JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
 Annonsera Utgivningsplan Månadsmagasinet Prenumerera Konsultguide Om oss  About / Advertise
tisdag 17 september 2019 VECKA 38
Digital kraft skapar en mängd möjligheter som inte funnits tidigare. Utvecklingsfasen kan förkortas, verkningsgraden höjas samtidigt som systemet blir mer robust och flexibelt. Det menar många halvledartillverkare som insett fördelarna med tekniken. Ändå lär det dröja många år innan digital kraft är det självklara valet i ett bredare perspektiv.
Lyssnar man på analytikerna så är digital kraft i ropet. Darnell Group, som är specialiserat på just kraftelektronik, menar att digitala halvledarkretsar som styr och övervakar strömförsörjningen i ett system kommer att se en tillväxt på runt 20 procent per år under den närmaste femårsperioden.

–  Digital kraft införs just nu i så gott som alla tänkbara tillämpningar, från standard kraftaggregat till medicin, belysning och konsumentprodukter, säger Linnea Brush, analytiker på Darnell Group.

Samtidigt påpekar hon att det finns ett motstånd i månget ingenjörshuvud som innebär att den digitala tekniken inte får ett lika snabbt och brett genomslag som den skulle kunna.

–  Strömförsörjningsexperterna tycks fortfarande associera digitalt med ett högre pris än analoga standardtekniker. Det gör att digital kraft kommer att hamna i den kategorin först om fem till nio år, spår Linnea Brush.
Digital kraft i tre nivåer

Den enklaste varianten av digital kraft är en DC/DC-lösning som kan programmeras att styra vissa enkla funktioner, som att slå på och av omvandlaren. I nästa nivå införs funktioner för att kontrollera och övervaka systemet. Den informa-tionen kan sedan användas för att kommunicera med omgivningen och styra funktioner som exempelvis utspänning och strömbegränsningar. Den tredje nivån nås när den analoga pulsbreddsmodulerade återkopplingen (PWM-loopen) byts ut mot en digital återkoppling.


Faktum är att priset på rent digitala lösningar är lite högre än analoga eftersom volymerna inte finns där ännu. Det är dock en prisskillnad som inte kommer att stå sig på skikt.

–  Egentligen behöver inte en digital PWM (pulsbredsmodulerad) controller vara dyrare än en analog lösning på chipnivå, säger Patrick Le Fevre, marknadsansvarig på Ericsson Power Modules.

Ericsson är ett företag som tidigt identifierat digital kraft som den rätta vägen att gå. Företaget har studerat tekniken noggrant och kommit fram till att vinsten inte enbart ligger i digital styrning och övervakning av strömförsörjningen. Minst lika centralt är det att återkoppling av spänningsomvandlaren är digital.

–  Vi ser inga nackdelar med digital återkoppling. Anledningen till att många inte vill gå över till digital teknik handlar mest om att människor är lite rädda för att införa ny teknik, säger Patrick Le Fevre.

Han menar att läroprocessen är lång för dem som inte varit engagerade i utvecklingsskedet. Och ingångströskeln är hög, eftersom det i många fall handlar om analogexperter som ska börja jobba med processorer (se artikeln på sidan 18).

–  När jag var i USA i förra veckan mötes jag av flera företag som börjat använda digital kraft och effekthantering i sina tillämpningar. Tekniken boomar på andra sidan Atlanten, medan européerna, förutom Ericsson, ligger långt efter i utvecklingen.

Att digital kraft hägrar för halvledartillverkarna är det ingen tvekan om. Flera större halvledarföretag har slukat mindre teknikexperter för att snabbt ta sig in på marknaden. Två exempel på detta är Intersils köp av amerikanska Zilker Labs strax före årsskiftet samt Infineons köp av amerikanska Primarion i fjol.

Zilker Labs krets, ZL2005, sitter i Ericssons första oisolerade POL-omvandlare med digital återkoppling, BMR450 och BMR451. Primarion har tidigare samarbetat med Linear Technology kring digital kraft.

Patent försenar bussen

PMBus – Power Management Bus – är en öppen kommunikations-standard tänkt att användas för att digitalt konfigurera, styra och övervaka alla typer av kraft-aggregat. Standarden stöds av de två organisationerna Dosa och Pola och protokollet ägs av System Management Interface Forum.
Kraftmodultillverkaren Power One var tidigt ute med digitalt styrda POL-omvandlare (Point-of-Load). Redan i februari 2004 lanserade företaget tekniken Z One, som är proprietär och patenterad. Patenten, som är omfattande, innebär bland annat att all form av tvåtrådskommunikation i POL-tillämpningar är patenterad av Power One. Eftersom PMbuss är en seriell tvåtrådsbuss, får den inte användas i POL-tillämpningar utan licens från Power One. Patentet gäller däremot inte isolerade krafttillämpningar.
Power One har på senare år stämt en hel rad företag som gjort intrång i företagets patent, däribland modultillverkarna Emerson och Artesyn. Flera andra använder tekniken olagligt, i det tysta, medan Ericsson använder den extremt restriktivt, för att inte passera gränsen. Det är nämligen tillåtet att skicka ett PMBus-kommando för att läsa data från en kraftmodul, däremot är det inte tillåtet att styra via bussen utan tillåtelse från Power One. Modultillverkarna är överens. Marknaden för adaptiv styrning skulle ha vuxit mycket snabbare om inte Power Ones patent hade hindrat utvecklingen.
En hel rad halvledartillverkare, däribland Infineon, Intersil, Texas Instruments, Linear Technology och Powervation, har därmot licensierat eller på annat sätt kommit överens med Power One om att använda tekniken på chipnivå. TI har även tillåtelse till tekniken på modulnivå.
Att Primarion slunkit ur Linears samarbetsfamn stör inte företaget, som fortsätter att utveckla tekniken på egen hand. Strax efter sommarledigheten släppte företaget övervakningskretsen LTC2978, som digitalt kan styra upp till åtta analoga spänningsomvandlare för att exempelvis snabbt justera utsignalen och för att skydda, övervaka och diagnostisera. En typisk tillämpning kan vara ett komplext telekomkort med uppåt 35 DC/DC-omvandlare ombord.

–  Kretsen förenklar konstruktionen radikalt och minskar antal komponenter jämfört vid traditionell analog styrning. Den stora vinsten med digital krafthantering finns i själva utvecklingsstadiet. Alla vill kunna förenkla konstruktionsarbetet och kunna debugga i labbet, säger Bob Reay, ansvarig för mixedsignalprodukter på Linear Technology.

Även Texas Instruments är inne på att det är i utvecklingsskedet som digital kraft kommer att slå igenom först. Men åsikterna går isär om var den stora vinsten med tekniken finns.

När digital kraft förs på tal är det komplexa system många pekar på. Det är inom detta område som digital styrning har sina rötter med avancerade DSP:er som gör jobbet. Samtidigt kan man inte blunda för att det amerikanska företaget iWatt redan har skeppat över 100 miljoner digitala kraftkretsar som används i enkla nätadaptrar.

–  Digital kraft kan mycket väl användas i kostnadskänsliga volymprodukter. Det handlar om en balans mellan funktioner och kostnad. Ju färre funktioner, desto mindre chipyta, färre anslutningar och lägre kostnad, säger Chris Young, ansvarig för digital kraft på Zilker Labs, numera Intersil.

Den valda arkitekturen är central. Idag finns det både styrkrets- och tillståndsmaskinsbaserade lösningar (state machine). De senare är dedicerade för en viss tillämpning och således mindre flexibla, men samtidigt enklare och billigare.

–  Vi föredrar state machine-arkitektur, men det kräver att man har en idé om hur komplex lasten är. Behöver man ett högre ordningens filter kan det vara bättre med en DSP-arkitektur. Det är ganska ovanligt i DC/DC-tillämpningar, mer vanligt i AC/DC, säger Chris Young.

Intressant är att Texas Instruments, som började med att släppa avancerade DSP-lösningar för att sedan även erbjuda styrkretsbaserade lösningar numera helst talar om mer dedicerade arkitekturer.

–  Vi har ett mycket brett sortiment av digital kraft idag och använder främst ”state machine”-arkitektur i kombination med ett flashminne för att lagra parametrar. Jag tror att ”state machine”-arkitektur kommer att bli vanligare då de är snabbare och drar mindre effekt, säger Steve Bakota, ansvarig för digital kraft på Texas Instruments.

Linear Technology, som är ett utpräglat analogföretag, strävar i den andra riktningen. Företagets nämnda nytillskott har en ”state machine”-arkitektur, men med nästa generation kommer processorbaserade kretsar.

–  En styrkretsarkitektur ger flexibilitet genom programvara som innebär att man enkelt kan återanvända en konstruktion i olika lösningar, säger Bob Reay.

Vilken styrkrets Linear väljer är inte officiellt, men Bob Reay menar att det likaväl kan handla om en egenutvecklade arkitekturer som en licenserad.

De programmerbara kretsarna har drivit fram ett behov av grafiska programmeringsverktyg – det är alla i branschen överens om.

–  Kretsarna är väldigt viktiga, men ett lättanvänt grafiskt användargränssnitt (GUI) är minst lika avgörande för att få tekniken att slå igenom, säger Steve Bakota.

Något entydigt svar på om analog eller digital återkoppling är bäst idag går det däremot inte att få.

Ericsson Power Modules, TI och Intersil är exempel på företag som hävdar att den digitala tekniken har klara fördelar jämfört med den analoga. En av de främsta fördelarna med digital återkoppling, menar förespråkarna, är att det går att få hög verkningsgrad oberoende av lastförändringar. Ytterligare en fördel är att de passiva komponenter som utgör kompensationsnätet i den analoga världen kan ersättas av parametrar i ett register eller minne. Ett sådant kompensationsnät kan ändras enkelt samtidigt som ett antalet passiva komponenter kan tas bort.

Linear ser däremot ingen fördel med digital återkoppling – ännu. Genom strömstyrd teknik går det att skapa adaptiv styrning av lasten i en analog konstruktion, hävdar företaget, som har en mängd patent inom detta område.

–  Ingen frågar efter digital återkoppling idag. Frågorna handlar om digital styrning och övervakning av kraften. Men vi utvecklar teknik inom området och den dag marknaden finns kommer vi att ha en lösning, säger Bob Reay.

Ytterligare en fördel för analogtekniken är den höga bandbredden. Vill man ha hög transientrespons i en digital konstruktion blir det dyrt.

–  Ett sätt att komma runt detta är att använda en hybridlösning. Vi gör det. När signalresponsen är liten använder man digital återkoppling. Vid transienter kopplas istället signalen via en analog återkoppling, säger Chris Young.
MER LÄSNING:
 
Branschens egen tidning
För dig i branschen kostar det inget att prenumerera på vårt snygga pappers­magasin.

Klicka här!
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik

Anne-Charlotte
Sparrvik

+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)