamiczne skalowanie napięcia pozwala na zmniejszenie zużycia mocy przez system poprzez zmniejszenie napięcia zasilającego w kanale pierwszym i czwartym systemu zasilającego. Zmiana taka odbywać będzie się dynamicznie podczas pracy, podczas przechodzenia w tryb oszczędzania mocy. Napięci wyjściowe wszystkich z czterech wyjść układu kontrolowane jest programowo z wykorzystaniem interfejsu I²C.

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Dodatkowo układ posiada wbudowany szereg funkcji pozwalających na zmniejszenie poziomu szumów w napięciu wyjściowym.

    Szeroki zakres częstotliwości pracy przetwornicy, którą ustawia się z pomocą zewnętrznego opornika na pinie RT układu, umożliwia takie dobranie częstotliwości aby nie interferowała ona z istotnymi procesami w systemie. Częstotliwość przełączania przetwornicy wynosić może od 250 kHz do 1,4 MHZ.

    Przesunięcie fazy pomiędzy przetwornicami

    Z pomocą interfejsu I²C możliwym jest zaprogramowanie przesunięcia fazy pomiędzy poszczególnymi przetwornicami, Domyślnie pomiędzy pierwszą a drugą oraz trzecią i czwartą przetwornicą występuje przesunięcie fazy o 180 stopnii. Praca stabilizatorów impulsowych w różnej fazie pozwala na zmniejszenie zakłóceń w układzie oraz na bardziej równomierny pobór prądu przez system zasilania.

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Faza pomiędzy kanałąmi drugim, trzecim i czwartym może zostać przesunięta o 0°, 90°, 180°, lub 270° względem kanału pierwszego. Przesunięcie to konfiguruje się programowo z pomocą interfejsu I²C. Pokazano to na poniższej ilustracji. Jeśli układy skonfigurowane są do równoległej operacji wtedy kanał drugi pracuje w przeciwfazie do kanału pierwszego.

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    Synchronizacja zegara

    Częstotliwość przełączania przetwornic może być zsynchronizowana z zewnętrznym zegarem o częstotliwości z zakresu od 250 kHz do 1,4 MHZ podłączonym, do pinu SYNC. Jest to niezwykle istotne gdyż pozwala na synchronizację układów zasilających w czułych systemach RF. Od razu po wykryciu zewnętrznego sygnału zegarowego przetwornica płynnie przechodzi do jego wykorzystania do taktowania swojej pracy. Sugeruje się aby zaprogramowana w przetwornicy częstotliwość nie odbiegała o więcej niż o 15% od tej do której zsynchronizować ma się układu.

    Istnieje także możliwość wykorzystania pinu SYNC jako wyjścia, poprzez odpowiednią konfigurację z pomocą interfejsu I²C. W takim przypadku układ generuje sygnał prostokątny, który może być wykorzystany do taktowania kolejnych układów zasilania w systemie. Pozwala to na zsynchronizowanie dwóch lub więcej kontrolerów zasilania do jednej częstotliwości. Poniżej zaprezentowano uproszczony model systemu wykorzystującego tą funkcjonalność

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji


    W ten sposób oba układy zsynchronizowane są do tego samego przebiegu zegarowego, zatem przesunięcie fazy pomiędzy pierwszymi przetwornicami w obu układach wynosi 0 stopnii, jak widać na załączonym oscylogramie poniżej:

    System zasilania o wysokiej gęstości mocy dedykowany do 'ciasnych' aplikacji

    Źródła:
    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/47-11/multi_rail.html


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Metal Work Pneumatic