La arquitectura de la fuente de alimentación programable NI PXI-4110 - velocidad, potencia y precisión en 3U PXI

Los primeros diseños de fuentes de alimentación programables se enfocaron en la regulación lineal para proporcionar un voltaje de salida estable. Involucran transistores de potencia que operan en el modo lineal (clase A) con retroalimentación que establece las características de salida. Basadas en un concepto de diseño bastante simple, las fuentes de alimentación lineales tienen la ventaja de una regulación muy precisa, baja ondulación y ruido, y una excelente respuesta a los cambios de línea y carga. Sin embargo, sus inconvenientes los hacen en gran medida indeseables para un diseño de fuente de alimentación basado en PXI: tamaño físico grande, baja eficiencia (que varía del 5% al 60%) y, en consecuencia, gran disipación de energía. Si bien la especificación PXI permite aproximadamente 20 W de enfriamiento por ranura, esto no sería suficiente para proporcionar la potencia tradicional requerida para los sistemas ATE.

Un método aceptado más recientemente para entregar potencia precisa en sistemas de pruebas proviene de la regulación de conmutación. La regulación de conmutación implica que los transistores se enciendan y apaguen rápidamente con su ciclo de trabajo determinando el voltaje de salida. En consecuencia, la regulación de temporización en los transistores determinará la precisión del voltaje de salida. Este método ofrece la ventaja de una eficiencia mucho mayor que sus contrapartes lineales, a menudo 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, lo que mantiene el paquete físico bajo control. Sin embargo, la respuesta transitoria óptima tiende a ser más difícil de obtener y se debe considerar la interferencia electromagnética de los componentes de conmutación. Finalmente, con los factores anteriores combinados, aún es difícil competir con el bajo ruido de salida y la velocidad posible con los diseños lineales.

Entonces, ¿cómo se resuelve el problema de diseñar una fuente de alimentación altamente eficiente en un espacio extremadamente reducido y ofrecer el alto rendimiento que los clientes esperan? Las limitaciones 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 grandes y engorrosos y grandes transformadores con pérdidas. Los ingenieros de NI adoptaron el enfoque de combinar el enfoque tradicional de salida lineal con un novedoso circuito pre-regulador controlado por FPGA para cumplir con estas restricciones de diseño. Veamos esto con más detalle.

La tecnología moderna de fuente de alimentación de conmutación ha mejorado drásticamente con respecto a las fuentes de alimentación de 30 lb de ayer. Técnicamente, el tamaño pequeño de las fuentes de alimentación depende en gran medida de la velocidad de conmutación. Como regla general, cuanto mayor es la velocidad de conmutación, más pequeños son los componentes magnéticos. A mediados y finales de la década de 1980, los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts y otros lugares estaban experimentando con el concepto de convertidores de conmutación de 1 MHz, amplificadores. y reguladores. En los últimos cinco años, esta tecnología ha superado incluso esas expectativas. Sin embargo, el progreso es mínimo si los elementos de conmutación tienen pérdidas tales que cualquier mejora en el tamaño de los componentes queda anulada por la necesidad de enfriar los elementos de conmutación debido a su ineficiencia. Una vez más, las tecnologías han mejorado drásticamente incluso en los últimos 10 años. En combinación con los nuevos circuitos integrados del controlador de la fuente de alimentación, el escenario está listo para sintetizar fuentes de alimentación eficientes, de alta potencia e incluso silenciosas que hacen el trabajo de sus antiguas contrapartes tradicionales.

Sin embargo, hasta ahora, esta evolución tecnológica nos brinda solo energía sin procesar cuasi-regulada. Todavía hay desafíos de diseño, incluyendo la capacidad de programar a 0 V, detectar corrientes de microamperios a amperios, proporcionar una respuesta rápida a la carga y las entradas programadas, etc. La mejor manera de resolver estos problemas (y proporcionar un rendimiento de ruido excepcional) es con circuitos lineales tradicionales. Entonces, la mejor solución es una combinación de tecnologías lineales y de conmutación.

Además, los amplificadores de clase D comerciales también son una opción para diseños de fuentes de alimentación de alto rendimiento. Desafortunadamente, los ingenieros de NI determinaron que si bien estos son dispositivos innovadores para aplicaciones de audio, como altavoces de conducción eficientes, tienen limitaciones donde se requieren salidas DC de precisión. A nuestro juicio, estas limitaciones superan las ganancias potenciales que podrían ofrecer.

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

El control de salida lineal de la PXI-4110 se muestra en la Figura 1. La tecnología principal en la etapa lineal es el amplificador operacional de potencia Linear Technologies LT1970 con límite ajustable de corriente de precisión. El LT1970 tiene varias ventajas para una implementación de fuente de alimentación PXI, una de las cuales es su pequeño tamaño y el límite de corriente "sobre la marcha", que es específicamente útil para aplicaciones ATE. Tradicionalmente, esto se conocía como un "bloque de control de VI" porque permitía que la salida fuera controlada por voltaje constante o corriente constante, dependiendo de la configuración de entrada y la carga de salida; se implementó con amplificadores operacionales discretos, diodos y resistores. Este bloque de control de VI forma el corazón y el alma de las unidades de medida/fuente tradicionales (SMU). Por lo tanto, usar el bloque de control de VI LT1970 VI ayuda a dar a la PXI-4110 un comportamiento similar al de SMU.

Figura 1: El Linear Technology LT1970 es el corazón del bloque de control de voltaje/corriente de la PXI-4110.

Debido a que se requería más voltaje y corriente de salida de los que el LT1970 podía proporcionar, se diseñó un circuito de "traductor" analógico para manejar el rango de salida. Era 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 tener en cuenta varios detalles críticos:

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

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

El LT1970 actúa como un amplificador operacional para controlar los dispositivos de salida discreta proporcionando la traducción a los voltajes de salida requeridos. Al usar un elemento de salida MOSFET discreto para cada canal, la corriente de salida aumenta a más de 10 veces la capacidad del LT1970 a más del triple del cumplimiento de voltaje del LT1970. Del mismo modo, se utiliza una combinación de amplificador operacional/FET de alta velocidad como un traductor de detección de corriente para llevar el voltaje que aparece a través de las derivaciones de corriente de vuelta a los rieles LT1970. El resultado es un ciclo de control rápido que ofrece una excelente respuesta transitoria y estabilidad en una amplia variedad de cargas. Este traductor de detección de corriente también está optimizado para rango dinámico y ruido, por lo que es posible detectar voltajes de hasta 0 V y corrientes de hasta niveles de submicroamperios.

En el canal 0 no aislado, el convertidor de conmutación es un convertidor boost-buck Linear Technology LT1773 que proporciona regulación dinámica de su salida. La salida de control del canal 0 se retroalimenta al LT1773 a través del acondicionamiento de señales, lo que da como resultado que la salida del LT1773 "flote" sobre la salida del canal 0 en unas pocas décimas de un voltio. El resultado es un diseño de conmutación extremadamente eficiente en energía con todas las ventajas de un regulador lineal.

Combinar directamente el regulador de seguimiento 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 sencillo que funciona a aproximadamente 200 kHz. La unidad de entrada al convertidor se sintetiza mediante un FPGA que puede variar el ciclo de trabajo de la señal de unidad aplicada a los MOSFET de conmutación. El FPGA ofrece la ventaja de un arranque y aceleración inteligentes, que "suavizan" las corrientes transitorias extraídas del plano trasero PXI, lo que permite que la PXI-4110 opere dentro de la especificación PXI.

Aunque con los canales aislados no hay una ruta de retroalimentación analógica directa al control del regulador de conmutación debido al aislamiento galvánico (ver Figura 3), ya existía un convertidor analógico a digital (ADC) aislado y una ruta de datos para estos canales para proporcionar corriente y lectura de voltaje. Este ADC está monitoreando el voltaje y la corriente de salida en todo momento; por lo que si se puede cambiar para "mirar" el riel de entrada sin procesar que también suministra al amplificador de salida lineal, es posible usar esta señal como retroalimentación aislada. El FPGA se puede usar para modular el ciclo de trabajo del drive FET a los convertidores DC-DC, proporcionando de manera efectiva un algoritmo PID de software-in-the-loop controlado digitalmente para administrar la entrada pre-regulada a la etapa lineal. Todo esto se puede hacer utilizando componentes que ya se necesitaban en el diseño por otras razones. El resultado es un diseño flexible y rentable en un módulo PXI 3U que se puede escalar conforme surgen otros requisitos de fuente de alimentación.

Figura 3: Los canales no aislados en la PXI-4110 utilizan convertidores analógicos a digitales para controlar los elementos de pre-regulación de conmutación a través de la misma ruta de datos que la lectura de medidas de corriente/voltaje.

Hay varias ventajas al usar este ciclo de control configurable por software. Primero, es posible anticipar dónde debe estar el pre-regulador antes de que el amplificador de salida intente llegar allí. La Figura 4 muestra la importancia de implementar esto correctamente. En segundo lugar, la respuesta se puede adaptar para optimizar la eficiencia del sistema. Finalmente, podemos ajustar el algoritmo de control para optimizar el rendimiento dependiendo de si la alimentación de entrada proviene del plano trasero PXI o de una fuente externa. Es importante que la potencia que se extrae del plano trasero PXI se administre cuidadosamente para cumplir con las especificaciones de energía PXI para el producto en general.

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

Los ingenieros de NI descubrieron que regular el voltaje por sí solo no era suficiente. Determinaron que la respuesta óptima se obtuvo regulando la potencia que se disipa en el regulador lineal. La razón de esto se muestra en la Figura 5. Cuando están ligeramente cargados y funcionan con ciclos de trabajo bajos, los convertidores DC-DC tienden a comportarse más como fuentes de corriente que como fuentes de voltaje. Cuando se aplica una carga repentina a la salida de una fuente de corriente, la salida cae rápidamente. Por lo tanto, se requiere más margen de voltaje para dar tiempo al PID para responder. Esto se soluciona utilizando la regulación de potencia, que ajusta automáticamente el margen de voltaje de salida para que sea mucho mayor en condiciones de carga ligera.

Figura 5: La potencia se regula en la PXI-4110 (a diferencia del voltaje) para compensar los cambios bruscos en la carga. Se mantiene un margen suficiente en todo momento para evitar "choques" entre el riel del pre-regulador y el voltaje de salida.

Otro ejemplo de esta flexibilidad es optimizar la potencia extraída de la fuente de alimentación de entrada, en este caso el plano trasero PXI. Debido a que la potencia disponible de un chasis PXI es limitada, es necesario proporcionar una fuente de alimentación auxiliar para aplicaciones superiores a 9 W. Sin embargo, existen muchas aplicaciones para niveles de potencia inferiores a 9 W y, en esas situaciones, no se debería exigir al cliente que complemente el plano trasero PXI. Con este enfoque, se utilizan diferentes puntos de ajuste PID (residentes en el FPGA) para alimentar desde el plano trasero PXI versus una fuente auxiliar. Si se necesita más potencia de la que está disponible desde el plano trasero PXI, los puntos de ajuste del PID se cambian para proporcionar un intercambio más óptimo entre la eficiencia y la respuesta escalonada.

El diseño de la PXI-4110 hizo un uso extensivo del lenguaje de programación gráfica LabVIEW para simular el PID del software y luego traducir el código a VHDL para ejecutarse en el FPGA. Esto le dio a los ingenieros una gran flexibilidad para probar una variedad de ideas rápidamente, ya que se identificaron varios casos de uso y condiciones de carga de salida. Por ejemplo, para garantizar que la salida pre-regulada pudiera responder a una solicitud de cambio de paso de entrada, el PID se configuró de manera predeterminada en un ciclo de trabajo que puede acomodar la carga de salida completa de 1 A para un número preestablecido de ciclos de reloj. Por lo tanto, si la combinación del estado de salida solicitado y la carga de salida demandan corriente completa, la etapa de salida lineal siempre tendrá suficiente margen para acomodarla. El diagrama de bloques de control y sus excepciones habrían sido difíciles de sintetizar sin el uso de LabVIEW como simulador y "sandbox".

Una de las solicitudes más convincentes de los clientes para los proveedores de fuentes de alimentación ha sido la sensibilidad de las medidas de corriente en el rango de submicroamperios. Tradicionalmente, las fuentes de alimentación no miden mucho por debajo de unos pocos mA. Para realizar estas tareas, los clientes se han visto obligados a utilizar SMUs u otros productos de medidas que podrían costar entre 2 y 3 veces el costo de una fuente de alimentación. Con eso viene el desafío de integrar productos de precisión adicionales en el sistema, posiblemente con conmutación y otros componentes, lo que aumenta aún más el costo del sistema. Los ingenieros de NI optaron por proporcionar una sensibilidad de nivel de submicroamperios a la PXI-4110 para abordar estas necesidades mediante la adición del rango de 20 mA. Esto proporciona resolución de salida y sensibilidad de lectura de medidas de 100 a 1000 veces mejor que las fuentes de alimentación tradicionales. Esto reduce sustancialmente los costos del sistema, el tiempo para las primeras medidas y el espacio de laboratorio requerido. Las aplicaciones para medidas de corriente sensibles incluyen caracterización de dispositivos semiconductores, trazado de curva IV y pruebas de corriente de fuga en sistemas que funcionan con baterías.

La fase de investigación de mercado de la PXI-4110 reveló que un buen número de aplicaciones requerían solo unos pocos vatios de potencia de salida, un nivel que se suministra fácilmente directamente desde el plano trasero PXI. Los clientes se mostraban reacios a suministrar una fuente de alimentación externa para estas aplicaciones. Por otro lado, la potencia disponible en una sola ranura PXI no es suficiente para aplicaciones que requieren más de 10 W. Por lo tanto, se decidió hacer que la PXI-4110 sea capaz de ambas. La fuente de alimentación auxiliar NI APS-4100 fue desarrollada como un accesorio para la PXI-4110 para adaptarse a aplicaciones de mayor potencia.

Los primeros experimentos mostraron que soportar dos fuentes de alimentación para este dispositivo no sería una tarea trivial. Por ejemplo, si la energía se extrajera de la fuente de alimentación externa y esta energía desapareciera repentinamente, la sobretensión resultante del plano trasero PXI excedería las especificaciones PXI (e incluso dispararía los fusibles de protección). Se necesitaba hardware y software de control apropiados para "bloquear" las condiciones que podrían causar que se extraiga o aplique una potencia excesiva al plano trasero PXI. La Figura 7 ilustra el concepto.

Figura 7. La alimentación de entrada para la PXI-4110 proviene del plano trasero PXI o de una fuente externa de 11-15.5 V.

En los sistemas ATE y los entornos de laboratorio (incluyendo los 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 conectarse inadvertidamente a lugares incorrectos. En el laboratorio, los nodos a menudo sufren cortocircuitos accidentales o se conectan incorrectamente. Por lo tanto, la PXI-4110 fue diseñado para adaptarse a una gran variedad de condiciones de sobrecarga. El siguiente es un resumen de los elementos clave de protección en la PXI-4110:

• Protección de salida de canal: cada canal está, por supuesto, limitado de corriente y voltaje de manera programática. Además, cada salida está protegida contra una aplicación de voltaje de polaridad inversa. Un fusible de salida proporciona protección adicional para evitar fallas catastróficas como última línea de defensa. Hay un fusible de repuesto disponible en la tarjeta para minimizar el tiempo de inactividad si es necesario.

• Protección de entrada de alimentación auxiliar: una entrada de alimentación auxiliar permite que los canales 1 y 2 (+20 y -20 V) suministren hasta 20 W cada uno. Debido a que la PXI-4110 permite el uso de un dispositivo de alimentación externo, se deben tomar las medidas adecuadas para proteger el módulo.

• Protección contra sobrecalentamiento: la PXI-4110 está diseñada de manera conservadora y funciona internamente con un aumento de temperatura nominal debido al control PID inteligente de los dispositivos de salida. Sin embargo, si ocurre una falla, como un filtro del ventilador del chasis excesivamente sucio, entrada bloqueada o falla del ventilador del chasis, los canales de salida se apagan y se emite una advertencia. Una condición de sobrecalentamiento requiere la intervención del software del usuario para restablecerse, evitando así que el módulo se exponga a temperaturas excesivas en caso de que se desarrolle una falla del sistema.
  

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

El hecho de que la PXI-4110 está desarrollada en base al bus PXI ayuda significativamente a optimizar las velocidades de programación y medidas. Las velocidades del bus PXI de 132 MB/s facilitan enormemente el envío de parámetros del programa y la recuperación de datos. Con tres canales que requieren programación de voltaje/corriente y parámetros de medidas además de información del estado (límite de cumplimiento, advertencias, errores, temperatura, etc.), la cantidad de datos que deben moverse en ambas direcciones puede desafiar las soluciones de bus tradicionales. PXI puede mover estos datos en marcos de tiempo de microsegundos en comparación con varios milisegundos o decenas de milisegundos requeridos con las arquitecturas de bus de instrumentos tradicionales (GPIB o RS232). Por lo tanto, los gastos generales de software y ruta de datos son prácticamente insignificantes para la PXI-4110.

La arquitectura de medidas de la PXI-4110 también se destaca por su ventaja de velocidad sobre los enfoques de medidas tradicionales. Las arquitecturas de ADC de integración se utilizan tradicionalmente en medidas de fuente de alimentación. Estos ADCs tienen ventajas para el ruido, pero no le brindan al usuario mucha flexibilidad para optimizar la velocidad, especialmente en dispositivos dinámicos de estímulo-respuesta, como fuentes de alimentación de precisión o SMUs. Con las fuentes de alimentación multicanal, el ADC más lento crea una sobrecarga significativa para adquirir los múltiples parámetros necesarios para representar el estado de la salida.

La Figura 8 muestra la arquitectura utilizada en la PXI-4110. Se basa en motores de medidas similares utilizados en los sistemas de adquisición de datos de alta velocidad de National Instruments. Los ADCs son convertidores de alto ancho de banda de 200 kS/s, 16 bits, uno para el canal no aislado y otro para los dos canales aislados. Como se mencionó anteriormente, los ADC se utilizan tanto para la lectura de medidas como para el control PID. La velocidad neta del ciclo de la medida está en el rango de 3 kS/s. En otras palabras, cada 300 µs, el motor de medidas devuelve seis medidas: salida de voltaje y corriente para cada uno de los tres canales (así como los datos del ciclo PID). Esto es lo suficientemente rápido como para ver el tiempo de establecimiento de todos los canales simultáneamente (tiempos de incremento en el rango de milisegundos) y es más rápido de lo requerido para cualquier forma de onda de paso de estímulo-respuesta requerida por el usuario.

Figura 8: La arquitectura de medidas de la PXI-4110 permite una lectura rápida de voltaje/corriente en cada canal antes de transmitir los datos al usuario a través del plano trasero PXI.

El rendimiento óptimo del ruido de la medida se logra promediando múltiples medidas. El valor predeterminado es un promedio de 10, pero el usuario puede seleccionar y modificar ese valor predeterminado según sea necesario para la aplicación. Los datos aislados se mueven rápidamente a través de una ruta de datos seriales de 10 Mb/s utilizando aisladores digitales de alta velocidad basados en MEMS.

Con la reducción del espacio disponible y la gran importancia del rendimiento en el moderno sistema de pruebas automatizadas, se requiere un diseño innovador de fuente de alimentación para mantener el ritmo. La fuente de alimentación DC programable de triple salida PXI-4110 utiliza los mejores elementos de los diseños de fuente de alimentación de conmutación y lineal para ofrecer una fuente compacta y de alta resolución que cabe en un módulo PXI 3U de una sola ranura. Cuando este producto se utiliza en combinación con otros instrumentos modulares de clase mundial disponibles como módulos PXI, mejora aún más la capacidad del usuario para desarrollar sistemas de pruebas flexibles y eficientes para enfrentar cualquier desafío en cualquier industria.

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