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Un controllore digitale per compensare un controllo analogico

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 30 ottobre 2009

Molti moderni circuiti integrati digitali per il controllo di potenza mancano in alcune basilari caratteristiche e, per esempio, non incorporano il driver di comando gate e il limitatore di corrente che, invece, abitualmente si trovano in tutti i circuiti analogici. I controllori digitali di potenza hanno generalmente solo uscite logiche PWM, Pulse Width Modulated, mentre i driver discreti per i gate raramente includono un circuito limitatore di corrente. Inoltre, molti transistor FET di protezione possono lavorare solo a bassa frequenza e in applicazioni con basse potenze in gioco.

L’integrato LM3485 di National Semiconductor ospita a bordo sia il driver ad alta potenza per il gate sia il limitatore di corrente. Tuttavia, lo schema di controllo a isteresi di questo integrato analogico rischia di non saper garantire prestazioni soddisfacenti nelle applicazioni dove la frequenza di commutazione sia molto elevata e, inoltre, non può in alcun modo regolare retroazioni con tensione al di sotto del riferimento interno di 1,24 V.

Un semplice circuito PID (proporzionale/integrale/differenziale) potrebbe risolvere le limitazioni di questo schema di controllo, ma a patto di aggiungere una non trascurabile complessità. Il chip integrato di controllo CLZD010 della famiglia CLOZD (Caldwell Loop Optimization in Z Domain) prodotta da Flextek Electronics riesce a effettuare lo stesso tipo di controllo in modo più semplice, grazie a un apposito modulo di elaborazione digitale embedded. In pratica, un compensatore nel dominio del tempo sostituisce i parametri operativi di ben tre circuiti PID nel dominio della frequenza, senza bisogno di complesse analisi di stabilità. Questo circuito non richiede l’interfacciamento di un PC perché se ne può facilmente osservare la risposta in frequenza e, quindi, modificare la configurazione dei pin fino a compensare adeguatamente il guadagno ad anello della retroazione. In questo caso, comunque, l’uscita PWM è solo un semplice driver logico di livello.

Fig. 1 – Unendo la semplicità e la robustezza del controllo digitale ad anello chiuso del CLZD010 con l’efficienza del limitatore di corrente analogico a elevata potenza dell’LM3485 si ottengono i vantaggi di entrambe le tecnologie

Il circuito in figura 1 unisce la semplicità e la robustezza del controllo ad anello chiuso del controllore digitale CLZD010 con l’efficienza del limitatore di corrente a elevata potenza del chip analogico LM3485, ottenendo così i vantaggi di entrambe le tecnologie. In pratica, il PWM del chip logico risolve elegantemente l’isteresi del comparatore nel chip analogico per il comando delle commutazioni del FET. Un secondo comparatore connesso al pin 1 ISNS del chip LM3485 si occupa di spegnere il FET se la tensioni supera un predeterminato valore in fase di conduzione, limitando così la corrente.

Fig. 2 – Risposta termica del circuito; (a) il circuito ad anello aperto impiega circa tre minuti per raggiungere circa due terzi del valore finale, mentre il circuito completo con la retroazione è molto più veloce e (b) quando la temperatura è stabilizzata abbassa la tensione di regolazione per impedirne l’oscillazione

Nel grafico della risposta termica nel tempo (Fig. 2a) si vede che il circuito impiega circa tre minuti nella sola tradizionale regolazione ad anello aperto per raggiungere circa due terzi del valore finale della temperatura, mentre la regolazione ad anello chiuso comprensiva del CLOZD è nettamente più veloce e arriva al valore finale in 134 secondi. In quello stesso istante la tensione di regolazione scende bruscamente per permettere alla temperatura di stabilizzarsi senza più oscillare, come si vede nella figura 2b.

Si può configurare questo circuito giocando sulla combinazione dei due effetti fino a soddisfare un’ampia gamma di condizioni applicative.
 

David Caldwell, Flextek Electronics

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