Bits&Chips

Digitale stroomconversie: onbekend maakt onbemind

Auteur: Fionn Sheerin
15 december 2017 

Rondom digitale stroomconversie leven nog veel misverstanden. Fionn Sheerin van Microchip legt uit welke voor- en nadelen er aan de aanpak kleven, en wanneer een digitale aanpak zinvoller is dan een analoge.

Digitale stroomconversie is tot nog toe een relatief onbekend fenomeen, voedingen zijn traditioneel analoog. Sommige ontwerpers zien digital power echter als dé nieuwe hoofdstroom. Volgens anderen is het juist niet meer dan een overbodige luxe.

De werkelijkheid is natuurlijk genuanceerder. Digitale stroomconversie bestrijkt een reeks aan technieken en die kunnen, indien juist ingezet, voordelen met zich meebrengen waar specifieke ontwerpen van kunnen profiteren. We nemen een aantal veelgehoorde misverstanden onder de loep om de uitdagingen, voordelen en het optimale gebruik van digitale technologieën beter te begrijpen.

1. Voedingen zijn ofwel analoog, ofwel digitaal

Digitale hulpmiddelen kunnen voedingen flexibeler, beter instelbaar en adaptief maken voor wisselende omstandigheden. Of de regellus is geïmplementeerd in het digitale of analoge domein, maakt daarvoor niet uit.

Switch mode-stroomconversie is bijvoorbeeld inherent mixed-signal, met pwm-signalen die digitaal zijn en een feedbacksignaal dat analoog is. Daartussen zit een ad-conversiestap met zeer nauwkeurige timing. De beslissing om te schakelen kan zowel worden genomen door een analoog versterkergebaseerd stuurcircuit als door een digitaal algoritme bij het feedbacksignaal.

Analoge regel-ic’s hebben vandaag de dag steeds vaker digitale interfaces waarmee we ze extern kunnen aansturen, terwijl digitale microcontrollers meer en meer analoge componenten aan boord hebben die regeling van voedingen mogelijk maakt (Figuur 1). Met een slimme componentselectie kunnen we interfaces, slaapmodi, frequentieverschuivingen, synchronisatie, softstart, foutbescherming en outputvoltage of -stroom allemaal intelligent implementeren in een stroomconversiesysteem - zowel met analoge als met digitale controlelussen.

Figuur 1: Geïntegreerde regel-ic’s zoals Microchips MCP19118 maken het mogelijk om analoge circuits digitaal aan te sturen.

2. Digital power zal analoog volledig vervangen

Digital power wordt soms neergezet als de zilveren kogel die alle problemen verleden tijd maakt, maar het is niet voor elke toepassing geschikt. Het is bijvoorbeeld niet erg zinvol om zo veel rekenkracht in een mp3-spelertje met een intern accuutje te stoppen om alleen maar de voedingsspanning op te voeren. Maar de voeding voor een platinum-level server, die efficiënt output moet genereren en snel moet reageren op veranderingen in de belasting, kan er wel van profiteren.

Een mooi voorbeeld van het nut van de digitale aanpak vinden we bij zendmasten. Omdat de controller al van tevoren weet wanneer de transmitter wordt aangezet, kan die de stroomconverter inseinen en is het stroomniveau al op niveau als het zo ver is. De stroomdip die normaal zou ontstaan omdat de stroomomzetter moet reageren, blijft daarmee uit. Dit soort features van digital power rechtvaardigen de extra complexiteit in het design.

Een systeem met een relatief constant stroomverbruik kan daarentegen een veel eenvoudigere en goedkopere analoge voeding gebruiken. De kosten en eenvoud van een asic-gebaseerde regelaar zijn immers moeilijk te verslaan.

3. Digitale voedingen zijn duurder

Onder ontwerpers leeft het idee dat digitaal gestuurde voedingen duurder zijn dan hun analoge tegenhangers. Dit is echter niet altijd het geval. Zo kunnen digitale bronnen minder nauwkeurige en daardoor goedkopere componenten gebruiken. Ook kan het totale aantal componenten lager uitvallen, wat zowel een reductie in kosten als fysieke afmetingen oplevert.

Digitale voedingen kunnen ook geld besparen in termen van cost of ownership. In toepassingen met variabele belastingen kunnen we niet-lineaire en adaptieve algoritmes inbouwen die de beste efficiëntie leveren in alle omstandigheden. Digitale voedingen kunnen bovendien rekening houden met veroudering van componenten gedurende het operationele leven en waarschuwen wanneer preventief onderhoud nodig is. Catastrofaal falen, en dure onverwachte downtime, kunnen we daarmee voorkomen.

4. Digitale voedingen zijn efficiënter

Analoge stroombronnen kunnen net zo efficiënt zijn als digitale bij een specifieke werkpunt. De uitdaging is om efficiënt te blijven wanneer de belasting daarvan afwijkt. Digitaal gestuurde voedingen kunnen adaptieve algoritmes inzetten en zelfs de topologie van een systeem aanpassen (met technieken zoals phase shedding) wanneer de omstandigheden veranderen. Ze kunnen ook niet-lineaire en voorspellende algoritmes toepassen om de dynamische respons op verstoringen te verbeteren.

Aan de andere kant ligt het verbruik van digitale controllers zelf vaak hoger dan dat van analoge. Digitale controllers passen daardoor doorgaans beter bij toepassingen met grote stromen, waar hun overhead wordt gecompenseerd door de extra energiebesparingen die de geavanceerdere regelalgoritmes met zich meebrengen.

5. Digitale voedingen zijn moeilijker te ontwerpen

Digitaal gestuurde voedingen zijn niet per se moeilijker te ontwerpen dan analoge, alleen anders. Het design van de stroomketen is in beide gevallen sterk vergelijkbaar (Figuur 2). De controlelus of het compensatorontwerp implementeren we in de digitale situatie in firmware in plaats van in analoge circuits. Daarbij moeten we dezelfde karakteristieken gebruiken als in een analoog ontwerp, maar bij een digitale compensator zullen we softwaregereedschappen inzetten om de optimale respons van de regellus te configureren.

Ontwerpers hoeven de software niet per se zelf te schrijven. Microchip heeft bijvoorbeeld gratis sterk geoptimaliseerde softwarebibliotheken beschikbaar voor zijn Dspic-lijn van digitale signaalcontrollers die geoptimaliseerd zijn voor specifieke stroomketens door coëfficiënten met de ontwerptools af te leiden.

Figuur 2: Een digitaal en analoog ontwerp voor een switch mode-voeding

6. Digitale voedingen zijn makkelijker te ontwerpen (want het is alleen maar software)

Dat digitale voedingen software gebruiken voor het regelalgoritme maakt het ontwerp ervan niet veel makkelijker. Ontwerpers moeten de werking van hun controlesysteem nog steeds doorgronden en ze moeten nog steeds de frequentierespons van de stroomketen karakteriseren om de softwaregebaseerde compensator te configureren. Maar het is met software wel makkelijker om aan de parameters te schaven.

7. Analoge stroomconversie is robuuster

Analoge stroomvoorzieningen kunnen fouten snel hardwarematig afhandelen, waardoor onder- en overvoltagevergelijking en stroomlimitering per kloktik worden afgehandeld. Er zijn echter ook digitale regel-ic’s verkrijgbaar met geïntegreerde componenten hiervoor, zoals analoge comparators voor stroomlimitering. Aan de andere kant kunnen digitale features extra voordelen met zich meebrengen, zelfs al is de regellus analoog.

Met software zijn de reacties op een fout of brownout bijvoorbeeld volledig instelbaar (onder meer via het op maat snijden van softstart, soft shutdown, trickle charge, timeout of een nieuw poging), terwijl dat lastig (of onmogelijk) te implementeren is in analoge controllers. Een ontwerp met digitale controlelussen of geïntegreerde feedbacknetwerken is ook minder afhankelijk van slijtage of verandering van externe passieve componenten over de tijd. Ten slotte bieden digitale interfaces diagnostische informatie waarmee we problemen kunnen identificeren.

Voor alle voedingen, ongeacht de implementatie, is het voor de levensduur essentieel om goed te testen, maar er zijn geen fundamentele redenen waarom digitale stroomvoorzieningen minder betrouwbaar zouden zijn dan hun analoge tegenhangers. Zowel in analoge als digitale systemen is robuustheid een complexe systeemfeature die beïnvloed wordt door vele factoren. De extra digitale features kunnen echter een robuuster systeem opleveren dan een simpele op maat gemaakte analoge oplossing.

8. De latency in digitale controllers is een probleem

Digitale systemen introduceren op twee manieren latency in een systeem: via de periodieke bemonstering en via de rekentijd. De bemonstering veroorzaakt een faseverschuiving waar niet makkelijk voor te compenseren is. Een digitaal systeem moet de crossover-frequentie lager leggen om dezelfde stabiliteit te bereiken, met langere transiëntrespons tot gevolg. Bovendien moeten het uitlezen van de ad-converter en de berekening in één schakelcyclus worden afgerond, anders introduceert de processor additionele latency.

Deze nadelen kunnen we omzeilen met geavanceerde niet-lineaire regelmethodes en feedforward-technieken - algoritmes die lastig (of onmogelijk) te implementeren zijn in analoge regelsystemen. Dit stelt wel eisen aan de rekenkracht, dus er is een uitruil tussen verwerkingssnelheid, schakelfrequentie, algoritmische complexiteit en transiëntrespons. Dit is iets om rekening mee te houden, maar de transiëntrespons hoeft niet slechter te zijn.

9. Gebrek aan belasting is een probleem

Schakelende voedingen hebben doorgaans twee standen: discontinu en continu. In de discontinue stand valt de inductorstroom aan het eind van elke pwm-cyclus naar nul, terwijl die bij continue geleiding in stand wordt gehouden. Het voordeel van continue geleiding is dat de inductorstroom niet telkens vanaf nul opgeschroefd hoeft te worden, waardoor er per cyclus meer stroom wordt geleverd. De controlelus kan echter instabiel worden als de stroom naar nul gaat in een ontwerp met continue geleiding.

Oudere ontwerpen losten dit op door een minimumstroom ofwel te specificeren, ofwel te garanderen met een load-weerstand op de output (forced continuous conduction of fcc). Vandaag de dag zijn er echter voedingscontrollers die zowel met continue als discontinue standen overweg kunnen (pwm en pfm), met monitoringcircuits die bepalen wanneer er van de ene naar de andere stand moet worden geschakeld. Ooit was dit was dus inderdaad een beperking, maar dankzij nieuwere controllers die dit automatisch afhandelen, is het nu niet meer dan een voetnoot in de geschiedenis.

10. Software-defined power neemt de wereld over

Een paar jaar terug hoorde je overal dat software-defined radio de standaard manier van werken zou worden voor radio-ontvangers. Maar ondanks de vele voordelen van sdr was er ook een groot nadeel: er is een processor nodig met tien tot honderd keer meer mips dan de ontvangstfrequentie. Zelfs als een analoge mixer de radiofrequentie converteert naar een lagere intermediaire frequentie, heeft het systeem nog tien tot honderd mips nodig, en dan is de processor alleen nog maar bezig met demodulatie. Dat is, op zijn zachtst gezegd, niet kosteneffectief.

Wanneer iemand beweert dat software-defined power de standaard wordt, is er dan ook niet zo veel reden om dat al te serieus te nemen. Niks is eenvoudiger en goedkoper dan een lineaire regulator - en zelfs als er een processor zou zijn met de benodigde kracht voor dezelfde prijs, zou het ontwerp nog steeds een lineaire regulator nodig hebben om de processor initieel van stroom te voorzien. Sdp heeft zeker zijn plek, maar het is geen universele oplossing voor stroomconversie en zal dat ook nooit worden.

Het is vaak lastig om marketingpraat te onderscheiden van harde feiten, vooral wanneer de markt in beweging is zoals de huidige stroommarkt. Voorstanders van verandering prijzen de voordelen van de nieuwe technologie de hemel in en vergeten vaak de uitdagingen te vermelden. De conservatieven focussen alleen op die uitdagingen en roepen: ‘If it ain’t broke, don’t fix it.’ In werkelijkheid leven we natuurlijk niet in die uitersten; we integreren het nieuwe in het oude en zoeken steeds naar de juiste balans voor onze huidige ontwerpeisen.

Fionn Sheerin is senior productmarketingengineer bij Microchip Technology.

Vertaling en redactie Pieter Edelman

Abonneer direct op onze nieuwsbrief

abonneren

System modelling with sysML

4 juni - 7 juni

Eindhoven

System modelling with sysML

4 juni - 7 juni

Eindhoven

Dutch System Architecting Conference

14 juni

's-Hertogenbosch