La próxima generación en control de fuentes de alimentación digital

El control digital en la conversión de alimentación sigue avanzando gracias a las recientes mejoras en los dominios analógico y digital.

La continua adopción de control digital en la conversión y distribución de alimentación se debe a la flexibilidad y la mayor eficiencia que proporciona. No obstante, estas ventajas no son gratuitas, sino el resultado de algoritmos complejos y sofisticados que funcionan a unas velocidades de proceso cada vez más elevadas con el fin de optimizar la eficiencia de las fuentes de alimentación conmutadas.

La optimización de las fuentes de alimentación conmutadas se considera cada vez más una oportunidad destacable para que los fabricantes ofrezcan una mayor eficiencia en los productos finales. Sin embargo, la dificultad estriba en mantener este funcionamiento eficiente para un conjunto amplio y variable de condiciones de carga. La corrección del factor de potencia introdujo una nueva era para los objetivos de eficiencia — tanto de tipo normativo como impulsada por el mercado — y ha captado la atención de los suministradores de semiconductores, que se esfuerzan por mejorar continuamente sus soluciones para el control de alimentación digital. Los algoritmos basados en software ofrecen el potencial para soluciones más flexibles y eficientes cuando se combinan con el hardware adecuado.

Control digital

La conversión de alimentación empieza invariablemente con una fuente de CA, que se rectifica a CC y a continuación pasa por varias tensiones intermedias hasta llegar en última instancia al punto de carga (Point of Load, POL). El factor de potencia de un sistema es la proporción entre la potencia real y aparente; cuanto más se acerca esta proporción a la unidad, más eficientes es el sistema. La corrección del factor de potencia (Power Factor Correction, PFC) es el método empleado para recuperar una proporción igual a la unidad (o lo más cercana posible a éste) y se puede lograr mediante condensadores, pero cada vez es más factible aplicar PFC en un convertidor reductor (Buck), elevador (Boost) o reductor/elevador (Buck/Boost) bajo control digital. El paso entre los dominios analógico y digital exige generalmente una latencia añadida, el retardo del bucle de retardo, y describe el tiempo total necesario para aplicar un cambio a la conversión y medir los efectos de ese cambio. Bajo condiciones estables esto sería relativamente sencillo pero bajo cargas variables la velocidad a la cual se ejecuta el bucle de control influye directamente sobre el PFC y la eficiencia total.

La dificultad es mayor cuando la etapa POL necesita una tensión baja pero niveles altos de corriente, como ocurre a menudo en sistemas embebidos modernos. En la actualidad los microprocesadores, FPGA y ASIC funcionan invariablemente a partir de tensiones bajas — 3,3V e inferiores — pero exigen una corriente mucho más elevada con el fin de cubrir la demanda total de alimentación. Además, esta demanda puede variar significativamente en función de los requisitos de funcionamiento. Tal como indica la Figura 1, se puede aplicar el control digital a todo el flujo de conversión de alimentación con el fin de introducir no solo una mayor eficiencia sino también la flexibilidad necesaria para conservar esta eficiencia con un amplio rango de cargas.

Esto es posible gracias al continuo desarrollo de algoritmos sofisticados, incluyendo algoritmos adaptativos que pueden reaccionar a los cambios de los niveles de carga, y los algoritmos no lineales y predictivos que pueden mejorar la respuesta dinámica bajo condiciones transitorias. A medida que se desarrolla la tecnología de los semiconductores, los fabricantes están en condiciones de aprovecharla para aumentar las prestaciones de las soluciones de control digital, lo cual permite alcanzar unas frecuencias de conmutación más altas que dan como resultado no solo una eficiencia superior sino también una mayor densidad de potencia.

Controladores de señal digital

La aparición del control digital en ámbitos como la conversión de alimentación, accionamientos de motores y aplicaciones similares en las cuales el control adaptativo resulta ventajoso, ha conducido al desarrollo de controladores de señal digital (Digital Signal Controllers, DSC). Estos dispositivos combinan las ventajas de un procesador de señal digital (Digital Signal Processor, DSP), muy utilizados en proceso de audio y vídeo, y el venerable microcontrolador, para crear una nueva clase de dispositivos perfectamente ajustados para ejecutar algoritmos de control que serían demasiado complejos para un microcontrolador tradicional, junto con los periféricos e interfaces que no suele incorporar un DSP.

El mercado ofrece un creciente número de DSC, y todos ellos tratan de cubrir estas exigencias. Los que ofrecen las mejores prestaciones son los caracterizados por una continua mejora de su arquitectura que permite a los desarrolladores mejorar aún más la velocidad y precisión del bucle de control en su aplicación, así como permitirles aprovechar al máximo los desarrollos más recientes en algoritmos de control.

Los DCS son fundamentalmente la solución definitiva de señal mixta; deben combinar proceso digital y periféricos analógicos. Para obtener una solución complete es necesario que ambos dominios funcionen juntos a la perfección, de ahí que los dispositivos totalmente integrados ofrezcan el mejor enfoque. Sin embargo, la combinación de la tecnología analógica y digital en un solo dispositivo introduce compromisos de diseño, pero la mejora de las prestaciones en ambos dominios de forma equilibrada es primordial para proporcionar mejores soluciones.

Los componentes fundamentales de un DSC son un núcleo capaz de ejecutar de forma eficiente algoritmos de proceso de señal, combinado con conversión de señal en forma de uno o varios convertidores A/D y algún tipo de salida de modulación de anchura de pulso (Pulse Width Modulation, PWM) utilizada para controlar transistores de potencia como MOSFET en circuito/s de conversión reductores/elevadores.

La combinación de estos elementos es una sola arquitectura que admita bucles rápidos de control es la clave para construir un DSC con éxito, lo y que constituye a su vez el centro de una conversión eficiente de alimentación CA/CC y CC/CC.

Solución de señal mixta

La tercera generación de la familia dsPIC33 GS de Microchip, denominada dsPIC33EP GS, ofrece unas mayores prestaciones en estos ámbitos fundamentales respecto a la segunda generación. El núcleo ahora proporciona 70MIPS (partiendo de 50MIPS) pero también incluye funciones como juegos de registros funcionales seleccionados dependiendo del contexto que aumentan aún más las prestaciones en aplicaciones de alimentación digital, por encima de lo que pueda sugerir simplemente el nivel de MIPS. Al añadir otros dos juegos de registros funcionales el núcleo ahora permite una conmutación prácticamente instantánea del contexto. Las prestaciones de los periféricos analógicos también se han visto mejoradas respecto a las generaciones anteriores. Por ejemplo, los productos de esta familia ofrecen hasta cinco convertidores A/D de 12 bit, con una latencia de conversión A/D reducida de 600ns a 300ns. En conjunto, estas mejoras permiten reducir la latencia del compensador de tres polos y tres ceros desde unos 2µs hasta menos de 1µs, reduciendo por tanto la erosión de fase para mejorar la estabilidad. Los bucles más rápidos de control también permiten frecuencias más altas de conmutación y una mejor respuesta a transitorios. La mayor eficiencia obtenida posibilitada por el aumento de las prestaciones también conlleva una mayor densidad de potencia; se pueden diseñar fuentes de alimentación diseñadas para que sean más pequeñas, de menor tamaño y con componentes pasivos discretos más pequeños.

Una mejora añadida en la arquitectura de la familia ‘GS’ es la introducción de dos particiones de Flash que permiten una función denominada actualizaciones instantáneas (Live Updates). Esta función permite que un algoritmo de control, o cualquier otro software ejecutado por el DSC, se actualice en campo mientras la fuente de alimentación sigue siendo totalmente operativa; el nuevo software se carga en la segunda partición de Flash, no operativa, y cuando se verifica el núcleo conmuta para ejecutar la segunda partición de Flash. Esta función es especialmente bienvenida en aplicaciones de alta disponibilidad, como fuentes de alimentación de servidores, cuando incluso pequeños aumentos de la eficiencia pueden dar como resultado grandes reducciones de los costes operativos. Sin la función de actualización instantánea, estas aplicaciones se quedarían sin actualizaciones del software durante las interrupciones de mantenimiento programadas (o no programadas) en funcionamiento, o dejarían el código sin modificar y desaprovechando beneficios potenciales. Desde luego, ninguna de estas opciones sería bienvenida en los entornos de los servidores.

Conclusión

El control digital de la conversión de alimentación sigue avanzando y sustituyendo progresivamente al control analógico debido al aumento que presenta desde el punto de vista de la flexibilidad y la eficiencia potencial. Si bien la complejidad es indudablemente un aspecto a tener en cuenta por los desarrolladores, las ventajas pueden ser convincentes. Dejando de lado los requisitos normativos, está claro que la utilización del control digital puede proporcionar mejores soluciones de conversión de alimentación y, con la introducción de las actualizaciones instantáneas, ofrecen una vía de evolución para las soluciones ya desarrolladas, incluso en aplicaciones de alta disponibilidad.

Los DSC representan la culminación del control digital en ésta y otras muchas aplicaciones que incluyan algoritmos complejos y periféricos analógicos de altas prestaciones. Las soluciones de señal mixta del “mundo real” siguen ofreciendo una oportunidad para aumentar las prestaciones en cada nivel; soluciones programables avanzadas y totalmente integradas como la familia dsPIC33EP GS representan la vanguardia de la tecnología de DSC, y ofrecerá a los desarrolladores de fuentes de alimentación un control de próxima generación.