בחינת הטעות בהבנת המרת הספק דיגיטלית

המרת הספק אנלוגית היא מרכיב עיקרי של אלקטרוניקת ההספק זה עשרות שנים, אך מתכננים רבים יודעים מעט מאוד על אלקטרוניקת הספק דיגיטלית. תלוי את מי שואלים – יש הרואים בה את ביאת המשיח של המרת הספק ולדעת אחרים זוהי הגזמה מיותרת. לאמיתו של דבר, הטכנולוגיה מציעה תכונות חדשות ויתרונות מערכת עבור תכנונים הזקוקים להם. להמרת הספק דיגיטלית יש משמעויות רבות ושונות, וטכנולוגיות דיגיטליות יכולות להביא יתרונות רבים אם עושים בהם שימוש נכון. נבחן כאן מספר אי הבנות נפוצות כדי לסייע בהבנת האתגר, היתרונות והשימוש הנאות בטכנולוגיה הדיגיטלית להמרת הספק.

ספקי כוח ממותגים הם אנלוגיים או דיגיטליים באופן בלעדי

המרת הספק ממותגת היא במהותה מכלול מעורב של אותות. האותות של אפנון רוחב פולס (PWM) הם דיגיטליים, ואילו אותות המשוב הם אנלוגיים. מה שמתרחש בין שני צמתים אלה הוא המרה אנלוגית/דיגיטלית עם תזמון מדויק מאוד. המרה זו תיתכן לאחר שרשת בקרה מבוססת מגבר מחליטה מתי לבצע את ההמרה, או בתגובה לאות משוב המאפשר לאלגוריתם דיגיטלי להחליט מתי לבצעה. יותר מתמיד, שבבי בקרה אנלוגיים כוללים ממשקים דיגיטליים לצורך בקרה חיצונית, ומיקרו-בקרים דיגיטליים כוללים רכיבים אנלוגיים המאפשרים בקרה של ספקי כוח (ראה איור 1). תמיד היה אפשר להוסיף מיקרו-בקר לספקי הכוח, אבל כיום יש למיקרו-בקר השפעה רבה יותר מבעבר על פעולת המערכת. לחלופין ניתן להטמיע את כל לולאת הבקרה בבקר אות דיגיטלי. כך או כך, תכניות של ספקי כוח יכולות להיות גמישות יותר, מתכווננות יותר ולמצוא מענה חכם יותר לתנאים סביבתיים או לתשומות חיצוניות. ניתן להוסיף תכונות אלה בלי הבדל אם לולאת הבקרה עצמה מוטמעת בתחום הדיגיטלי או האנלוגי. כיום יכולים ספקי כוח ממותגים להכיל לוגיקה דיגיטלית במידה הנדרשת ליישום

תכונות דיגיטליות מחייבות לולאות בקרה דיגיטליות

שיטת הבקרה היא רק אחת מתכונות מערכת המרת ההספק. ניתן להוסיף מיקרו-בקר לכל מערכת אנלוגית כדי לאפשר תוספת פיקוח או ניהול, לרבות ספקי כוח. בעבר הייתה היכולת של מיקרו-בקר להשפיע על לולאת בקרה אנלוגית מוגבלת מאוד בשל מגבלות משמעותיות של גמישות בתצורת מרכיבי בקרה אנלוגיים ייעודיים. עם זאת, התקני בקרה אנלוגיים חדשים יותר מכילים בדרך כלל ממשקים דיגיטליים שגמישות התצורה או התכנות שלהם רבה יותר בהשוואה להתקני הדור הקודם. בדומה לכך יש מוצרי המרת הספק משולבים עם מיקרו-בקרים על שבב המאפשרים מידה רבה יותר של תצורה דינמית. עם בחירת רכיבים חכמים – ממשקי תקשורת דיגיטליים, מצבי שינה, מיתוג תדרים, סינכרון, אתחול רך, הגנה חכמה מפני תקלות או שינוי מתח/זרם יציאה – ניתן להטמיע אותם בצורה חכמה במערכת המרת הספק המתוספת להטמעת לולאות בקרה אנלוגיות או דיגיטליות.

המרת הספק דיגיטלית חסונה פחות מהמרת הספק אנלוגית

חוסן הוא תכונת מערכת מסובכת וניתן לעשות דברים רבים לשיפור החוסן של ספקי כוח אנלוגיים או דיגיטליים. בהתאם ליישום, ייתכן שספקי כוח אנלוגיים יגיבו מהר יותר על תקלות בחומרה, עם משווני מתח-יתר ותת-מתח מהירים יותר והגבלה ממשית של זרם חשמלי. עם זאת, ניתן ליישם זאת גם באספקת חשמל מבוקר דיגיטלית, עם מבנים אנלוגיים יעודיים בשבבי בקרה דיגיטליים מתקדמים יותר. בקרים דיגיטליים יכולים לכלול משווני הגבלת זרם אנלוגיים. כמו כן, לספקי כוח המצוידים דיגיטלית (אפילו אלה המשתמשים בלולאות בקרה אנלוגיות) יש מספר יתרונות מובחנים שאינם ניתנים לחיקוי בפתרון אנלוגי לחלוטין. קוד תכנות דיגיטלי יכול לספק מענה מותאם במיוחד לתקלות או לנפילות מתח – כולל גישות של אתחול רך מותאם במיוחד, כיבוי רך, טעינה בטיפטוף, timeout או ניסיון נוסף – שקשה (או בלתי אפשרי) ליישם באמצעות בקרים אנלוגיים. לולאות בקרה דיגיטליות או רשתות משוב משולבות על שבב מפחיתות את ההסתמכות על רכיבים פסיביים חיצוניים העלולים להשתנות או להישחק במהלך הזמן. לבסוף, ממשקים דיגיטליים מספקים מידע אבחון ודיווח שימושי לזיהוי בעיות עתידיות ולמניעת נפילות מערכת קשות. הוספת תכונות אלה יכולה ליצור מערכת חסונה יותר מפתרונות ייעודיים אנלוגיים בלבד. ללא תלות ביישום, לכל ספקי הכוח נדרשות בדיקות קפדניות כדי להבטיח תוחלת חיי מוצר ארוכה, אך למערכות הספק דיגיטליות אין מגבלות אמינות בסיסיות העלולות לגרום לביצועים גרועים בהשוואה למקבילות האנלוגיות שלהן.

המרת הספק דיגיטלית יקרה יותר

אף כי מתכננים סבורים שספקי כוח מבוקרים דיגיטלית יקרים יותר מהמקבילים האנלוגיים שלהם, זה לא תמיד נכון. ספקים דיגיטליים יכולים להיות זולים יותר משום שניתן לתכנן אותם עם מרכיבים פחות מדויקים ולכן פחות יקרים. לעתים נדרש להם מספר קטן יותר של מרכיבים, דבר המוזיל את הפתרון ואת ממדיו. ספקים דיגיטליים יכולים גם לחסוך כסף במונחים של עלות כוללת של הבעלות. ביישומים בעלי תנאי עומס משתנים, המתכננים יכולים ליישם אלגוריתמים לא ליניאריים ואדפטיביים כדי לספק את היעילות הגבוהה ביותר עבור כל מערך של תנאי הפעלה. סיבה נוספת לכך שהספקים הדיגיטליים יכולים להיות פחות יקרים לתפעול הוא שהם יכולים לדווח על התבלות של רכיב במהלך חיי הציוד, להודיע למשתמשים אם נדרשת תחזוקה מונעת ולמנוע כשלי מרכיבים קטסטרופליים (וזמן השבתה יקר ובלתי צפוי הנובע מהם).

המרת הספק דיגיטלית יעילה יותר

ספקי כוח מבוקרים דיגיטלית יכולים לשפר את היעילות האנרגטית בתנאי עומס עם שונות גבוהה. הם עשויים להשתמש באלגוריתמים אדפטיביים ואפילו לשנות את הטופולוגיה של המערכת בתגובה לתנאים המשתנים באמצעות טכניקות כגון השלת שלב. ספקים מבוקרים דיגיטלית יכולים להשתמש באלגוריתמים לא ליניאריים וחיזוייים כדי לשפר את התגובה הדינמית לקפיצות מתח. ספקי כוח אנלוגיים יכולים להיות חסכוניים באנרגיה באותה מידה כמו ספקי כוח דיגיטליים בנקודת תכנון מסוימת, אך האתגר הניצב בפני הספקים האנלוגיים הוא מיטוב היעילות כאשר תנאים כגון עומס הזרם מתרחקים מנקודת התפעול האופטימלית. לעומת זאת, האנרגיה הנדרשת להפעלת בקר דיגיטלי יכולה לעלות על זו הנדרשת מהספק האנלוגי: בקרים דיגיטליים בדרך כלל מתאימים יותר ליישומים הדורשים הספק גבוה יותר, שצריכת האנרגיה שלהם לתקורה מתקזזת בקלות עם החיסכון הנוסף באנרגיה בזכות אלגוריתמי הבקרה המקיפים יותר שמאפשרת הטכנולוגיה הדיגיטלית.

ההשהיה של הבקרים הדיגיטליים משפיעה לרעה על הענות המעבר

שני נושאים עלולים לעורר דאגה במערכת המצוידת באופן דיגיטלי: השפעת הדגימה וזמן החישוב.

בכל המרת הספק, תדירות ההצטלבות (הענות מעבר) תמיד תתקזז עם ה-phase margin (יציבות). מערכות דיגיטליות דומות ביסודן, אך מערכות בקרה דיגיטליות נדגמות. דגימה תקופתית (פעם במחזור) מוסיפה הפרש מופע (phase shift) לפונקציית ההעברה. לא ניתן לפצות על כך בקלות: המערכת הדיגיטלית דורשת תדירות הצטלבות נמוכה יותר כדי להשיג אותו phase margin (אם משתמשים בשיטת פיצוי זהה). בנוסף, המעבד צריך לבצע את הקריאה ואת חישוב ההפרש של ADC במהלך מחזור מיתוג אחד, ולא, תיגרע עוד יחידת המתנה מזמן החישוב.

ניתן, עם זאת, להתגבר על חסרונות אלה בעזרת שיטות בקרה לא-לינאריות מתקדמות וטכניקות של תגובה מקדימה – אלגוריתמים אשר קשה (או בלתי אפשרי) ליישם במערכת בקרה אנלוגית. החיסרון הוא בדרישות העיבוד: יצירת קיזוז בין מהירות עיבוד, תדירות מיתוג, מורכבות האלגוריתם והענות מעבר. יש לתכנן לצרכים אלה, אך הם אינם בהכרח גורמים להפחתה של הענות מעבר בגלל הבקרה הדיגיטלית.

זרם ללא עומס מהווה בעיה

מיתוג של ספקי כוח בדרך כלל מתבצע בשתי צורות: הולכה לא רציפה והולכה רציפה. בתהליך של הולכה לא רציפה, זרם המשרן יורד לאפס בסוף כל מחזור של PWM. תהליך הולכה ישירה שומר על זרם רציף במשרן. היתרון של הולכה רציפה הוא שזרם המשרן לא צריך לטפס מאפס בכל פעימת PMW, ולפיכך הוא מספק יותר זרם בכל מחזור PWM. החיסרון הוא שבמסנן שגיאות מגבר/לולאה חייב להיות השילוב הנכון של קטבים כדי לספק יציבות. לרוע המזל, אם מתרחשת ירידה לאפס בתכנון של הולכה רציפה, היא עלולה לערער את יציבות לולאת הבקרה.

כדי להתמודד עם מצב כזה, תכניות ישנות יותר בדרך כלל מציינות את הזרם המזערי המותר או מוודאות את קיום הזרם המזערי על ידי שילוב נגד עומס ביציאה (Forced Continuous Conduction, FCC). למרבה המזל, יש כיום בקרי אספקת חשמל שיכולים להתמודד עם מצבי פעולה רציפים ולא רציפים (PWM & PFM), עם מעגל ניטור כדי לקבוע מתי לעבור ממצב אחד למשנהו. לפיכך, בעבר הייתה זו אמנם מגבלה בשל העיצוב של בקרי אספקת החשמל, אך בקרים חדשים מטפלים באופן אוטומטי במיתוג בין המצבים, וכיום המגבלה אינה הרבה יותר מהערת שוליים בהיסטוריה.

קשה לתכנן ספקי כוח דיגיטליים

תכנון ספק כוח מבוקר באופן דיגיטלי אינו בהכרח קשה יותר מתכנון ספק אנלוגי, אלא הוא פשוט שונה. תכנון מערכת ההנעה דומה מאוד בשני המקרים. תכנון לולאת הבקרה או הקזז מיושם בקושחה של הבקר הדיגיטלי ולא בעזרת מעגל אנלוגי. מיקום הקטבים של תחנת הכוח משמש להגדרת המאפיינים של הקזז (כמו עיצוב אנלוגי), אבל במקרה של קזז דיגיטלי, כלי תוכנה משמשים תכופות לקבוע את תצורת התגובה האופטימלית עבור לולאה הבקרה. לדוגמה, ספריות תוכנה ממוטבות ביותר, כולל האלגוריתמים של קזזים

2P2Z (type II)  ו- 3P3Z (type III)

לשימוש במשפחת בקרי האותות הדיגיטליים dsPIC של Microchip, זמינים בחינם באתר האינטרנט של Microchip. מתכננים אינם צריכים לכתוב בעצמם את התוכנה עבור פונקציות אלה. בנוסף, אלגוריתמים אלה מכוונים עבור מערכות הנעה ספציפיות על ידי מתן מקדמים הנגזרים בעזרת כלי התכנון.

קל יותר לתכנן ספק כוח דיגיטלי מאשר ספק כוח אנלוגי [כי זו רק תוכנה]

העובדה שספקי כוח דיגיטליים משתמשים בתוכנה כדי לשלוט באלגוריתמים אינה בהכרח מפשטת את תכנונם. המתכננים עדיין צריכים להבין את מערכות הבקרה ולאפיין את תגובת התדר של מערכת ההנעה כדי שיוכלו להגדיר כראוי את הקזז מבוסס התוכנה שיבוא לידי שימוש. מצד שני, כוונון פעולת הספק כדי לשפר את דיוק התוצאות יכול להיות קל יותר בתוכנה מאשר במקרה שיידרש ביצוע שינוי בחומרה לאותה מטרה.

כל מה שצריך הוא SDP: המרת הספק דיגיטלית תחליף כל דבר אחר:

פרשנים רבים אמנם מהללים את המרת ההספק הדיגיטלית כפתרון קסם הפותר את כל הבעיות, אולם תיאור זה אינו הולם כל יישום.  לדוגמה, אין כל היגיון בשימוש בכל עוצמת העיבוד בנגן MP3 בגודל כף יד, הפועל על סוללת ליתיום יון פנימית, רק כדי להגביר את מתח האספקה. מצד שני, ספקי כוח של שרתים ברמת פלטינום זקוקים ליכולות של ממיר חשמלי דיגיטלי כדי להפיק ביעילות את מתח היציאה הנדרש ולהגיב במהירות על שינויים בעומס.

לדוגמה, למגדלי אנטנה סלולריים נחוץ חשמל רב כאשר המשדר פועל, אך הם צורכים הרבה פחות חשמל כאשר הוא כבוי. הבקר של המשדר יודע מתי הוא מופעל והוא מתריע על כך לממיר החשמלי, וזה מתאם עלייה בזרם הממוצע, כך שכאשר המשדר נכנס לפעילות, הזרם כבר קיים. זה מאפשר לו למנוע נפילת כוח בשעה שמסנן הלולאה מגיב לאחר מעשה. זוהי אחת מהתכונות העוצמתיות של המרת הספק דיגיטלית והיא מצדיקה את המורכבות הנוספת בתכנון.

לעומת זאת, מערכת בעלת צריכת חשמל קבועה יחסית יכול להשתמש במערכת אנלוגית שהיא פשוטה יותר לתכנון, מורכבת פחות וכרוכה בעלות נמוכה יותר. בסופו של דבר, די קשה להתחרות בעלות ובפשטות של וסת המבוסס על מעגל משולב תלוי יישום (ASIC).

הספק מוגדר תוכנה ישתלט על השוק

לפני מספר שנים התחזית הייתה שרדיו מוגדר תוכנה (SDR) ישתלט על השוק כמתכונת המחדל של מקלטי רדיו. אף כי ל-SDR יש מספר יתרונות, הוא סבל מחיסרון אחד גדול: נדרש לו מעבד עם MIP בין 10x ל-100x כדי לקלוט תדר. אפילו למערכות שהשתמשו במערבל אנלוגי לתרגום תדר הרדיו (RF) לתדר ביניים נמוך יותר (IF) עדיין נדרשו 10 עד 100MIP , ומיצוי האות (דמודולציה) היא כל מה שהמעבד היה מסוגל לטפל בו. מובן מאליו שזה אינו חסכוני. אבל כאשר מישהו אומר שהספק מוגדר תוכנה [software defined power (SDP)] ישתלט על השוק, אין להתייחס לזה ברצינות רבה מדי. אין דבר פשוט וזול יותר מאשר וסת ליניארי, ואפילו לו היה מעבד עם ה-MIP הדרוש זמין באותו מחיר, עדיין נחוץ וסת Linear 5V הליניארי כדי להצמיד את ההספק למעבד כדי לאתחל אותו. להספק מוגדר תוכנה (SDP) יש אמנם מקום מוגדר בתחום ההספק, שבו הוא אכן היחיד שיכול לעשות את העבודה, הוא איננו, ולעולם לא יהיה, הפתרון היחיד המתאים לכל המרת הספק.

סיכום

לפעמים קשה להפריד בין קשקוש שיווקי לבין מידע ממשי, במיוחד כאשר השוק עמום, כמו שוק ההספק הנוכחי. תומכי השינוי מפליגים ביתרונות הטכנולוגיה החדש ולעתים שוכחים להזכיר את חסרונותיה. השמרנים מתמקדים רק בחסרונות וטוענים “אם זה לא מקולקל, אל תתקן את זה.” כמובן שאיננו חיים באף אחד משני הקצוות. בדרך כלל עלינו לתכנן ולעבוד בתווך, לקחת את החדש עם הישן ולמצוא את השילוב הנכון לצרכי התכנון העכשוויים שלנו. זוהי הסיבה שחברת Microchip מציעה תיק מוצרים גדול של פתרונות להספק, החל בהמרת הספק אנלוגית מסורתית ועד להמרת הספק דיגיטלית.  אנחנו יודעים שהעולם אינו שחור ולבן אלא רצף ואנחנו רוצים לעמוד לרשותכם, יהיו צורכי ההספק שלכם אשר יהיו.