Obr. Integrovaný obvod PAC1934 od Microchip na monitorovanie výkonu ponúka softvérovú presnosť merania výkonu až 99 % v zariadeniach so systémom Windows 10, ako sú notebooky, tablety a mobilné telefóny.

Predchádzajúcich päť desaťročí bolo – z hľadiska napájania – pokračujúcim príbehom dosahovania čoraz vyššej efektivity výpočtového výkonu a spracovania signálu pri súčasne exponenciálne rastúcom dopyte po službách poskytovaných elektronickými a IT systémami. Odhaduje sa, že v súčasnosti len samotná infraštruktúra internetu spotrebuje niekoľko percentuálnych bodov z celkovej elektrickej energie vyrobenej na planéte. Pre túto elektrickú energiu treba zabezpečiť riadenie, konverziu, reguláciu a filtrovanie, pretože dnešné elektronické zariadenia sú veľmi citlivé. V roku 1968 by len málo technikov očakávalo procesory, v podstate rovnaké ako CMOS, ktoré vyžadujú 0,9 V plus/mínus 2 % pri niekoľkých desiatkach ampérov. To je len jednou z mnohých výziev, ktoré stoja pred odborníkmi na napájanie. Pre vývojárov je k dispozícii neustály príval nových čipov na správu napájania, ktoré zjednodušujú proces vývoja v tejto oblasti. V mnohých prípadoch sú podporované on-line návrhárskymi nástrojmi, ktoré zabezpečujú úspech už na prvýkrát.

Hľadanie vyššej efektívnosti je bežnou témou v celom výkonovom rozsahu, od nositeľných zariadení a zariadení na zber energie z okolia s výkonom niekoľko mW až po napájacie zdroje na úrovni kW. Tvorcovia napájacích zdrojov pre spotrebnú elektroniku majú už niekoľko rokov za úlohu implementovať také zdroje, ktoré minimalizujú straty nielen pri dodávaní ich menovitého výkonu, ale na všetkých úrovniach až do pohotovostného režimu. Platné legislatívne nariadenia vo verzii 5 (Kódex správania Európskej únie (CoC)) v oblasti energetickej účinnosti externých zdrojov napájania a na úrovni VI (Ministerstvo energetiky USA) sa snažia obmedziť tzv. upíriu energiu spotrebovanú miliónmi pripojených, ale neaktívnych zdrojov. Spoločnosť STMicroelectronics rieši túto problematiku kompaktným kvázirezonančným radičom PWM, ktorý je špeciálne navrhnutý na napájanie v pohotovostnom režime s mimoriadne nízkou spotrebou. Vďaka zabudovanému štartovaciemu okruhu vysokonapäťových obvodov s nulovou spotrebou energie, integrovaným blokom na reguláciu výkonu konštantného prúdu na primárnej strane a pokročilému riadeniu výkonu je STCH02 najlepšou voľbou pre vysoko účinné zdroje s mimoriadne nízkou spotrebou energie v pohotovostnom režime a s vynikajúcou dynamikou výkonu. Jedinečná vlastnosť tohto zariadenia je v tom, že môže poskytovať reguláciu konštantného výstupného prúdu (CC) pomocou spätnej väzby zo snímača prúdu na primárnej strane. To vylučuje potrebu samostatného integrovaného obvodu referenčného prúdu, ako aj snímača prúdu, pričom sa stále zachováva pomerne presná regulácia výstupného prúdu. Kvázirezonančná prevádzka sa dosiahne pomocou snímania demagnetizácie transformátora, ktorý spúšťa zapnutie MOSFET-u pripojeného na ZCD pin.

Kvázirezonančný radič od STMicroelectornic je najnovší v rade nových architektúr a prepínacích režimov, ktorým sa venovala pozornosť z dôvodu dosiahnutia vyššej efektívnosti. Nízka strata nie je jedinou oblasťou, v ktorej musia tieto radiče vynikať. Záťaže, ktoré vyžadujú rýchle prepínanie z nízkej na vysokú spotrebu energie, potrebujú zdroje s rýchlou prechodovou charakteristikou. Regulátor je v skutočnosti širokopásmový zosilňovač so stálou výstupnou úrovňou a musí byť vždy stabilný. Najrýchlejšia prechodová charakteristika a jednoduchá kompenzácia v kombinácii s odolnými ochrannými prvkami, ako je zabránenie spínania pri nulovom prúde, zaisťujú spoľahlivú prevádzku.

Horúcou témou za posledné mesiace boli nositeľné elektronické produkty. Či už na lekárske použitie, alebo ako informačné a zábavné zariadenia predstavujú naliehavú potrebu pracovať od najnižšej možnej úrovne výkonu s čo najmenšími stratami, pričom prvky správy napájania môžu prispieť k riešeniu týchto výziev. Dobrým príkladom je v tomto smere Maxim Integrated MAX20303, vysoko integrovateľné a programovateľné zariadenie s viacerými funkciami s malými rozmermi 3,71 mm x 4,21 mm. Má optimalizované regulátory napätia vrátane viacerých kompenzátorov, zosilňovačov, ich kombinácie a lineárnych regulátorov. Prúd každého regulátora je v pokojovom režime – ktorý dodáva až 220 mA – obvykle 1 µA, čo predlžuje výdrž batérie pri stále zapnutých aplikáciách. Kompletné riešenie správy batérií zahŕňa nabíjačku, napájaciu cestu a ukazovateľ nabitia. Do nabíjačky je zabudované riadenie odvodu tepla aj ochrana vstupu. Okrem funkcií napájania obsahuje integrovaný obvod programovateľný ovládač s viacerými vstupmi pre rôzne používateľské rozhrania. Súčasťou sú aj tri integrované prúdové LED diódy pre funkcie ukazovateľov alebo podsvietenia a ovládač s automatickým sledovaním rezonancie, ktorý riadi hmatovú spätnú väzbu pre používateľa.

Bezprostredne v súvislosti s výrobkami, ako sú nositeľné odevy, sa bezdrôtové nabíjanie stáva oveľa rozšírenejším, pretože zákazníci oceňujú výhody bezolovnatej prevádzky. Konzorcium bezdrôtového napájania (WPC) teraz špecifikuje verziu rozšíreného napájania svojho štandardu Qi a zvyšuje úroveň výkonu z 5 na 15 W. Spoločnosť ST Microelectronic podporuje tento vývoj prostredníctvom pokrokového bezdrôtového čipu na nabíjanie, STWBC-EP, ktorý obsahuje potrebné prvky na detekciu cudzích objektov a bezpečnostné prvky, a to pri minimálnom pohotovostnom výkone. Obsahuje krokový prevodník DC/DC a ovládač s algoritmami nabíjania Qi už implementovanými vo firmvéri, ktoré generujú vstupný výkon a riadiace signály pre externý výkonový stupeň polovičného mostíka, ktorý riadi anténu nabíjania vysielača. Vývojová súprava opisuje referenčný dizajn 15 W Qi MP-A10, 12 V 2 A AC/DC adaptér, USB/UART hardvérový kľúč na pripojenie k PC a USB káblu, ako aj vopred nainštalovaný firmvér.

Aj v oblasti spotrebiteľskej elektroniky a v mnohých ďalších odvetviach sa výskyt USB-C naďalej rozširuje – na trhu sa objavili čipy pre nabíjačky batérií, ktoré majú schopnosť dodávať vyššiu úroveň napájania z jedného miesta pripojenia. Pre spoločnosť Intersil je takýmto predstaviteľom ISL95338, regulátor napätia zosilňovača/kompenzátora pre všetky typy mobilných zariadení využívajúci reverzibilný konektor typu C, ktorý nahrádza dva prevodníky a poskytuje obojsmernú reguláciu napätia USB PD3.0.

S napájaním z jednosmerných zdrojov energie, ako sú napájacie adaptéry striedavého/jednosmerného prúdu, porty USB PD3.0, cestovné adaptéry alebo rezervné moduly napájania, poskytuje regulované napätie až do 24 V. Táto časť môže na svojom vstupe napájacieho adaptéra prevádzať aj rad zdrojov jednosmerného prúdu na regulované napätie 20 V. Môže pracovať v režime kompenzátor, zosilňovač/zosilňovač a kompenzátor/zosilňovač a používa to, čo Intersil nazýva R3 modulácia, zlúčenie šírkovo-impulznej modulácie (PWM) s pevnou frekvenciou a hysteréznou PWM pre (opäť) účinnú prevádzku pri nízkych úrovniach výkonu spolu s veľmi rýchlou prechodovou charakteristikou. Vyhotovenie môže byť v súlade so štandardom USB PD3.0, ktorý ponúka rýchle nabíjanie s programovateľným napájaním (PPS) s obojsmerným režimom 5 V až 20 V v režimoch kompenzátor, zosilňovač či ich kombinácii.

V automobilovom priemysle má najnižší možný prúd v pokojovom režime stále veľký význam. Počet elektronických subsystémov v automobiloch sa neustále rozširuje a celková spotreba prúdu „vypínania zapaľovania“ musí byť na úrovni, ktorá zabezpečí, aby sa batéria vozidla nevyčerpala ani za dlhší čas. Spoločnosť On Semiconductor uviedla v roku 2017 na trh NCV898032, zosilňovač určený pre automobilový priemysel, ktorý využíva externý n-kanálový MOSFET. Vo vozidle napája rad záťaží, napríklad osvetlenie. Spĺňa potrebu nízkeho stavu vybitia batérie s pokojovým prúdom, ktorý je výrazne pod 10 µA. S využitím režimu špičkového prúdu s internou kompenzáciou nábehu čip obsahuje interný regulátor, ktorý dodáva napätie ovládaču brány. Na vstup možno pripojiť napätie 3,2 až 40 V a vydrží záťaž 45 V. Regulátor má jednoduchú kompenzáciu stabilnej prevádzky a zabudované ochranné funkcie.

Pozornosť v problematike regulácie napätia sa nezamerala len na návrh prepínania; existuje mnoho prípadov, v ktorých bude stačiť iba lineárny regulátor, a to často z dôvodu veľmi nízkeho šumu. Medzi najčastejšie prípady bude patriť napájanie presných analógovo-digitálnych prevodníkov alebo vysokofrekvenčných zosilňovačov s nízkym skreslením, kde nemožno tolerovať žiadny šum napájania.

Spoločnosť ON Semiconductors má riešenie aj na túto požiadavku – NCP110A je všestranný komponent, ktorý môžu návrhári použiť v rôznych aplikáciách. Tento 200 mA regulátor je jedinečnou kombináciou veľmi nízkeho napätia (1,1 V), nízkeho šumu (8,8 µVrms), vysokého PSRr (95 dB pri 1 kHz) a nízkeho pokojového prúdu (20 µA), ktoré bolo možné dosiahnuť vďaka inovatívnej architektúre. Zariadenie je navrhnuté tak, aby pracovalo s keramickým kondenzátorom na vstupe s hodnotou 1 µF a na výstupe s hodnotou 1 µF.

Základným princípom v technickej praxi je fakt, že ak treba niečo riadiť, musíte to dokázať najprv zmerať. Nový princíp od spoločnosti Microchip sa zameriava na optimalizáciu presnosti merania v produktoch špeciálne pomocou operačného systému Windows 10 (OS). Obmedzením úsilia o dosiahnutie veľmi presného monitorovania spotreby energie v systémoch založených na procesoroch bola rýchlo sa meniaca prechodná povaha súčasného odtoku pri zapínaní a vypínaní rutín a aplikácií a volaní periférií. Úzka integrácia s OS poskytuje podrobnejšiu úroveň znalostí o tom, kedy nastali špičky a umožňuje presnejšie monitorovanie toku nabitia a lepšie využitie kapacity batérie. Takéto riešenie zhmotnila spoločnosť Microchip do svojho produktu PAC1934 IC.

Dodáva sa so softvérovým ovládačom kompatibilným s programom Energy Estimation Engine (E3) zabudovaným do operačného systému Windows 10, ktorý poskytuje 99 % presnosť na všetkých zariadeniach Windows 10, ktoré majú batérie. Kombinácia integrovaného obvodu Microchip PAC1934 a Windows 10 so službou Microsoft E3 môže zlepšiť meranie spotreby batérie z rôznych softvérových aplikácií až o 29 %. Čipy merajú napätie s úrovňou od 0 – 32 V. Je to schopnosť, ktorá umožňuje čipu presne zmerať spotrebu energie od jednoduchých úloh procesora až po softvér bežiaci na zariadeniach, ktoré sa pripájajú cez konektor USB typu C. Obojsmerné meranie nájde využitie v topológiách nabíjania USB typu C hneď, ako bude uvedené na trh. Pripravuje sa aj podpora pre operačný systém Linux.

Tento krátky výber tém týkajúcich sa napájania je len špičkou ľadovca, o ktorom sa medzi návrhármi diskutuje; nedotkli sme sa integrácie pri vyšších napätiach ani nových technológií výkonových zariadení na báze karbidu kremíka a nitridu gália alebo akýchkoľvek iných rýchlo sa rozvíjajúcich disciplín patriacich do kategórie napájania. Komponenty od uvedených výrobcov a ďalších subjektov aktívne pôsobiacich v oblasti napájania sú k dispozícii prostredníctvom spoločnosti Farnell spolu s podporou, ktorá pomôže zaistiť bezproblémový cyklus návrhu.

Lee Turner
globálny vedúci Divízie polovodičov a jednodoskových počítačov
Premier Farnell
www.premierfarnell.com