Maggiore efficienza energetica con il controllo digitale

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Per molti decenni il progetto dei convertitori Dc-Dc si è basato sul controllo analogico che, grazie a un mix bilanciato tra basso costo e prestazioni di controllo ad anello chiuso adeguate, era in grado di soddisfare le esigenze di un gran numero di applicazioni. L’incremento della potenza richiesta dai processori e dagli Fpga di nuova generazione ha avuto un impatto di notevole entità sul progetto dei convertitori Dc-Dc, in particolar modo per le applicazioni di tipo Point Of Load. Questi dispositivi digitali avanzati richiedono elevate correnti di picco che devono essere erogati a tensioni più basse il cui valore viene spesso regolato durante il funzionamento mediante tecniche di tipo Dvs (Dynamic Voltage Scaling) ovvero riduzione dinamica della tensione, o Avs (Adaptive Voltage Scaling) ovvero riduzione adattativa della tensione. Nonostante l’esigenza di ottenere una risposta in tempi rapidi, i margini di errore per la regolazione della tensione sono molto ridotti, il che comporta un onere maggiore per l’anello di controllo che, nel caso di controllo di tipo analogico, richiede ampiezze di banda d’anello maggiori o il ricorso a soluzioni potenzialmente complesse.


Modulazione Pwm
Molti convertitori Dc-Dc a commutazione adottano la modulazione Pwm (Pulse Width Modulation) per fornire potenza a un carico, ricorrendo solitamente a una coppia di Mosfet complementari e a un induttore per immagazzinare temporaneamente l’energia erogata dall’alimentatore. Il controllore Pwm campiona la tensione di uscita e confronta il suo valore con quello di una tensione di riferimento per generare un segnale di errore. Questo a sua volta è confrontato con l'uscita di un oscillatore che genera una forma d'onda a rampa. Quando il segnale a rampa supera quello della tensione di errore, il Mosfet che ha il compito di caricare l'induttore viene innescato. Nel momento in cui il segnale a rampa diminuisce e passa sotto quello della tensione di errore, il Mosfet è disattivato disconnettendo l'alimentazione e l'induttore può cominciare a trasferire corrente. Le variazioni nella tensione di errore nel momento in cui la tensione aumenta e diminuisce controllano l'ampiezza temporale dell'impulso di corrente fornito al carico attraverso l'induttore. Alle frequenze elevate, il segnale errore sarà presumibilmente prossimo allo zero a meno che il carico non richieda variazioni rapide. Se la richiesta del carico varia con rapidità, la stabilità dell’anello può risultare problematica poiché il controllore dell’anello chiuso cerca di riportare a zero il segnale di errore. Tra gli algoritmi di controllo più avanzati che è possibile adottare da segnalare quello che prevede il rilevamento di corrente per regolare l'ampiezza dell'impulso e cercare di evitare l'instabilità: questo approccio, comunque, non è in grado di risolvere tutte le problematiche legate alla stabilità. Gli alimentatori a commutazione che fanno ricorso a tecniche di controllo di tipo analogico utilizzano spesso una rete di compensazione per regolare la risposta in frequenza dell’anello in modo da garantire un’adeguata risposta ai fenomeni transitori senza compromettere la stabilità. La progettazione di questa rete di compensazione può risultare un compito oneroso in termini di tempo e richiede spesso ripetuti tentativi . Sul lungo termine le prestazioni della rete di compensazione possono degradarsi a causa di variazioni di temperature o invecchiamento del dispositivo. Poiché i componenti della rete di compensazione sono saldati, è praticamente impossibile intervenire per rimettere a punto il comportamento della rete nel momento in cui iniziano a evidenziarsi fenomeni di invecchiamento.

Algoritmi di controllo digitale
L’elaborazione di tipo digitale permette di implementare algoritmi contraddistinti da una velocità di reazione maggiore per la regolazione Dc/Dc. Alcuni di essi adottano tecniche simili a quelle utilizzate per il controllo dei motori di precisione impiegati nelle applicazioni di robotica. Una volta adottato il controllo di tipo digitale, i progettisti di alimentatori possono prendere in considerazione una gamma molto più ampia di algoritmi di controllo per individuare quelli più adatti a soddisfare i requisiti della particolare applicazione considerata e grazie ai quali è possibile ridurre il numero di componenti di filtraggio richiesti, con conseguente diminuzione degli ingombri a bordo della scheda Pcb. Confrontiamo le metodologie di controllo dell’anello interno di tipo analogico e digitale. In termini di ingressi e uscite, gli algoritmi di controllo digitali sono del tutti simili a quelli dei loro equivalenti analogici. Come accade per un controllore analogico, la tensione di uscita e possibilmente anche la corrente forniscono informazioni all’algoritmo circa lo stato del sistema. Le strategie di controllo comuni sono per lo più basate sugli algoritmi di tipo Pid (Proportional-Integral-Derivative) ad anello chiuso. In un controllore Pid la lettura della tensione di errore attuale (P) è abbinata all’accumulo degli errori passati (utilizzando lo stadio integrale) e a una previsione degli errori futuri (utilizzando lo stadio derivativo dell’algoritmo) al fine di regolare l’ampiezza dell’impulso per ogni ciclo Pwm successivo. In questo modo l’algoritmo può regolare i tempi di “on” e di “off” senza dover attendere l’innesco del comparatore di errore a rampa fisso. Il processore Pid può anche assumersi il compito di effettuare la compensazione del guadagno e dello sfasamento per l’anello di controllo, operazioni queste del tutto simili a quelle effettuate dalla rete di compensazione della controparte analogica.
I coefficienti programmati nel controllore Pid determinano parametri quali il guadagno d’anello e sono utilizzati, come d’altronde avviene nelle reti dei circuiti analogici formati da elementi passivi, per generare la risposta del sistema desiderata che dia garanzia di stabilità. I valori per questi coefficienti possono essere calcolati matematicamente utilizzando un modello e programmati nel controllore. Sebbene la generazione del modello non sia un compito banale, l’impiego di un processore digitale consente ai progettisti di mettere a punto l’algoritmo in grado di soddisfare le loro esigenze semplicemente programmando tali valori nel controllore invece di procedere alla saldatura di differenti componenti passivi. Sebbene un controllo di tipo Pid garantisca una maggiore flessibilità rispetto al tradizionale controllo analogico, esso evidenzia ancora alcune limitazioni per sopperire alle quali è necessario il ricorso a condensatori esterni per effettuare operazioni di filtraggio e garantire la stabilità. I convertitori Dc/Dc più avanzati, come ad esempio il convertitore BMR461 di Ericsson Power Modules, utilizzano un modello interno del sistema al fine di migliorare il controllo complessivo. Il modello nello spazio degli stati basato su vettori consente al controllore di seguire il comportamento del sistema utilizzando un numero ridotto di ingressi. Il modello aggiorna la propria percezione del mondo circostante in base alle variazioni degli ingressi. Una corrispondenza più precisa tra il modello e il comportamento del dispositivo si traduce in un controllo più preciso e nel caso di convertitori Dc/Dc come il modello BMR461, nell’eliminazione di un buon numero di condensatori esterni.

I vantaggi del controllo digitale
I benefici del controllo digitale possono andare ben oltre il semplice incremento delle prestazioni dei convertitori di potenza discreti. Vista la difficoltà di regolare i convertitori basati su circuiti analogici, questi devono devono essere progettati e regolati su base individuale. Grazie al controllo digitale, invece, è possibile disporre di convertitori di potenza che operano in sinergia con il sistema e sfruttare approcci di natura olistica per quel che riguarda l'efficienza energetica.
Nelle applicazioni di networking, ad esempio, la potenza assorbita dalle apparecchiature aumenta in funzione della quantità di dati che vengono trasferiti. Nei momenti in cui il traffico è scarso, una rete opererà ben al di sotto della sua capacità. Le tensioni e le correnti fornite a ciascuno dei processori e degli Fpga saranno ridotti e gli alimentatori funzioneranno molto al disotto del valore nominale del carico. I miglioramenti apportati agli algoritmi di controllo hanno contribuito a migliorare l'efficienza in presenza di carichi di valore ridotto dei convertitori PoL a bus intemedio. In ogni caso si verificano ancora perdite imputabili alla necessità di dover convertire elevati valori di tensione in bassi valori di uscita per bassi carichi. I duty cycle molto brevi tendono a causare perdite di commutazione relativamente elevate. Implementando un anello di controllo digitale che comprende sia i convertitori Pol sia quelli a bus intermedio, la tensione del bus intermedio può essere modificata dinamicamente in funzione delle variazioni del carico. La tensione di ingresso inviata ai convertitori PoL può essere ridotta in condizioni di basso carico, con conseguente incremento dell'efficienza complessiva del sistema.

Il ruolo degli standard
Per favorire l’adozione su larga scala della tecnologia di controllo digitale, gli standard sono importanti per assicurare che i progettisti di sistema possano sfruttare appieno i vantaggi degli algoritmi di controllo implementati su convertitori differenti. Iniziative come ad esempio la costituzione del consorzio Amp (Architects of Modern Power), del quale Ericsson è uno dei membri fondatori, facilitano la creazione di un ecosistema per lo sviluppo di soluzioni di potenza semplici, intuitive e multi-sorgente che garantiscono una conversione di potenza efficiente. I miglioramenti tecnologici come il controllo nello spazio degli stati e le iniziative per promuovere una maggiore efficienza energetica come il consorzio Amp sono finalizzati a garantire una conversione di potenza "perfetta" in ogni momento e in tutte le condizioni.

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