Per parecchi decenni la tecnologia analogica ha rappresentato la base fondamentale delle topologie dei convertitori di potenza. Sebbene molti convertitori utilizzino tecniche di commutazione e una modulazione ad ampiezza d'impulso, la loro implementazione è sempre stata prevalentemente analogica sia per garantire la compatibilità a livello di processo per i semiconduttori di potenza sia per ragioni di natura economica. La situazione, ora, è mutata in maniera abbastanza radicale. La necessità di garantire maggiori livelli di efficienza dei sistemi utilizzati nei datacenter e nel settore delle telecomunicazioni ha permesso di evidenziare gli svantaggi della tecnologia analogica e dei suoi derivati. Il controllo e la gestione digitale della potenza conferiscono un certo grado di "intelligenza" in real-time che i progettisti possono sfruttare per realizzare sistemi di potenza capaci di adattarsi automaticamente all'ambiente in cui operano e che forniscono un livello di efficienza ottimizzato per la specifica applicazione considerata. L'uso di integrati di potenza digitali "intelligenti" permette di compensare automaticamente le variazioni di carico e di temperatura del sistema, nonché di risparmiare energia attraverso metodologie quali controllo del tempo morto adattativo, variazione dinamica della tensione o Avs (Adaptive Voltage Scaling), spostamento di frequenza, modalità Pdm (Phase Dropping Mode – ad esclusione di fase) e a commutazione discontinua. La percezione che si tratti di una tecnologia costosa è stata uno dei fattori che ha ostacolato l'adozione in tempi brevi della potenza digitale, ma l'introduzione di componenti di ultima generazione come il controllore ZL8800 di Intersil ha contribuito a far scomparire qualsiasi differenza tra controllo analogico e digitale. Ancora più importante, la modulazione Pwm (Pulse Width Modulation), il controllo dell'anello e la retroazione sono implementati mediante tecniche digitali. I segnali analogici sono convertiti in segnali digitali mediante i convertitori A/D e, una volta disponibili in forma digitale, dispositivi quali microcontrollori, Dsp o macchine a stati preposte a compiti di elaborazione controllano l'anello di retroazione e la modulazione Pwm digitale. Tutto ciò permette di preservare la stabilità senza ricorrere ad alcun compromesso in termini di rapidità di risposta come invece spesso accade nel caso del controllo analogico. Nonostante i vantaggi offerti dal controllo digitale, molti costruttori non sfruttano appieno le potenzialità offerte da questa tecnologia e, molto spesso, implementano in forma digitale le tecniche Pwm analogiche fondamentali. Mediante il controllo digitale è possibile realizzare anelli di controllo molto più flessibili e sfruttare il controllo multirate che prevede la regolazione dei singoli algoritmi per gestire eventi che si verificano a velocità differenti. I controllori Pwm digitali tradizionali sono campionati in maniera uniforme. Il controllore campiona l'errore nella tensione di uscita e in base a questo calcola il duty cycle richiesto per il ciclo di commutazione successivo. Lo svantaggio dei controllori che utilizzano il campionamento uniforme è la latenza, o ritardo di gruppo, che intercorre tra l'istante in cui avviene il campionamento dell'errore e il momento in cui il controllore Pwm è in grado di far commutare in maniera appropriata il circuito di alimentazione. Il ritardo di gruppo si traduce in un ritardo di fase (phase lag) che aumenta con la frequenza e impone un limite superiore all'ampiezza di banda ad anello chiuso ottenibile. Il controllo multirate, se da un lato permette di fornire una potenza stabile, dall'altro è in grado di reagire quasi istantaneamente a improvvise variazioni di tensione, garantendo una risposta appropriata all'interno di un singolo ciclo di commutazione Pwm. Per ottenere un risultato di questo tipo con le tradizionali architetture è necessario ricorrere a tecniche di commutazione a frequenza variabile, che contemplano un campionamento a frequenze più elevate e una funzione di controllo quando la tensione varia rapidamente. Le moderne apparecchiature di telecomunicazione e altre applicazioni per le quali i vincoli in termini di compatibilità elettromagnetica sono particolarmente stringenti richiedono il funzionamento a una frequenza fissa in modo da poter mantenere un controllo accurato dello spettro di rumore. Un altro approccio prevede l'uso di un guadagno proporzionale che varia in modo lineare con la deviazione della tensione di errore. Se si utilizza solamente un guadagno proporzionale è possibile ottenere una risposta in un singolo ciclo con una commutazione a frequenza fissa ma nel caso del guadagno di un anello a risposta veloce (fast response) si possono verificare fenomeni di instabilità.
La tecnologia ChargeMode
La tecnologia ChargeMode sviluppata da Intersil e adottata per la realizzazione del controllore Dc-Dc a due canali/due fasi ZL8800 utilizza una combinazione delle due tecniche di campionamento uniforme e multirate che prevede di campionare l'errore e calcolare il segnale di modulazione più volte durante un periodo di commutazione. Questa tecnica permette di ridurre in modo significativo il ritardo di gruppo e quindi supporta il funzionamento ad ampiezze di banda superiori. La riduzione del ritardo di gruppo si traduce a sua volta in una diminuzione del ritardo di fase. Il controllore ZL8800 utilizza un modulatore a due fronti (dual edge) che garantisce migliori prestazioni rispetto ai modulatori del fronte di salita (leading edge) in termini di ritardo di gruppo totale. Nella Fig. viene riportato lo schema della tecnica del doppio campionamento utilizzata da ZL8800. Il ritardo totale (tdelay) è la somma del ritardo della conversione effettuata dal convertitore A/D e del ritardo di elaborazione (che comprende il ritardo imputabile alla pipeline e ai filtri) ottenuta utilizzando entrambe le velocità di campionamento. Come visibile in figura, sfruttando il clock a più elevate frequenza NxFsw, il controllore ZL8800 permette di ottenere una riduzione di tdelay rispetto a un tradizionale modulatore Pwm a campionamento uniforme. Una volta ricevuto un segnale di errore dal campionamento ad alta frequenza, il controllore operante in modalità ChargeMode utilizza una strategia di nuova concezione per superare il problema dell'instabilità legata al solo impiego di un guadagno d'anello di valore elevato. Questa strategia prevede di circoscrivere l'effetto di una variazione a uno solo ciclo (o a un numero ristretto di cicli). Se l'effetto del duty cycle si propaga ai cicli successivi, si potrebbe arrivare a un punto di instabilità. Mediante l'utilizzo del controllo digitale è possibile assicurare che ciò che viene fatto a livello di duty cycle per far fronte a un'improvvisa variazione della tensione in un ciclo di commutazione è annullato nel corso del ciclo successivo (o entro alcuni cicli successivi) di commutazione. Questa tecnica va sotto il nome di compensazione digitale Ascr (A Single-Cycle Response). Lo schema a blocchi del compensatore ha molti punti in comune con l'architettura di un tradizionale controllore Pid (Proportional-Integral-Derivative) utilizzato per implementare le classiche strategie di controllo Pwm. Nonostante ciò, le differenza sono significative. Il diagramma mostra chiaramente in che modo la tecnica di campionamento multirate viene integrata all'interno del compensatore. Quest'ultimo prevede due percorsi paralleli per elaborare la tensione di errore quantizzata. Uno di questi, denominato "percorso veloce", campiona più frequentemente la tensione di errore rispetto al "percorso lento". Utilizzando questa innovativa struttura del compensatore, il comando del duty-cycle è retroazionato per determinare l'effetto del percorso veloce e annullare tale effetto nei cicli successivi.
Il compensatore di ZL8800
La struttura del compensatore di ZL8800 è caratterizzata da ritardi ridotti tra l'istante di campionamento dell'errore e il momento in cui viene presa la decisione che riguarda il duty-cycle. Ciò si traduce in un intrinseco aumento di fase alle alte frequenze, fatto questo che garantisce stabilità e consente lo sviluppo di progetti caratterizzati da ampiezze di banda più estese. Attraverso l'uso del controllo e del campionamento multirate, il compensatore Ascr è in grado di assicurare un anello di controllo intrinsecamente stabile che deve essere regolato solamente per soddisfare le specifiche in termini di ampiezza di banda. In un ampio range di configurazioni di filtri d'ingresso è necessario variare soltanto il guadagno dell'Ascr per ottenere il funzionamento in corrispondenza dell'ampiezza di banda ad anello chiuso desiderata. Per garantire prestazioni più elevate l'utente può controllare un secondo parametro: il residuo. Si tratta di un fattore di smorzamento che fondamentalmente stabilisce la velocità di risposta dell'anello. Uno svantaggio potenziale della tradizionale tecnica di campionamento multirate è l'introduzione di armoniche della frequenza di commutazione nell'anello di retroazione dovuta al sovracampionamento dell'errore. Il controllore ZL8800 permette di superare questo problema con l'utilizzo di un filtro di livellamento a bassa latenza nel "percorso veloce" grazie al quale è possibile scartare tutti gli elementi ripetitivi dell'ondulazione. Ciò che rimane sono gli elementi di natura non periodica della forma d'onda inclusi i gradini transitori con ritardo nullo (o comunque molto breve): in questo modo è possibile ottenere una riduzione dell'ondulazione superiore a 20 dB senza ritardi significativi, con conseguente aumento sia del guadagno sia dell'ampiezza di banda. Il controllo Pwm è solamente un aspetto della soluzione completa. Un controllore digitale realizzato sfruttando una tecnologia a segnali misti ad alto grado di integrazione consente l'inclusione delle funzionalità di gestione della potenza con quelle della conversione di potenza.
Il protocollo PMBus
I sistemi di potenza avanzati presenti in router, stazioni base e in altre infrastrutture di comunicazione dati di ultima generazione utilizzano una trasmissione digitale che sfrutta il bus seriale PMBus (Power Management Bus). Quest'ultimo è diventato il protocollo standard per comunicare con i sistemi per la conversione della potenza che utilizzano un bus di comunicazione digitale. L'adozione di PMBus e di dispositivi per la conversione della potenza in grado di supportarlo garantisce una flessibilità e un livello di controllo non conseguibili con i tradizionali sistemi di potenza analogici. Grazie a PMBus è anche possibile aggiungere in maniera semplice nuovi terminali di potenza. Il circuito integrato di potenza digitale per il nuovo terminale è corredato del proprio indirizzo SMBus ed è aggiunto al sistema senza necessità di riprogrammare o aggiungere altri circuiti integrati discreti per la gestione della potenza per il nuovo terminale di tensione. Essendo supportato da PMBus, il nuovo terminale è automaticamente integrato negli schemi standard di monitoraggio, messa in sequenza, impostazione dei margini e rilevamento degli errori. L'adozione del controllo digitale può comportare ulteriori vantaggi. Per esempio il bus seriale Ddc (Digital-Dc) a singolo filo di Intersil consente ai circuiti integrati di potenza di comunicare gli uni con gli altri per supportare funzioni distribuite complesse come ad esempio bilanciamento tra fase e corrente all'interno dell'integrato, messa in sequenza e propagazione dei guasti, eliminando in tal modo il ricorso a complesse soluzioni per la gestione dell'alimentazione che spesso richiedono la presenza di numerosi componenti discreti esterni. Grazie al software è possibile programmare il comportamento del dispositivo anche dopo che è stato eseguito l'assemblaggio del Pcb, semplificando la prototipazione e la regolazione del sistema nel caso di utilizzo in sottosistemi di tipo semicustom. Sebbene alcuni sistemi di potenza avanzati richiedono una notevole esperienza nel settore della programmazione e della scrittura del software da parte dell'utilizzatore per impostare i comandi e le funzionalità necessari per accedere alle risorse dei dispositivi per la gestione della potenza digitale, il software PowerNavigator scritto da Intersil per i componenti che utilizzano la tecnologia ChargeMode permette di configurare e monitorare più dispositivi Ddc attraverso l'interfaccia Usb. Mediante un'interfaccia utente grafica molto intuitiva il tool permette di modificare senza problemi tutte le caratteristiche e le funzionalità del progetto di un alimentatore digitale. Attraverso semplici operazioni di "drag&drop" gli utenti possono semplificare e generare un intero ambiente di gestione della potenza senza dover scrivere una sola linea di codice.
