Energiatehokkuus on nykyään helppoa toteuttaa. Älyä saadaan teholähteen ohjaukseen monella tavalla. Uusimmissa tekniikoissa teholähdettä ohjataan kokonaan mikro-ohjaimella.
|
Artikkelin kirjoittaja Joseph Julicher toimii |
suunnittelupäällikkönä Microchip Technologyllä. Hän vetää tällä hetkellä 8-bittisten mikro-ohjainten kustannustehokkuuden parantamiseen keskittyvää kehitystiimiä. Viimeisen vuoden ajan hänen ryhmänsä on valmistellut MPLAB Code Configurator -työkalun lanseeraamista. Josephilla on laaja kokemus esimerkiksi PC-, MacIntosh-, linux- ja iOS-ohjelmoinnista.On hyvin vähän integroitua elektroniikkaa, joka ei vaatisi jonkinlaista tehonsäätelyä. Oli kyse sitten yksinkertaisesta virta/jännitelähteestä tai edistyneemmästä, optimoidusta ratkaisusta. Kun tehokkuutta halutaan koko ajan parantaa, on tullut yleiseksi lisätä jonkinlaista älykkyyttä yksinkertaisimpaankin laitteeseen. Jopa suhteellisen karkea ohjausalgoritmi voi vähentää tehonkulutusta. Hieman suuremmalla vaivannäöllä mihin tahansa laitteeseen voidaan tuoda edistyneitä ominaisuuksia kuten maksimitehon seurannan, edistynyt akun lataaminen, ympäristötietoiset asetukset ja parantunut vikasietoisuus.
Tämä sopii täydellisesti edullisiin mikro-ohjaimiin. Jopa pienin piiri on nyt riittävän tehokas ajamaan monimutkaisia algoritmeja esimerkiksi kone- ja käyttöliittymissä. Kyky tukea jotain standardisoitua tietoliikenneliitäntää, kuten Smbus-, LIN- tai ethernet-väylää tuo yhden askeleen lisää käyttöarvoa.
Riski & Palkinto
Alhaisen riskin metodi tehon älykkäämmäksi tekemiseksi on yksinkertaisesti monitoroida teholähdettä mikro-ohjaimella ja tuoda sen mittaamat parametrit takaisin järjestelmään jollakin tietoliikenneväylällä. Tämä lähestymistapa vaatii minimaalisen vähän lisäkomponentteja ja -suunnittelua. Tyypillisesti jokin jännitteen, virran ja ehkä lämpötilan valvontametodin lisääminen riittää. Muiden parametrien kuten kuormajakson tai tehon syöttötaajuuden monitorointi mahdollistaa tehoon liittyvien ominaisuuksien kuten jännitetasojen edistyneemmän kontrollin.
Moni hakkuriteholähteiden kytkinpiirejä toimittava yritys tarjoaa metodeja muokata piirien toimintoja kriittisten parametrien mittaustulosten perusteella. Tämä on yksinkertainen keino parantaa tehokkuutta ja se voidaan tehdä laajalla valikoimalla mikro-ohjaimia. Sarjaliitäntöjen kautta ohjain pystyy muuttamaan teholähteen toiminnallisuutta monitoroitujen parametrien perusteella.
Tämän lähestymistavan lisäetuna itse teholähde pysyy teholähdepiirin hallinnassa, mikä tarkoittaa ettei suunnittelutiimillä tarvitse olla mitään erityistä teholähteiden suunnittelutietämystä. Riittää, että ymmärtää parametrit, joilla teholähteen toimintoja voidaan muuttaa, ja niiden vaikutukset. Päähallinta pysyy teholähdepiirin suunnittelijan käsissä.
Seuraava vaihe toteutuksessa - joka muuten tuo potentiaalisesti merkittäviä kustannussäästöjä - on integroida teholähdepiirin ja mikro-ohjaimen toiminnallisuus yhdelle sirulle. Yhä useammin tämä on mahdollista tehdä suorituskykyisellä mikro-ohjaimella, joka on tiiviisti liitetty nopeasti näytteistävään AD-muuntimeen. Tämä lähestymistapa tuottaa täysin digitaalisen ohjelmistopohjaisen toteutuksen. Luonnollisesti tämä lähestymistapa vaatii enemmän teholähdepiirin suunnitteluosaamista ja suorituskyky riippuu aina siitä, kuinka paljon laskentatehoa mikro-ohjaimesta saadaan irti. Tätä puolestaan usein rajoittaa järjestelmätason tehovaatimukset.
Hybridilähestymistapa
Kahden edellä kuvatun lähestymistavan väliin jää ratkaisu, jota jotkut kutsuvat hybridilähestymistavaksi. Tässä tapauksessa sekasignaaliohjaimelle on integroitu tarvittavat analogiaoheislaitteet. Yksi tällainen piiri on PIC16F753. Tällä sirulla on esimerkiksi operaatiovahvistin, DA-muunnin, komparaattorit ja PWM-ohjain yhdessä 14-nastaisessa ohjainpiirissä.
Jokainen oheislaite on ohjelmoitavissa, joten niitä voidaan yhdistää monin eri tavoin erilaisiksi virtaohjatuiksi teholähteiksi. Ohjelmallisesti ohjattavina niiden konfigurointi on dynaamista, eli ne voidaan sovittaa muuttuviin teholähdeolosuhteisiin. Laite voidaan esimerkiksi konfiguroida toimimaan valmiustilassa yksinkertaisena firmware-ohjelmistolla toimivana syöttöregulaattorina. Teholähde voidaan kuitenkin nopeasti uudelleenkonfiguroida jatkuvalähtöiseen tilaan eri toimintataajuudella, kun sovellus vaatii lisää tehoa.
Koska teholähteen ohjaaminen tapahtuu kokonaan mikro-ohjaimella, suunnitteluun ei tarvitse myöhemmässä vaiheessa lisätä ulkoisia komponentteja. Tämä sekä yksinkertaistaa suunnittelua että vähentää komponenttien määrää. Täysin integroituna ratkaisuna firmware-ohjelmistolla on täysi näkyvyys teholähteen parametreihin ilman, että suunnitteluprosessi juurikaan muuttuu. Samalla teholähteen suunnittelutiimi voi kehittää ja verifioida suunnittelun tietoliikenne- ja älyliitännät.
Kuva 1. Tyypillinen PIC16F753-piiriin pohjaava teholähde.
Tyypillinen PIC16F753-piiriin pohjaava teholähde on esitetty kuvassa 1. Useimmat toteutukset ovat pieniä variaatioita yleisestä hakkuriteholähdemallista. COG-generaattori (Complementary Output Generator) tuottaa lähdön, jonka kuollut alue on ohjelmoitavissa nousevasta ja putoavasta tulosta. Komparaattori C1 tuottaa putoavan reunan, kun virta ylittää kompensaattorin lähtöarvon. CCP ja C1 voidaan yhdistää tuottamaan maksimikuormajakso, jota tarvitaan joissakin topologioissa (boost, flyback ja SEPIC). Operaatiovahvistin tuottaa palautteen ja kompensaation, DA-muunninta käytetään tuottamaan operaatiovahvistimen referenssijännite (vaikka myös kiinteätä referenssijännitettä FVR voidaan käyttää, mikäli ohjelmoitavia tasoja ei vaadita). Kompensaattori voidaan resetoida komparaattoreilla tai COG-moduulilla.
Tällaiseen suhteellisen yksinkertaiseen konfiguraatioon voidaan lisätä älyä, jonka myötä se taipuu laajaan valikoimaan sovelluksia.
Lopuksi
Älyn lisäämisellä teholähteeseen on pitkälle meneviä hyötyjä. Se voidaan saavuttaa yksinkertaisesti lisäämällä suunnitteluun mikro-ohjain tai perusteellisemmin käyttämällä suorituskykyisempää täysin integroitua ratkaisua. Sellainen on esimerkiksi tehokas dsPIC- tai sekasignaaliohjain, jolle on integroitu kaikki tarvittavat oheislaitteet yhden sirun hakkuriteholähteen kytkinpiirin toteuttamiseksi.
Toteutustavasta riippumatta älykäs tehonsyöttö voi vaikuttaa merkittävästi sähkölaitteen toimintaan ja - mikä on vielä tärkeämpää - sen tehokkuuteen. Tämän päivän suorituskykyisillä, kustannustehokkailla ja täysin integroiduilla ratkaisulla älyn lisääminen on järkevämpää kuin koskaan aiemmin.
Arduino UNO Q:n lanseeraus herätti syystäkin innostusta: kyseessä on ensimmäinen Arduino UNO -perheen kortti, jossa yhdistyvät mikroprosessori ja mikro-ohjain. UNO Q on vakuuttava uusi laitteistoalusta, joka tulee tutussa Arduino-ystävällisessä muodossa. Sen Debian-pohjaista Linuxia ajava prosessori, reaaliaikaiset ohjausominaisuudet ja uusi tehokas Arduino-kehitysympäristö avaavat käyttäjille mahdollisuuden rakentaa huomattavasti aiempaa kehittyneempiä sovelluksia.