La Arquitectura de la Fuente de Alimentación Programable NI PXI-4110 - Velocidad, Potencia y Precisión en 3U PXI

Visión General

A medida que las fuentes de alimentación programables se convirtieron en componentes principales de los sistemas de pruebas automatizadas en los últimos 20 a 30 años, el diseño de cada dispositivo se ha limitado un poco a una de las dos arquitecturas básicas, conmutación y regulación lineal. Como en el desarrollo de cada producto, es necesario conocer los pros y contras al elegir cada diseño; tanto la regulación lineal y de conmutación ofrecen numerosas oportunidades para intercambiar rendimiento. La tarea de crear una fuente de alimentación del tamaño de PXI 3U, no obstante, obliga a tener un enfoque innovador. Este documento habla sobre las novedosas características de diseño de la fuente de alimentación DC programable de triple salida NI PXI-4110 y la combinación única de conmutación, regulación lineal y hardware definido por software que hacen el diseño posible en un paquete pequeño.

Contenido

Regulación Lineal o de Conmutación

Los diseños más nuevos de fuente de alimentación programable se enfocan en regulación lineal para proporcionar un voltaje de salida estable. Involucraron transistores de potencia que operan en el modo lineal (clase A) con retroalimentación que establece las características de salida. En base a un concepto de diseño bastante simple, las fuentes de alimentación lineal tienen la ventaja de regulación muy precisa, bajo ruido y excelente respuesta para cambios de línea y carga. Sin embargo, sus desventajas las hacen en gran parte indeseable para un diseño de fuente de alimentación basado en PXI - tamaño físico grande, baja eficiencia (que varía de 5 a 60%) y en consecuencia, gran disipación de potencia. A pesar de que la especificación PXI permite cerca de 20 W de enfriamiento por ranura, esto no sería suficiente para proporcionar la potencia tradicional requerida para sistemas ATE.

Un método más aceptado recientemente para brindar potencia precisa en sistemas de pruebas proviene de la regulación de conmutación. La regulación de conmutación involucra transistores que realizan conmutación de encendido y apagado con su ciclo útil que determina el voltaje de salida. Por consiguiente, la regulación de temporización en los transistores va a determinar la precisión del voltaje de salida. Este método ofrece la ventaja de una eficiencia mucho mayor que sus contrapartes lineales, generalmente en el rango de 65 a 90% y por lo tanto produce diseños mucho más fríos. El peso típico de cada componente también es mucho menor, manteniendo el paquete físico bajo control. Sin embargo, la respuesta transitoria óptima tiende a ser mucho más difícil de obtener y se debe considerar la interferencia electromagnética de los componentes de conmutación. Finalmente, con los anteriores factores combinados, todavía es difícil competir con el bajo ruido de salida y velocidad posibles con diseños lineales.

Diseñar en un Módulo PXI 3U

Así que, ¿cómo se resuelve el problema de diseñar una fuente de alimentación altamente eficiente en un espacio extremadamente limitado y ofrecer el alto rendimiento que los clientes esperan? Las restricciones de espacio de un módulo PXI de una sola ranura para una fuente de alimentación de precisión no permiten mucho espacio para disipadores de calor y transformadores "big-iron" con pérdida. Los ingenieros tomaron el enfoque de combinar salida lineal tradicional con un circuito novedoso pre-regulador controlado por FPGA para cumplir con estas restricciones de diseño. Veamos esto con más detalles.

La tecnología moderna de fuente de alimentación de conmutación ha mejorado drásticamente ante las fuentes de alimentación de 30 lb de ayer. Técnicamente, el tamaño pequeño en las fuentes de alimentación es determinado en gran parte por la velocidad de conmutación. Como regla general, mientras más alta la velocidad de conmutación, los componentes magnéticos son menores. A mediados y finales de 1980 los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts y en otros lugares estaban experimentando con el concepto de convertidores, amplificadores y reguladores de conmutación de 1 MHz. En los últimos cinco años, esta tecnología ha superado incluso las expectativas. Sin embargo, el progreso se minimiza si los elementos de conmutación tienen tal pérdida que cualquier mejora en el tamaño del componente es negada por la necesidad de disipar calor en los elementos de conmutación debido a ineficiencias. Una vez más, las tecnologías han mejorado considerablemente en los últimos 10 años. Combinado con nuevos circuitos integrados de controlador de fuente de alimentación, la etapa es establecida para sintetizar alta potencia eficiente e incluso fuentes de alimentación silenciosas que hacen el trabajo de sus anteriores contrapartes "big-iron" tradicionales.

Hasta el momento, esta evolución tecnológica nos proporciona únicamente potencia casi regulada. Aún existen retos de diseño, incluyendo la capacidad de programar a 0 V, detectar corrientes desde microamperios hasta amperios, proporcionar rápida respuesta a la carga y entradas programadas, etc. La mejor manera de resolver estos problemas (y de proporcionar rendimiento del ruido excepcional) es con circuitos lineales tradicionales. Así que la mejor solución es una combinación de tecnologías lineales y de conmutación.

Como punto aparte, los amplificadores comerciales Clase D también son una opción para diseños de fuente de alimentación de alto rendimiento. Desafortunadamente los ingenieros de NI determinaron que mientras estos son dispositivos innovadores para aplicaciones de audio como altavoces de conducción eficientes, tienen limitaciones donde se requieren salidas de DC de precisión. A nuestro juicio, estas limitaciones tienen más importancia que los posibles beneficios que pudieran ofrecer.

Regulación de Conmutación con Salida Lineal

La fuente de alimentación DC programable de triple salida NI PXI-4110 combina tecnologías tradicionales de potencia lineal y de conmutación al configurar el conmutador como un regulador de registro, básicamente creando un riel con capacidad variable por encima de la salida programada. El resultado final es un módulo con dos canales aislados, uno desde 0 a +20 V y el otro desde 0 a -20 V y un solo canal no aislado de 0 a 6 V, todos capaces de generar hasta 1 A por canal. Estas especificaciones básicas de salida de potencia son complementadas por excelente resolución y bajo ruido para la PXI-4110 como una fuente de voltaje o corriente.

El control de salida lineal de la PXI-4110 se describe en la Figura 1. La tecnología principal en la etapa lineal es la potencia op-amp Linear Technologies LT1970 con límite de corriente de precisión ajustable. La LT1970 tiene varias ventajas para una implementación de fuente de alimentación PXI, no menos importantes que su tamaño pequeño y límite de corriente "sobre la marcha", lo cual es especialmente útil para aplicaciones de ATE. Tradicionalmente, se conocía como un "bloque de control IV" porque permitía que la salida fuera controlada de voltaje constante o corriente constante, dependiendo de las configuraciones de entrada y carga de salida; fue implementada con op-amp discretos, diodos y resistores. Este bloque de control IV forma la esencia de las unidades de fuente/medida (SMUs) tradicionales. Por lo tanto, usar el bloque de control IV LT1970 le ayuda a dar a la PXI-4110 un comportamiento como una SMU.



Figura 1: La tecnología Lineal LT1970 es el núcleo del bloque de control de voltaje/corriente PXI-4110.


Como fueron requeridos más voltaje y corriente de salida que el LT1970 podía proporcionar, fueron diseñados circuitos "traductores" analógicos para manejar el rango de salida. Fue necesario escalar tanto el control de salida como la medida de esta manera. La Figura 2 muestra los bloques básicos que representan esta traducción de doble dirección. En el diseño de esta traducción, fue importante tomar en cuenta varios detalles clave:

  • Es necesario llevar la salida hasta llegar a 0 V
  • Debemos poder medir voltajes y corrientes hasta llegar a 0 V con fugas de submicroamperios
  • Debemos absorber suficiente corriente desde cualquier carga de salida o capacitancia para mantener un buen tiempo de respuesta incluso cerca de 0 V
  • Tenemos que tolerar condiciones de sobrevoltaje de entrada




Figura 2: La etapa de regulación lineal está diseñada para proveer/medir voltajes y corrientes muy bajos.


La LT1970 actúa como un op-amp para controlar los dispositivos de salida discreta que proporcionan la traducción a los voltajes de salida necesarios. Al usar un elemento de salida MOSFET discreta para cada canal, la corriente de salida es elevada 10 veces más que la capacidad de la LT1970, 3 veces mayor del cumplimiento de voltaje de la LT1970. Asimismo, es usada una combinación de op-amp/FET de alta velocidad como un traductor de detección de corriente para hacer aparecer al voltaje en las derivaciones de corriente de regreso a los rieles de la LT1970. El resultado es un ciclo de control rápido que brinda excelente respuesta transitoria y estabilidad en un amplio rango de cargas. Este traductor de detección de corriente también es optimizado para rango dinámico y ruido, por lo que es posible detectar voltajes hasta 0 V y corrientes hasta niveles de submicroamperios.

En el canal 0 no asilado, el convertidor de conmutación es un convertidor de Tecnología Lineal LT1773 boost-buck que brinda regulación dinámica a su salida. La salida de control del canal 0 es alimentada por el LT1773 a través de acondicionamiento de señales, lo cual resulta que la salida LT1773 "flote" por la salida del canal 0 por algunas décimas de un volt. El resultado es un diseño de conmutación de potencia extremadamente eficiente con todas las ventajas de un regulador lineal.

Combinar directamente el regulador de registro con el amplificador de salida descrito anteriormente, se encarga del canal no aislado. Con los canales 1 y 2 aislados, el regulador de conmutación consiste en un convertidor DC-DC de alta potencia relativamente directo que opera cerca de los 200 kHz. El controlador de entrada al convertidor se compone de un FPGA que puede variar el ciclo de trabajo de la señal del controlador aplicada a los MOSFETs de conmutación. El FPGA ofrece la ventaja de arranque inteligente, lo cual "suaviza" la caída de corriente transitoria del plano trasero PXI y por consiguiente permite que el PXI-4110 opere dentro de la especificación PXI.

Aunque con los canales aislados no hay trayectoria de retroalimentación analógica directa al control del regulador de conmutación debido al aislamiento galvánico (ver Figura 3), ya existían un convertidor analógico a digital aislado y trayectoria de datos para estos canales para proporcionar lectura de corriente y voltaje. Este ADC está monitoreando todo el tiempo el voltaje y la corriente de salida; así si también puede ser cambiado para "ver" el riel entrada original que suministra al amplificador de salida lineal, es posible usar la señal como retroalimentación aislada. Entonces el FPGA puede ser usado para modular el ciclo de trabajo del controlador FET a los convertidores DC-DC, proporcionando de manera eficiente un algoritmo PID de software-en-el-ciclo controlado digitalmente para administrar la entrada pre-regulada a la etapa lineal. Todo esto se puede llevar a cabo usando componentes que ya eran necesarios en el diseño por otras razones. El resultado es un diseño flexible y rentable en un módulo PXI 3U que puede ser adaptado conforme surgen otros requerimientos de fuente de alimentación.


Figura 3: Los canales no aislados en el PXI-4110 hacen uso de convertidores analógicos a digitales para controlar los elementos de pre-regulación de conmutación a través de la misma trayectoria de datos mientras se realiza la medida de corriente/voltaje.


Existen varias ventajas al usar este ciclo de control configurable por software. Primero, es posible anticipar en dónde tiene que estar el pre-regulador antes de que el amplificador de salida intente llegar ahí. La Figura 4 describe la importancia de implementar esto correctamente. Segundo, la respuesta puede ser adaptada para optimizar la eficiencia del sistema. Finalmente, podemos ajustar el algoritmo de control para optimizar el rendimiento, dependiendo si la potencia de entrada viene desde el plano trasero PXI o de una fuente externa. Es importante que la potencia absorbida desde el plano trasero PXI sea administrada cuidadosamente para cumplir con las especificaciones PXI del producto en general.



Figura 4: El algoritmo de control PID implementado en un FPGA en el PXI-4110 analiza y corrige todos los cambios en carga o potencia de entrada para asegurar que la salida de potencia del pre-regulador es suficiente para la etapa lineal.


Los ingenieros de NI encontraron que el voltaje por sí solo no era suficiente. En cambio, determinaron que la respuesta óptima era obtenida al regular la potencia disipada en el regulador lineal. La razón de esto se muestra en la Figura 5. Cuando son cargados levemente y ejecutados en ciclos de trabajo bajos, los convertidores DC-DC tienden a comportarse más como fuentes de corriente que como fuentes de voltaje. Cuando una carga repentina es aplicada a la salida de una fuente de corriente, la salida se colapsa rápidamente. Por lo tanto, se requiere mayor capacidad de voltaje para darle tiempo al PID de responder. Esto se logra al usar regulación de potencia, la cual ajusta automáticamente la capacidad de voltaje de salida para ser mucho más grande bajo condiciones de carga ligera.



Figura 5: La potencia es regulada en el PXI-4110 (opuesto al voltaje) para compensar los cambios en la carga. Se mantiene suficiente capacidad todo el tiempo para prevenir "fallas" entre el riel del pre-regulador y el voltaje de salida.


Otro ejemplo de esta flexibilidad es optimizar la caída de potencia de la fuente de alimentación de entrada - en este caso el plano trasero PXI. Ya que la potencia disponible en un chasis PXI está limitada, es necesario proporcionar una fuente de alimentación auxiliar para aplicaciones por arriba de 9 W. Sin embargo, existen varias aplicaciones para niveles de potencia menores a 9 W y en esas situaciones, el cliente no debe requerir complementar al plano trasero PXI. Usando este enfoque, son usados diferentes puntos de inicio PIF (residentes en el FPGA) para energizar desde el plano trasero PXI en lugar de una fuente auxiliar. Si es necesaria más potencia que la que está disponible en el plano trasero PXI, los puntos de inicio PID son cambiados para ofrecer un equilibrio más óptimo entre eficiencia y respuesta de paso.

El diseño del PXI-4110 hace amplio uso del lenguaje de programación gráfica LabVIEW para simular el software PID y después traducir el código a VHDL para ejecutarse en el FPGA. Esto dio a los ingenieros tremenda flexibilidad al intentar una variedad de ideas rápidamente como varios casos de uso y condiciones de carga de salida cuando son identificadas. Por ejemplo, para garantizar que la salida pre-regulada puede responder a una solicitud de cambio de paso de entrada, el PIS fue predeterminado a un ciclo de trabajo que puede alojar la carga completa de 1A para un número de ciclos de reloj predeterminado. Por lo tanto, si la combinación del estado de salida solicitado y la carga de salida demandan corriente completa, la etapa de salida lineal tiene suficiente capacidad para alojarlo. El diagrama de bloques de control y sus excepciones serían difíciles de sintetizar sin el uso de LabVIEW como un simulador y "caja de arena".

Rango de Corriente de 20 mA para Aplicaciones de Fuente de Precisión

Una de las solicitudes de los clientes más apremiante para los proveedores de fuente de alimentación ha sido la sensibilidad de medida de corriente en el rango de submicroamperios. Tradicionalmente, las fuentes de alimentación no miden por debajo de algunos mA. Para realizar estas tareas, los clientes han sido forzados a usar SMUs u otros productos de media los cuales pueden costar dos o tres veces más que una fuente de alimentación. Y con eso surge el reto de integrar productos de precisión adicionales en el sistema, probablemente con conmutación y otros componentes, incrementando el costo del sistema. Los ingenieros de NI optaron por proporcionar sensibilidad a nivel de submicroamperios al PXI-4110 para resolver estas necesidades al agregar el rango de mA. Esto proporciona la resolución de salida y sensibilidad de lectura de medidas 100 hasta 1000 veces mejor que las fuentes de alimentación tradicionales. Esto reduce considerablemente los costos del sistema, el tiempo para realizar la primer medida y espacio requerido. Las aplicaciones para medidas de corriente sensitivas incluyen caracterización de dispositivo de semiconductor, trazado de curva IV y pruebas de fuga de corriente en sistemas operados por baterías.

Suministrar Potencia de Entrada al PXI-4110

La fase de investigación de mercado del PXI-4110 reveló que un buen número de aplicaciones requirieron solamente unos watts de potencia de salida - un nivel fácilmente suministrado directamente desde el plano trasero PXI. Los clientes se mostraron renuentes a suministrar una fuente de alimentación externa para estas aplicaciones. Por otro lado, la potencia disponible desde una sola ranura PXI no es suficiente para aplicaciones que requieren más de 10 W. Así que se decidió hacer al PXI-4110 capaz de soportar ambos. La fuente de alimentación NI APS-4100 auxiliar fue diseñada como un accesorio del PXI-4110 para resolver aplicaciones de potencia más alta.

Los experimentos iniciales mostraron que soportar dos fuentes de alimentación pata este dispositivo no sería una tarea fácil. Por ejemplo, si la potencia era absorbida desde la fuente de alimentación externa y su potencia desaparecía repentinamente, la oleada de potencia resultante desde el plano trasero PXI podría exceder las especificaciones PXI (e incluso fusibles de protección). Eran necesarios hardware y software de control apropiados para "asegurar" las condiciones que podrían causar potencia excesiva sea absorbida o aplicada al plano trasero PXI. La Figura 7 ilustra el concepto.



Figura 7: La potencia de entrada para el PXI-4110 viene desde el plano trasero PXI o una fuente externa de 11-15.5 V.

Proteger las Entradas y salidas del PXI-4110

En sistemas ATE y configuraciones de laboratorio (incluyendo entornos académicos), es crucial la robustez de las fuentes de alimentación programables. Durante la depuración del sistema ATE, las salidas de la fuente de alimentación pueden ser conectadas inadvertidamente en lugares equivocados. En las configuraciones de laboratorio, generalmente los nodos son cortados accidentalmente o conectados inapropiadamente. Por lo tanto, el PXI-4110 f ue diseñado para resolver un gran número de condiciones de sobrecarga. A continuación está un resumen de los elementos de protección clave en el PXI-4110:

  • Protección de la Salida del Canal - Cada canal es, por supuesto, corriente y voltaje limitado de manera programática. Además, cada salida es protegida contra una aplicación de voltaje de polaridad inversa. Un fusible de salida ofrece protección adicional para prevenir fallas desastrosas como una última línea de defensa. Está disponible un fusible de repuesto en la tarjeta para disminuir el tiempo de reposo si es necesario.
Cada salida también es protegida contra aplicación de voltajes excesivos del exterior, hasta 15 V desde el máximo voltaje de canal. Como un ejemplo, los canales de 20 V pueden tolerar aplicación de hasta 35 V aplicados desde el exterior del módulo. El canal de 6 V tiene un grado de protección adicional. Ya que su salida está limitada a 6 V, los voltajes excesivos aplicados al Canal 0 apagan todas las salidas y emiten una alerta al usuario.
  • Protección de Entrada de Potencia Auxiliar - Una entrada de potencia auxiliar permite a los canales 1 y 2 (+20 y -20 V) suministrar hasta 20 W cada uno. Ya que el PXI-4110 permite el uso de un dispositivo de potencia externo, se deben tomar pasos adecuados para proteger al módulo.
El rango de voltaje de operación para la entrada de potencia auxiliar es de 11 a 15.5 V. Si son detectados voltajes fuera de estos límites, el módulo se apagará hasta que sea aplicado un voltaje de entrada dentro del rango. Si es aplicada una entrada mayor de 20 V, la protección de la palanca de entrada se encenderá, resultando probablemente en un fusible de entrada bolado. Esto protege a los dispositivos de conmutación de estado sólido de entrada (y fuente de alimentación pre-regulador) de daño por sobrevoltaje.
  • Protección por Sobre Temperatura - El PXI-4110 está diseñado de manera conservadora y opera a incremento de temperatura nominal internamente debido al control PID inteligente de los dispositivos de salida. Sin embargo, si ocurre una falla, como un filtro de ventilador de chasis de excesivamente sucio, toma bloqueada o falla del ventilador del chasis, los canales de salida se apagan y se emite una alerta. Una condición de sobretemperatura requiere intervención del usuario del software para restablecer, de ese modo previene al módulo de "funcionar" a temperaturas excesivas para que se desarrolle una falla del sistema.

Mayor Velocidad de Programación

En sistemas de pruebas automatizadas uno de los atributos de rendimiento importantes de cualquier instrumento es la velocidad. Para fuentes de alimentación, la programación y velocidad de medida, así como el bus de comunicación forman las principales áreas de distinción para el PXI-4110.

El hecho que el PXI-4110 es construido en base al bus PXI ayuda a optimizar significativamente la programación y las velocidades de medidas. Enviar parámetros del programa y recuperar datos se facilita enormemente por las velocidades del bus PXI de 132 MB/s. Con tres canales que cada uno requiere parámetros de programación y medidas de voltaje/corriente además de información de estatus (límite de compatibilidad, advertencias, errores, temperatura, etc.), la cantidad de datos que necesitan moverse en ambas direcciones puede cuestionar las soluciones de bus tradicional. PXI puede mover estos datos en tiempos de microsegundos comparado con varios milisegundos o 10s de milisegundos requeridos con las arquitecturas de bus de instrumentos tradicionales (GPIB o RS232). Por lo tanto, los costos por software y trayectoria de datos son prácticamente insignificantes para el PXI-4110.

La arquitectura de medida del PXI-4110 también es notable por su ventaja en velocidad ante los enfoques de medida tradicionales. Integrar las arquitecturas ADC tradicionalmente son usadas en medidas de fuente de alimentación. Estos ADCs tienen ventajas para ruido pero no brindan al usuario mucha flexibilidad para optimizar la velocidad, especialmente dispositivos de estímulo-respuesta dinámica como fuentes de alimentación de precisión o SMUs. Con fuentes de alimentación de múltiples canales, el ADC más lento crea sobre carga significante para adquirir los múltiples parámetros requeridos para representar el estado de la salida.

La Figura 8 muestra la arquitectura usada en el PXI-4110. Está basado en motores de medidas similares usados en sistemas de adquisición de datos de alta velocidad de National Instruments. Los ADCs son convertidores de alto ancho de banda de 16 bits de 200 kS/s - uno para el canal no aislado y otro para los dos canales aislados. Como se mencionó anteriormente, los ADCs son usados para lectura de medidas, así como control, PID. La velocidad de ciclo neta de la medida está en el rango de 3 kS/s. En otras palabras, cada 300 µs, el motor de medidas regresa seis medidas - salida de voltaje y corriente para cada uno de los tres canales (así como los datos del ciclo PID). Este es suficiente rápido para ver el tiempo de asentamiento de todos los canales simultáneamente (tiempos de incremento en el rango milisegundos) y es más rápido de lo requerido para formas de onda de paso de estímulo-respuesta requeridos por el usuario.



Figura 8: La arquitectura de medida del PXI-4110 permite rápida retroalimentación de voltaje/corriente en cada canal antes de transmitir los datos de regreso al usuario en todo el plano trasero PXI.


El rendimiento de ruido óptimo de la media es alcanzado al promediar múltiples medidas. El predeterminado es un promedio de 10, pero el usuario puede seleccionar y modificar ese valor como sea necesario para la aplicación. Los datos aislados son movidos rápidamente por una trayectoria de datos serial de 10 Mb/s usando aisladores digitales basados en MEMS de alta velocidad.

Conclusión

Con el espacio disponible y el alto rendimiento en el moderno sistema de pruebas automatizadas, es requerido un diseño innovador de fuente de alimentación para mantener el paso. La fuente de alimentación DC programable de tres salidas PXI-4110 utiliza los mejores elementos de diseño de fuente de alimentación lineal y de conmutación para ofrecer una fuente compacta de alta resolución que se ajusta en un módulo PXI 3U de una sola ranura. Cuando este producto es usado en combinación con otros instrumentos modulares de clase mundial disponibles como módulos PXI, mejora la habilidad del usuario para desarrollar sistemas de pruebas eficientes y flexibles para cumplir con cualquier reto en cualquier industria.


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