Applicare la programmabilità degli alimentatori da banco, la connessione in rete e le funzionalità di telerilevamento

Gli alimentatori sono disponibili in una gamma estremamente ampia di valori nominali, dimensioni fisiche e fattori di forma. Anche se si è soliti ottimizzarli per dimensioni, efficienza e costi, specialmente in applicazioni come i dispositivi indossabili con limitazioni di potenza, in altre applicazioni i parametri di un'unità di alimentazione (PSU) devono essere regolati una volta che l'unità è stata installata e utilizzata. Questo è vale particolarmente per gli alimentatori destinati ad applicazioni e ambienti di prova da banco o automatizzati.

Ciò ha dato origine ad alimentatori che forniscono vari gradi di flessibilità sul campo, dagli aggiornamenti firmware via etere per l'ottimizzazione dell'efficienza, al monitoraggio e controllo remoto sempre attivo per garantire precisione, scalabilità, ridondanza ed efficace bilanciamento del carico degli array di alimentatori. Le caratteristiche di programmabilità possono accelerare la progettazione e la valutazione del prodotto, migliorare la funzionalità del sistema e fornire la flessibilità necessaria. Tuttavia, tra le sempre più numerose opzioni programmabili disponibili, ne spiccano alcune in particolare.

Questo articolo esamina i ruoli, le funzioni e le caratteristiche degli alimentatori avanzati di ultima generazione, che sono molto di più di semplici alimentatori autonomi e standalone, precisi e reattivi nei loro stessi involucri. Si concentra poi sulle caratteristiche e le capacità, e i successivi vantaggi delle PSU di ultima generazione, completamente connesse in rete, altamente programmabili con esempi di XP Power.

Le PSU rispetto agli alimentatori a telaio aperto

In molti progetti l'alimentazione c.a./c.c. è realizzata o compressa sulla scheda CS principale o su una scheda separata che viene "nascosta" in un angolo. In altri prodotti, invece, è necessario un alimentatore distinto, indipendente e separato. Questi alimentatori - a volte chiamati "chassis" o "telaio aperto" - sono autonomi e soddisfano i necessari requisiti di confezionamento, prestazioni e normative. Molti sono offerti da più fornitori come fonti secondarie o alternative per quanto riguarda i criteri F3 (form, fit, function).

Questi alimentatori, caratterizzati da unità come UCH600PS36 di XP Power, un alimentatore a telaio aperto da 36 V, 4,16 A, 600 W, non hanno un'interfaccia utente in quanto non è necessaria (Figura 1). Al contrario, sono incorporati nel prodotto finale senza alcuna disposizione per le regolazioni da parte dell'utente una volta messi in campo. Hanno connessioni di ingresso/uscita minime: ingresso c.a., uscita c.c. e forse cavi di telerilevamento.

Figura 1: Un alimentatore a telaio aperto come UCH600PS36 è destinato ad essere incorporato nel prodotto finale senza necessità di accesso da parte dell'utente finale o di regolazione dei vari parametri di prestazione. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Al contrario, i progetti necessitano di un alimentatore con un'interfaccia flessibile e facile da usare, implementata attraverso una combinazione di interruttori, manopole, tasti, contatori, indicatori e persino un display alfanumerico. Questi alimentatori completamente regolabili sono progettati per agevolare la regolazione dei parametri, tra cui la tensione di uscita, la corrente massima e la limitazione di tensione/corrente. Soddisfano le esigenze del team ingegneristico durante le fasi di progettazione, valutazione dei prototipi e debug e sono generalmente denominati "da banco" o "da laboratorio". Possono anche essere montati su rack in una disposizione fissa e semi-permanente per comodità e pulizia come parte di un'apparecchiatura di test automatico (ATE) o di un'altra installazione a lungo termine (Figura 2).

Figura 2: Gli alimentatori "da banco" sono usati sul banco dell'ingegnere, ma spesso sono anche montati in un rack insieme ad altre unità di prova per fornire un allestimento completo e confezionato della strumentazione. (Immagine per gentile concessione di UKARANet, United Kingdom Amateur Radio Astronomy Network)

Le PSU di oggi devono soddisfare esigenze più sofisticate rispetto a pochi decenni fa, anche se la loro funzione di base è la stessa. Insieme alle letture di base della tensione e della corrente e alla regolazione manuale del valore della tensione di uscita, un alimentatore deve abilitare altre funzioni manualmente e offrire l'accesso remoto.

Gli alimentatori come la serie PLS600 di XP Power, comprendente alimentatori c.c. programmabili, lo fanno consentendo la regolazione dei parametri di funzionamento tramite comodi e ordinati controlli sul pannello anteriore e varie opzioni di connettività sul pannello posteriore, tra cui USB, Ethernet e interfacce analogiche (Figura 3). Inoltre, l'alimentatore deve monitorare la propria situazione e quella del carico e segnalarla direttamente e a distanza, sia su richiesta che in via eccezionale, per assicurare che l'unità stessa e il sistema siano sempre attendibili.

Figura 3: Il pannello frontale (in alto) delle unità serie PLS600 è funzionale e ordinato e supporta potenti funzioni di accesso e monitoraggio da parte dell'utente; il pannello posteriore (in basso) ha il cavo c.a. e i connettori per le interfacce USB, Ethernet e analogiche. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Le funzioni sul pannello frontale (mostrate da 1 a 7 in Figura 3) sono descritte nei dettagli nel manuale d'uso, ma sono in ordine crescente: accensione/spegnimento, corrente impostata, tensione impostata, uscita on/off, display e prese dei cavi di alimentazione.

La famiglia PLS600 è composta da cinque unità con uscita c.c. a partire da PLS6003033 a 30 V c.c. fino a PLS6004002.5 a 400 V, tutte con una potenza massima di 600 W.

La totale programmabilità comporta ulteriori vantaggi

Una cosa è affermare che una PSU è "programmabile", ma è importante chiarire che cosa significhi per una PSU moderna. In primo luogo, l'alimentatore deve avere una tensione di uscita impostabile dall'utente e non una tensione di uscita fissa; in molti casi, l'alimentatore può anche funzionare come sorgente di corrente impostabile dall'utente. Per comodità, i valori di questi parametri primari sono facilmente regolabili a seconda delle necessità dal pannello frontale. Insieme alla lettura digitale, i comandi rotanti sono ancora il modo più comodo per impostare, regolare o "mettere a punto" rapidamente le impostazioni dei valori desiderati.

Tra gli altri parametri impostabili dall'utente vi sono l'importante protezione da sovratensione (OVP), la protezione da sovracorrente (OCP) e persino i valori di protezione da sovratensione (OPP). Quest'ultimo è utile per applicazioni in cui ci si "preoccupa" non del limite di potenza di 600 W dell'alimentatore PLS600, ma della quantità massima di potenza (tensione × corrente) che il carico può prelevare dall'alimentatore per evitare qualsiasi danno.

Spesso, dopo aver effettuato varie regolazioni di tensione, corrente, potenza o altri valori, spinti dalla pressione di ridurre i tempi e dallo stress delle prove e del debug, gli utenti possono inavvertitamente trascurare di registrare i valori effettivamente impostati per questi fattori. Per questo ed altri motivi, gli alimentatori PLS600 consentono la rapida visualizzazione dei valori dei parametri. Inoltre, sono tutti memorizzati internamente in modo da non dover essere reinseriti all'accensione.

Tale programmabilità di base è solo il primo aspetto di una PSU veramente versatile. Per molte situazioni di test e valutazione, è necessario che l'alimentatore esegua uno "script" in tempo reale predefinito, indipendente da una connessione di rete. Per questo, la serie PLS600 fornisce una sofisticata capacità di scripting integrato che permette agli utenti di scrivere programmi personalizzati per la generazione di profili di uscita definiti dall'utente volti a soddisfare un'ampia varietà di requisiti unici e di caricarli sull'alimentatore per eseguirli a comando.

Questo permette agli alimentatori di svolgere un ruolo avanzato nel sistema più grande e quindi di essere un elemento efficace in una sequenza di prestazioni del prodotto o in un test avanzato del ciclo di vita come una prova accelerata di durevolezza (HALT), ed eventualmente di aiuto nella ricerca di minime anomalie relative alle caratteristiche del sottosistema di potenza del prodotto finale.

Connettività e controllo da semplice alla collegato in rete

Anche se un alimentatore da banco dovrebbe avere un pannello frontale, comandi pratici e intuitivi per un accesso di base e immediato, è inadeguato per l'alimentazione efficiente a livello di sistema. Oltre ai comodi comandi rotanti per la regolazione della tensione e della corrente, la serie PLS600 supporta anche il controllo remoto tramite ingressi di controllo USB, Ethernet e analogici.

Il controllo analogico può sembrare un anacronismo, ma permette di impostare direttamente e facilmente uno scenario di controllo remoto di base e può essere necessario in alcune situazioni legacy. Si noti che gli strumenti da banco tendono ad avere una lunga durata e ci sono ancora unità IEEE-488 General Purpose Interface Bus (GPIB) in uso. Il controllo analogico è comodo anche quando l'alimentatore viene utilizzato in un sistema di retroazione ad anello chiuso, dove la tensione di alimentazione deve essere regolata in tempo reale sulla base di una tensione rilevata o derivata.

Oltre al controllo analogico di base, tutti gli alimentatori PLS600 sono certificati LAN eXtensions for Instrumentation (LXI), quindi soddisfano gli standard di interoperabilità per gli strumenti basati su LAN. I driver LabVIEW e Interchangeable Virtual Instrument (IVI) standard sono disponibili per l'uso con tutto il software standard. Le unità supportano Standard Commands for Programmable Instruments (SCPI) e software basato su SCPI sviluppato dall'utente. Gli ingressi USB ed Ethernet sono conformi a SCPI e hanno driver LabVIEW disponibili sul sito web di National Instruments. Per l'attendibilità nell'impostazione e nella lettura a ritroso dei valori, gli alimentatori includono convertitori digitale/analogico e analogico/digitale a 12 bit incorporati per una misurazione accurata e la segnalazione di tensione e corrente.

La combinazione di una configurazione in rete e remota con la possibilità di modificare manualmente i valori o di farlo sotto controllo del programma e anche di riportare lo stato dell'alimentazione e le condizioni di allarme non è solo una comodità. Riduce la necessità di sorvegliare l'unità in prova e di cercare e correlare le anomalie man mano che si verificano. L'utilizzo in combinazione con strumenti come un registratore di dati o un oscilloscopio digitale con memoria profonda e trigger adeguati facilita l'esecuzione di test a lungo termine e quindi il download dei risultati per l'analisi più completa.

Telerilevamento e calibrazione

Tutti i conduttori di corrente e i rail di fornitura dell'energia elettrica sono soggetti a cadute di tensione (V) di resistenza in corrente (IR). Un calcolo di base con la legge di Ohm (V = IR) mostra l'entità del problema. Di conseguenza, la tensione erogata al carico può facilmente essere pari a qualche millivolt al di sotto del suo valore nominale all'alimentazione, ma anche discostarsi di decine o addirittura centinaia di millivolt.

Un modo per affrontare questa caduta è quello di compensare aumentando la tensione nominale all'alimentatore di una quantità pari alla caduta, ma questa è considerata una cattiva pratica perché la caduta di IR è una funzione della corrente assorbita e quindi fluttuerà. Di conseguenza, la tensione al carico può essere in realtà troppo alta nei momenti in cui la corrente e la conseguente caduta di IR sono basse.

Per questo motivo, la tipica soluzione consiste nell'uso del telerilevamento tramite due cavi aggiuntivi in una disposizione di rilevamento Kelvin. In questa configurazione, la tensione effettiva al carico viene rilevata e ricondotta all'alimentatore per regolare dinamicamente l'uscita in modo che la tensione al carico abbia sempre il valore desiderato. Questa soluzione diffusa è accettata come prassi standard e di solito funziona bene, ma presenta alcuni inconvenienti.

In primo luogo, c'è la necessità di questi due conduttori in più, che sembra una cosa banale ma che aumenta il disordine. In secondo luogo, non è sempre facile aggiungere due contatti a bassa resistenza al carico, specialmente quando i contatti del carico non sono stati progettati per accettarli. Chiunque abbia provato a collegare conduttori da 24 AWG a terminali a vite o di altro tipo progettati per un rail di alimentazione a 14/12/10 AWG sa di questa difficoltà in prima persona.

Infine, questi due conduttori possono sembrare solo fili passivi, ma non lo sono. Elettricamente, formano un anello di retroazione per un amplificatore che, si dà il caso, è un alimentatore. Ogni volta che è presente un tale anello di retroazione, sussiste la possibilità di rumore o addirittura di un'oscillazione dovuta all'anello non vincolato e solitamente poco definito. Quindi, mentre il telerilevamento può risolvere il problema della caduta di IR, può anche causare un problema più insidioso di oscillazione dell'uscita di alimentazione. Può essere necessario un filtraggio aggiuntivo, ma tale filtraggio può anche modificare e degradare la risposta dinamica ai transitori dell'alimentatore.

Telerilevamento - conduttori inducenti senza caduta IR

Per evitare i problemi meccanici, elettrici e persino estetici associati al telerilevamento, la serie PLS600 offre un approccio alternativo che utilizza una tecnologia proprietaria per compensare digitalmente queste resistenze senza la necessità di fili aggiuntivi. In breve, l'utente invoca la modalità di telerilevamento dal pannello frontale, cortocircuita i fili del carico al carico e imposta la corrente dell'alimentatore almeno a quanto si prevede che assorbirà il carico (Figura 4).

Figura 4: Le PSU PLS600 di XP Power supportano uno schema unico per la precompensazione della caduta IR, eliminando la necessità di ulteriori cavi di telerilevamento. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

La PSU misura la corrente di uscita e la caduta di tensione totale dei fili di carico, quindi calcola la resistenza dei fili di carico. Può quindi regolare la tensione di uscita ai suoi terminali di potenza in tempo reale per correggere la caduta sui cavi di carico. Di conseguenza, non c'è bisogno di cavi di rilevamento separati nell'installazione vera e propria.

Le PSU avanzate offrono anche flessibilità di calibrazione

Anche se le PSU come quelle della serie PLS600 non necessitano normalmente di calibrazione, in alcune circostanze le prestazioni della tensione di uscita dell'unità devono essere verificate e regolate. Per calibrare la tensione e la corrente in uscita e la tensione e corrente visualizzate, la serie PLS600 richiede un voltmetro calibrato e uno shunt di corrente calibrato.

La PSU è impostata in modalità di calibrazione e la sua uscita viene lasciata aperta con il solo voltmetro collegato. In sostanza, il valore visualizzato della PSU e il valore del voltmetro vengono accordati e premendo il pulsante sul pannello dell'alimentatore si registrano i valori. Successivamente, lo shunt di corrente viene collegato all'uscita e il voltmetro allo shunt. L'uscita dell'alimentatore viene quindi regolata fino a quando il voltmetro esterno legge esattamente la corrente visualizzata sul display dell'alimentatore (Figura 5). Si noti che la tensione visualizzata sullo strumento dipenderà dal valore dello shunt di corrente utilizzato, sempre secondo la legge di Ohm.

Figura 5: Un semplice processo in due fasi utilizzato per calibrare le di XP Power: una misurazione della tensione di uscita a circuito aperto seguita da una misurazione della tensione attraverso uno shunt di carico calibrato. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Come ottenere più tensione o corrente

Sebbene le PSU serie PLS600 siano offerte in combinazioni di tensione e corrente nominale, vi saranno indubbiamente circostanze in cui saranno necessari più di uno o entrambi i parametri. La soluzione ovvia è un alimentatore più grande, a discapito del costo aggiuntivo. Questo può essere difficile da giustificare in quanto può essere necessario solo per un breve periodo di tempo. Un'alternativa è quella di considerare di mettere due o più PSU PLS600 in serie per una maggiore tensione o in parallelo per una maggiore corrente.

Tuttavia, l'aumento di tensione o di corrente non è solo una questione di collegare due alimentazioni in serie o in parallelo. Quando sono combinati in questo modo, è probabile che succeda una di tre cose:

1. La configurazione non fornirà l'uscita necessaria, è impossibile da controllare e gli alimentatori rischiano di danneggiarsi
2. La configurazione funziona in un certo senso, ma non con le prestazioni, l'accuratezza, la coerenza o la fiducia necessarie
3. Tutto va bene grazie alla Dea fortuna - che però non è una buona tattica ingegneristica - oppure in virtù di una progettazione consapevole

I risultati n. 1 e n. 2 sono indesiderati e inaccettabili, anche se ci sono modi per ovviare in certa misura alle loro carenze, con alcuni componenti esterni accuratamente selezionati e classificati, come i resistori di condivisione della corrente o i diodi di isolamento (Figura 6). Uno schema simile viene utilizzato per l'accoppiamento di tensione. Anche se funziona, le prestazioni complessive sono limitate dalle specifiche del minore dei due alimentatori e dagli squilibri tra i componenti aggiunti e degradati anche da questi ultimi.

Figura 6: Componenti esterni come resistori di condivisione della corrente (sinistra) o diodi di isolamento (destra) possono essere usati per mettere in parallelo due PSU per una capacità di corrente aggiuntiva, ma le prestazioni risultano degradate. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Di conseguenza, l'idea generale è che l'utilizzo di un singolo alimentatore classificato per l'applicazione causa molti meno problemi di due o più alimentatori in parallelo o in serie. Tuttavia, il risultato auspicabile n. 3 si verificherà se gli alimentatori sono progettati specificamente per il funzionamento in serie o in parallelo, come gli alimentatori della famiglia PLS600.

Per posizionare gli alimentatori PLS600 in parallelo o in serie, uno deve essere il master e gli altri alimentatori devono essere gli slave. Si possono collegare in serie fino a due alimentatori (che devono essere identici) per il boost di tensione, mentre si possono collegare in parallelo fino a quattro unità identiche per il boost di corrente. L'impostazione e la designazione delle unità master e slave avviene tramite il pannello frontale e vigono alcuni limiti massimi, per motivi di sicurezza e di prestazioni.

Rack e impilamento per comodità, disciplina, efficienza

L'aspetto visivo dei banchi da lavoro degli ingegneri varia da molto ordinato a incredibilmente disordinato. La realtà è che molti banchi iniziano ordinati, ma spesso il disordine si "accumula"; alimentatori e cavi contribuiscono a tale disordine. In altri casi, l'alimentatore fa parte di un gruppo di strumentazione montato su rack per uno dei vari motivi:

• Fa parte di un ATE indipendente o di un progetto di valutazione a lungo termine
• Per garantire l'integrità del sistema e migliorare l'affidabilità, assicurandosi che tutto abbia la giusta collocazione e che tutti i cavi siano completamente inguainati e abbiano i pressacavi corretti
• Necessità di trasporto ed eventuale reinstallazione

Per questi motivi, XP Power offre il kit di montaggio in rack PLS600 per gli alimentatori PLS600 (Figura 7).

Figura 7: Il kit di montaggio in rack PLS600 di XP Power facilita l'installazione di una singola unità PLS600 o di una coppia di unità affiancate in un rack per apparecchiature a telaio standard. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Poiché tutti i membri della serie PLS600 hanno un involucro delle stesse dimensioni, il kit vale per tutti. L'installazione di un alimentatore con questo kit è semplice e veloce e il kit consente di montare due alimentatori affiancati.

Conclusione

Gli alimentatori da banco sono molto diversi per forma e funzione dalle unità embedded che prevedono pochi o nessun controllo o regolazione da parte dell'utente. Le PSU da banco o da "laboratorio" sono strumenti essenziali per lo sviluppo di prototipi, il debug e i test, così come per banchi di prova fissi. Una PSU da laboratorio ben progettata e ricca di funzioni, come la serie PLS600 di XP Power, offre sia prestazioni superiori sia le capacità e funzioni aggiuntive necessarie per un uso efficiente e flessibile, dal comodo controllo mediante il pannello frontale all'accesso in rete e alla programmabilità basata su script.

Riferimenti

1. Alimentatori c.a./c.c. serie PLS600 di XP Power
2. Manuali dell'utente degli alimentatori c.c. programmabili serie PLS600 di XP Power
3. Manuale di programmazione degli alimentatori c.c. programmabile serie PLS600 di XP Power