Un circuito sencillo permite la compatibilidad con los controladores de potencia digitales

Los recientes avances en la integración a muy gran escala (VLSI) han ampliado la aplicación del control digital, especialmente en la electrónica de potencia. Los CI de control digital pueden ofrecer ventajas como un tamaño de chip más pequeño, menos componentes pasivos y un coste reducido. Además, el control digital permite configurar el sistema a través del bus de gestión de la energía (PMBus)); los algoritmos de control avanzados mejoran el rendimiento; y la programabilidad permite la optimización de las aplicaciones. A medida que la gestión digital de la energía se hace cada vez más omnipresente, sustituyendo a muchos controladores analógicos, debe mantener la compatibilidad con la funcionalidad existente para que los módulos de energía digitales y analógicos puedan funcionar en el mismo sistema.

El ajuste de la tensión de salida se utiliza habitualmente en los módulos de potencia analógicos, permitiendo al usuario final modificar la tensión de salida del módulo de potencia mediante una resistencia externa. Esto mejora la flexibilidad al permitir que unos pocos módulos estándar seleccionados se apliquen a prácticamente cualquier aplicación, independientemente de los requisitos de tensión. La figura 1 muestra una configuración típica para ajustar la tensión de salida en los módulos de potencia analógicos AGF600-48S30 módulo de alimentación analógica.

La tensión de salida se ajusta variando la resistencia conectada a los terminales de salida positivos o de tierra del módulo de alimentación. La tensión de salida puede ajustarse hacia arriba (por encima de la tensión nominal de salida) conectando una resistencia externa RUP mientras flota RABAJOo se reduce (por debajo de la tensión nominal de salida) conectando una resistencia externa RABAJO sin pasar por RUP (la resistencia es cero).

Figura 1: Ajuste de la tensión de salida del convertidor CC-CC AGF600-48S30.

En la solución analógica, RUP y RABAJO cambia la tensión de referencia del amplificador de error. El amplificador de error detecta la tensión de salida a través de un divisor de resistencias conectado a su entrada inversora mediante retroalimentación negativa. La tensión de salida del amplificador de error controla el ciclo de trabajo de las señales de control que regulan la tensión de salida. Por lo tanto, la tensión de salida sigue la tensión de referencia, que se modifica con RUP o RABAJOesto permite ajustar la tensión de salida hacia arriba o hacia abajo.

La figura 2 muestra dos implementaciones ampliamente adoptadas en los módulos de potencia analógicos. El controlador analógico mostrado en la Figura 2(a) tiene un pin que permite una resistencia externa RABAJO para reducir la tensión en la entrada no inversora del amplificador de error, reduciendo así la tensión de salida. La resistencia externa RUP se coloca en serie con el divisor resistivo para reducir la tensión aplicada a la entrada inversora del amplificador de error, aumentando así la tensión de salida. El controlador analógico que se muestra en la figura 2(b) no permite acceder a la tensión de referencia interna, pero se puede añadir un amplificador de error externo y una referencia de tensión para poder ajustar la tensión de salida. La salida del amplificador externo se conecta a la salida del amplificador interno, evitando así el amplificador de error interno. Entonces, la referencia de tensión puede configurarse con el mismo circuito que antes, lo que permite ajustar ambos módulos de potencia de la misma manera.

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Figura 2
Figura 2. Ajuste de la tensión de salida de un módulo de alimentación analógica mediante
(a) un controlador analógico con una referencia interna configurable, y
(b) un regulador analógico con una referencia interna fija.

Con un controlador digital, todas las funciones de control se implementan utilizando la lógica digital. La figura 3 muestra un diagrama de bloques del controlador digital avanzado ADP1051 con interfaz PMBus. Ideal para la conversión de CC a CC de alta densidad, tiene seis salidas programables de modulación de anchura de pulso (PWM) capaces de controlar la mayoría de las topologías de fuentes de alimentación de alta eficiencia. También controla la rectificación sincrónica (SR) e incorpora seis convertidores analógico-digitales (ADC) que muestrean la tensión analógica de entrada, la corriente de entrada, la tensión de salida, la corriente de salida, la temperatura y otros parámetros. Una vez convertidas en datos, estas señales se envían al bloque digital central para su procesamiento. Basado en una arquitectura de máquina de estado flexible con todas las funciones implementadas en el hardware, proporciona una solución robusta y fiable, pero no se puede programar para implementar una función para la que no fue diseñado intrínsecamente. Todas sus funciones, incluido el ajuste de la tensión de salida, se gestionan digitalmente. Para ajustar la tensión de salida, se envía una orden para cambiar el valor de referencia digital a través de la interfaz PMBus.

Figura 3
Figura 3: Diagrama de bloques del controlador digital ADP1051.

En la ruta de retroalimentación del bucle de control, la tensión de salida, escalada por un divisor de resistencia o un amplificador operacional, se envía a la patilla VS+. Un ADC muestrea esta tensión. El núcleo digital conoce la tensión de salida programada y la tensión de referencia digital que se establece a través de la interfaz PMBus. Un comparador digital y un filtro de compensación comparan la tensión de referencia digital con la tensión de salida calibrada detectada y generan una señal de error que controla los PWM, igual que con el controlador analógico. Por desgracia, el comparador digital sólo puede utilizar la tensión de referencia digital a través del PMBus. El comparador digital, la tensión de referencia digital y el filtro de compensación digital funcionan con señales de nivel lógico, por lo que no pueden utilizar una tensión de referencia externa y puentear el comparador y el filtro internos. Limitada por esta configuración de hardware fija, la única forma de conseguir compatibilidad con las funciones de ajuste analógico existentes es establecer la tensión detectada por el ADC en el pin VS+. Una forma de conseguirlo es reconfigurar la red de retroalimentación.

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En la figura 4, RD1 y RD2 forman la red de retroalimentación estándar, un simple divisor resistivo que escala la tensión de salida antes de ser detectada por el ADC. La tensión detectada es

Ecuación 1
(1)

donde VO es la tensión de salida real del módulo de potencia. Con la red de retroalimentación estándar, la tensión de salida no puede ajustarse analógicamente. Al reconfigurar la red de retroalimentación añadiendo RUP, RT0y VTRIMcomo se muestra en la figura 4, se puede ajustar la tensión de salida escalada. Ahora la tensión detectada es

Ecuación 2
(2)

La tensión nominal del pin VS+ es de 1 V. Si VTRIM es de aproximadamente 1 V y el valor de RT0 es relativamente grande comparado con el de RD2, la rama extra puede despreciarse. La red compuesta funciona como un simple divisor, y el ajuste de resistencia de RUP proporciona una función similar a la del controlador analógico, permitiendo la compatibilidad con los módulos de alimentación analógicos para el recorte ascendente.

Figura 4
Figura 4: Red de retroalimentación ajustable para el ADP1051.

Sin embargo, garantizar la compatibilidad con el ajuste a la baja es más complicado. El controlador digital no conocerá la tensión de salida exacta que debe emitir el sistema, por lo que intentará minimizar el error entre VVS+ y la referencia numérica interna. VVS+ seguirá siempre la referencia digital interna, que suele estar ajustada a 1 V. La ecuación 2 muestra que VO y VTRIM tienen una relación lineal. Según la figura 2, el mecanismo de ajuste de la tensión de salida a la baja consiste en generar una tensión de error que representa la diferencia de tensión entre la tensión de salida deseada y la tensión de salida nominal. Esta tensión de error será restada por la referencia de tensión interna antes de ser aplicada a la entrada no inversora del amplificador de error. Si se añade la misma diferencia de tensión a la entrada inversora del amplificador de error, ambos circuitos proporcionarán el mismo resultado. Por lo tanto, en lugar de ser fijo, VTRIM debe ser proporcional a la diferencia de tensión entre la tensión de salida deseada y la tensión nominal.

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La figura 5 muestra un circuito que garantiza la compatibilidad entre el ajuste hacia arriba y hacia abajo. Dos divisores de resistencias generan dos referencias de tensión, una que representa la referencia de tensión de salida deseada y otra que representa la referencia de tensión interna de un controlador analógico. Se utiliza un seguidor de tensión para evitar cualquier interacción entre la referencia de tensión de salida deseada y el circuito siguiente. La referencia de tensión de salida deseada (V1) se resta de la referencia de tensión interna de un controlador analógico (V2) mediante un amplificador operacional AD822 con entrada FET para generar la diferencia de tensión deseada. La ganancia lineal garantiza que VTRIM es lo suficientemente grande como para afectar a VSV+ cuando se empata la diferencia de tensión de salida deseada.

Figura 5
Figura 5. La red de retroalimentación reconfigurada facilita el ajuste de la salida analógica.

Las características de ajuste de la tensión de salida objetivo se definen en la hoja de datos del AGF600-48S30. La tabla 1 muestra un conjunto de valores de resistencia que garantizan la compatibilidad con este módulo de alimentación.

Tabla 1. Valores de las resistencias del circuito de la figura 5

R17.5 kΩR55.6 kΩR4120 kΩR7120 kΩ
R230 kΩR630.9 kΩR142200 kΩR82200 kΩ
R1020 kΩR131 kΩR1229 kΩRT017.8 kΩ

Utilizando la ecuación 2 y los valores indicados en la tabla 1, se puede calcular la característica de ajuste de la tensión de salida. La figura 6 muestra un gráfico de los resultados. El error entre los valores objetivo y los calculados se basa en la red de retroalimentación reconfigurada. Este error es muy pequeño (menos de 0,1 V con una tensión de salida nominal de 30 V), lo que significa que este circuito proporciona muy buenos resultados.

Figura 6A
Figura 6B
Figura 6. Resultados calculados del ajuste de la tensión de salida del ADP1051 mediante la red de retroalimentación reconfigurada: (a) ajuste hacia abajo, y (b) ajuste hacia arriba.

Los cálculos verifican este método de reconfiguración de la red de retroalimentación para ajustar la tensión de salida y proporcionan una vía para otros reguladores de potencia digitales, como el ADM1041A, el ADP1046A, el ADP1050 y el ADP1053, que utilizan una referencia de tensión digital para proporcionar compatibilidad con los reguladores analógicos, mejorando así la flexibilidad de la solución de potencia digital.

Referencias

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Vídeo : ADuM3190 (amplificador de error aislado) y ADP1051 (controlador digital)

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