Hvordan PWM-kontroll IC-er revolusjonerte strømforsyningsteknologi og deres utvikling

PWM-kontrollintegrerte kretser (IC-er) ble utviklet av flere selskaper, som Motorola MC3420, Texas Instruments TL454, Signetics NE5560, og Ferranti ZN1068. Disse IC-ene, som ble introdusert på slutten av 1970-tallet, markerte et vendepunkt i strømforsyningsteknologi. Deres enkle, men effektive struktur møtte et klart behov i markedet og muliggjorde en ny æra av strømforsyningsteknologier. Disse IC-ene ble først og fremst brukt i switching power supplies, og ga en viktig drivkraft for utviklingen av en rekke strømkretser og beskyttelsesteknikker, inkludert cycle-by-cycle strømbegrensning, lav-dropout regulatorer (LDO), hot-swap funksjonalitet og myk bryting.

Markedsplassen for strømforsyningskontroll IC-er har utviklet seg til å være en industri verdt mer enn 5 milliarder dollar i dag. Dette markedet har hatt en eksplosiv vekst ettersom teknologiske substrater utviklet seg, og flere funksjoner ble lagt til de tradisjonelle PWM-kontrollene med strømregulering. Eksempler på slike forbedringer inkluderer avansert myk oppstart, quasi-resonant flyback, lav EMI ved valley switching, standby- og utenlastestrømkrav, samt strømmoduskontroll. Slike funksjoner har gjort det mulig å utvikle effektive og pålitelige løsninger for moderne strømbesparende applikasjoner.

Flyback-omformere, som er en type strømforsyning som bruker PWM-kontroller, har vært en av de mest populære anvendelsene av disse IC-ene. Spesielt flyback-strømforsyninger har en enkel, men effektiv konstruksjon, og brukes ofte i isolerte strømforsyninger, hvor hele kontrolleren er samlet i et åtte-pinners package. Den originale serien av produkter fra Unitrode, som ble introdusert på 1980-tallet, har utviklet seg betydelig i løpet av årene, fra en enkel UC3842 med 144 transistorer til dagens UCC38600 med mer enn 1 000 transistorer, noe som muliggjør mer avanserte funksjoner og forbedret effektivitet.

Flyback-omformeren opererer på en måte som kan beskrives i to faser: når den primære MOSFET-en er på, vil strømmen strømme gjennom den primære spolen, og magnetfeltet i kjernen vil øke lineært. Når MOSFET-en er av, vil energien lagret i kjernen overføres til den sekundære kretsen gjennom en diod og generere en spenningsforskjell som kan brukes til å drive en last. Dette skaper en dynamikk der spenningen på sekundærsiden er avhengig av både lastens energibehov og den påførte inngangsspenningen.

Videre er det viktig å merke seg at drift i diskontinuerlig ledelsestilstand (DCM) kan føre til en mer kompleks oppførsel der strømforsyningen fungerer med varierende effektivitet avhengig av belastningen. Dette skaper utfordringer i kontrollsystemet, spesielt når det gjelder regulering av spenningsnivåene under forskjellige driftsforhold. Denne utfordringen kan minimeres ved å designe kontrollsløyfen for å være mindre følsom for endringer i belastning, og ved å bruke forskjellige teknikker som høyfrekvent kontroll, som kan bidra til å opprettholde stabil drift.

I dagens avanserte applikasjoner brukes også flere sekundære spoler på flyback-transformatorer for å levere isolert strøm til flere lavspente kretser. Dette gir både fordeler og utfordringer, da det blir stadig vanskeligere å opprettholde stabil regulering for alle sekunder samtidig, spesielt i systemer med varierende strømbehov. Den vanlige løsningen er å bruke flere regulatorer på sekundærsidene for presis spenningskontroll, mens strøm, temperatur og spenningssensorteknologi kan tillate mer fleksible løsninger som ikke krever nøyaktig spenningsregulering.

De nyeste PWM-kontroll IC-ene for flyback-omformere har flere forbedringer som bidrar til å optimalisere effektiviteten og ytelsen. Eksempler på disse forbedringene inkluderer drift med variabel frekvens for å opprettholde diskontinuerlig eller grensetilstand (også kjent som overgangstilstand), som gir fordeler som minimal dioderespons og bedre effektivitetsnivåer. Videre gjør småsignalmodellering og grønn-modus operasjon at disse IC-ene kan operere med svært lave tap ved lav belastning, som også gjør dem mer energieffektive.

For en bedre forståelse er det viktig å merke seg at designen av flyback-transformatoren selv er en kritisk komponent, men det går utover omfanget av denne diskusjonen. Design og konstruksjon av en optimal flyback-transformator krever nøye vurdering av de elektriske og mekaniske egenskapene til transformatoren, samt de termiske egenskapene og belastningskravene.

Hvordan konverteres analog kontroll til digital form i strømforsyningssystemer, og hva må man ta hensyn til?

Selve overgangen fra analog til digital kontroll innebærer en konvertering av Laplace-transformerte kontrolllover til z-transformerte digitale representasjoner. Dette innebærer at kontinuerlige tidsdifferensiallikninger erstattes med diskrete tidsforskjeller mellom påfølgende målinger. Likevel finnes det ikke én entydig metode for denne konverteringen, og flere teknikker benyttes, slik som matched pole-zero-metoden, zero-order hold, lineær interpolasjon og Tustin-metoden.

Et eksempel som ofte brukes for å illustrere denne prosessen, er implementeringen av PID-kontroll i digital form. Den analoge PID-kontrollen, definert med proporsjonal-, integral- og deriverende komponenter i Laplace-domenet, transformeres først til tidsdomenet før diskretisering. Proporsjonalleddet blir en direkte måling av feilen i nåværende prøvepunkt, integralleddet beregnes som en akkumulert sum av tidligere feilverdier, og deriveringsleddet anslås ved hjelp av differensen mellom nåværende og forrige prøve.

I z-transformens domene blir disse tre komponentene kombinert til en digital kompensasjonslov som fanger opp systemets dynamikk, og alle koeffisienter i denne formen avhenger eksplisitt av samplingsperioden. Bruken av Tustin-tilnærmingen gir en velbalansert digital ekvivalent av det analoge s-operatoruttrykket, noe som reduserer feil ved diskretisering spesielt for høyfrekvente signaler.

Når det gjelder regulering av trefasestrømmer, benyttes vanligvis Park- og Clarke-transformasjonene for å forenkle styringen ved å konvertere de tre fasene til to ortogonale komponenter i et roterende referansesystem, ofte omtalt som (d,q)-koordinater. Disse transformasjonene letter design og analyse av kontrollsystemet, spesielt fordi de gjør det mulig å behandle dynamikken i hver komponent separat. I slike systemer må man også ta hensyn til krysskoplinger som oppstår fra induktive og kapasitive egenskaper i lasten, som kan føre til faseforskyvninger og påvirke kontrollens nøyaktighet.

I (d,q)-domenet modelleres kontrollsystemet gjerne som et PI-regulator, hvor den digitale implementeringen krever en nøye tilnærming til integralleddet. Vanlige metoder inkluderer akkumulatorbasert integrasjon, som kontinuerlig summerer feilverdier, og inkrementell kontroll, som beregner endringen i kontrollsignalet mellom to prøver. Begge metodene har sine fordeler og ulemper, spesielt med hensyn til kodingseffektivitet og risiko for overbelastning.

Utformingen av slike kontrollsystemer krever presise matematiske modeller av lasten og dens dynamikk. Tilnærminger som rotlokusmetoden, frekvensresponsanalyse og tilstandsrommet benyttes for å bestemme regulatorparametere som sikrer stabilitet, minimal steady-state feil og ønsket dynamisk respons, målt i tid for transient respons, oversving og stabilisering.