Kopioi artikkelin PDF-versio
Teholähteiden markkinat maailmassa ovat kasvaneet tasaisesti yhdentoista prosentin vuosivauhdilla satojen miljardien liiketoiminnaksi. Teholähteitä suunnittelevien ja valmistavien yritysten ongelmat ovat samat maailman laajuisesti. Innostuneista ja osaavista insinööreistä on suuri pula. Samalla kuitenkin teholähteen suunnittelusta on tulossa huipputekniikkaa, joka tarjoaa suunnittelijalle paljon haasteita.
Nykyajan teholähdesuunnittelu vaatii laaja-alaista, poikkitieteellistä osaamista. Modernit teholähteet pitävät sisällään digitaalista signaalinkäsittelyä, mikro-ohjaimia, ASIC-piirejä ja ohjelmistoja, joita höystetään muutamalla ferriitillä, FETillä ja kondensaattorilla. Kaukana ovat ajat, jolloin teholähde rakennettiin purkittamalla kilokaupalla muuntajia parilla seleenitasasuuntaajalla höystettynä.
Lähestymistapa uusiksi
Tulevaisuuden teholähdeliiketoiminta edellyttää kykyä tuottaa maailman laajuisesti suuria sarjoja kilpailukykyisillä kustannuksilla laadusta tinkimättä. Liiketoimintamahdollisuuksien realisointi vaatii innostuneita ja osaavia insinöörejä toteuttamaan tarvittavat tuotteet, mutta heistä on pulaa niin kotimaassa kuin ulkomaillakin. Alueessa on selvästi potentiaalia, mutta ei selvästikään kiinnostavuutta.
Nopea tuotekehitys, kerralla valmiiksi periaate, erilliskomponenttien määrän minimointi, häiriöiden eliminointi ja ideoiden salaus ovat osa sitä taktiikkaa peräänantamattomuuden ja sitkeyden ohella, jolla menestystä alueella tulee. Osaavien insinöörien lisäksi tarvitaan tahto olla maailman paras, kyky globaaliin ajatteluun ja toimintaan.
Tähän astiset lähestymistavat ovat useimmiten keskittyneet teholähteen erillisten osien tai osa-alueiden teknologian kehittämiseen, mutta mitä ilmeisemmin tällä toimintatavalla on omat rajansa. Tulevaisuuden lähestymistapa tulee korostamaan teholähteen perustoimintojen tai -prosessien kokonaisvaltaista hallintaa ja optimointia. Siinä realisoituu rakenteiden, komponenttien, muuntajien, suotimien, ohjaimien ja muiden vastaavien integroituminen yhdeksi kokonaisuudeksi ilman selvästi havaittavia rajapintoja.
ASIC-teknologia kiinnostaa
ASIC-piirien käyttö mahdollistaa entistä tiheäämän integroinnin myös teholähdesuunnittelussa. Tämä on huomattu maailmalla ja siellä investoidaan voimakkaasti tutkimukseen. Se näkyy muun muassa teholähdeohjaimia perinteellisesti kehittävien yhtiöiden, kuten Unitroden, omistuspohjan muutoksina. Teholähdetekniikan suuresta globaalista markkinapotentiaalista halutaan mahdollisimman suuri siivu.
Moottorikäyttöjen ohjaukseen on ollut tarjolla jo pitkään ASIC-ratkaisuihin perustuvia ohjaimia. Ne sisältävät prosessoriteknologiaa muisteineen ja kommunikointiliitäntöineen sovellettuna moottorikäyttöjen tarpeisiin. Teholähdekäyttöihin nämä piirit ovat toistaiseksi olleet liian kalliita ja niistä on puuttunut teholähteiden ohjauksessa tarvittavat ollennaiset asiat.
ASIC-teknologian ongelmana on sen suunnittelu- ja toteuttamiskustannukset, mikä edellyttää riittävän suurta käyttövoluumia. Se miten järkevä valinta ASIC-piiri on, riippuu yritysmaailmassa täysin siitä, onko sen käyttö taloudellisesti kannattavaa kyseisessä tapauksessa vai ei. Pelkästään teknisten ominaisuuksien puolesta ASIC sen sijaan olisi mitä järkevin valinta. Mutta järkevässä liiketoiminnassa taloudellisuus on tärkein kriteeri.
Teholähteen ohjaustapoja
Teholähdetekniikassa tyypilliset kytkentätaajuudet ovat välillä 50-500 kilohertsin. Yksi yleisimmistä ohjausmetodeista perustuu teholähteen kuristimen virran hetkellisarvon käyttöön. Se tapahtuu joko ohjaamalla pelkästään huippuvirtaa (peak-current-mode) tai sekä huippu- että laaksovirtaa (hysteretic mode). Joissakin tapauksissa saattaa olla edullista, että ohjaustapa voidaan muuttaa kohdistumaan suoraan esimerkiksi kytkinten päälläoloaikaan (direct-duty-cycle mode).
Ohjaustavan valinnalla voidaan vaikuttaa muun muassa teholähteen dynaamiseen käyttäytymiseen ja stabiiliuteen muuttuvissa toimintaolosuhteissa. Kytkentätaajuutta muuttamalla voidaan vaikuttaa esimerkiksi laitteen häviöihin ja näin vähentää energian tuhlausta varsinkin tyhjäkäyntitilanteissa.
Monissa teholähderatkaisuissa eli topologioissa tarvitaan erilaisia viipeitä, joiden avulla taataan joko luotettava toiminta tai mahdollisimman optimaalinen tila hyötysuhteen ja häiriöiden suhteen. Tarvittavien viipeiden optimaalinen pituus riippuu muun muassa käytettävien komponenttien toleransseista ja laadusta. Komponenttien eräkohtaiset vaihtelut saattavat olla niin suuret, että käytännössä optimaalisuutta ei ole mahdollisuutta saavuttaa perinteisiä ratkaisuja käyttäen.
Suomessa tutkitaan ASIC-piirien käyttöä
Suomi mielletään maailmalla kehityksen edelläkävijänä varsinkin tietoliikennealueella. Vaikka teholähdetekniikka on ollut perinteisesti hitaammin kehittyvää, tilanne on alkanut viime vuosina muuttua ja kehitystyöhön on alettu panostaa nopeasti.
Kehitystä on vauhdittanut se tosiasia, että mikropiirien jännitteet ovat pienentyneet tasolle, jonka syöttämistä ei hallita enää perinteisin menetelmin. Toinen syy aluetta kohtaan tunnetun kiinnostuksen lisääntymiseen on erittäin kova kilpailu, joka pakottaa kehittämään kustannustehokkaita kokonaisratkaisuja.
Suomessa kehitysaskeleet ovat toistaiseksi olleet pienempiä kuin valtamarkkinoilla. Kehityksen esteenä ovat useimmiten mahdollisuuksista tietämättömät tai liian varovaiset ihmiset. Moniko teholähdetekniikassa työskentelevä tietää, että Suomessa on jo kauan tehty piille perustuvaa suunnittelua sovellutuskohtaisten mikropiirien (ASIC) yhteydessä?
Oulun yliopiston elektroniikan laboratorion sekä Tampereen teknillisen korkeakoulun elektroniikan ja tehoelektroniikan laitosten yhteistyönä on käynnistetty kesällä 1999 tutkimusprojekti, jossa ASIC-teknologiaa sovelletaan teholähdealueeseen. Projektin rahoittajina toimivat teholähdetekniikan alueessa toimivat johtavat suomalaiset yritykset ja Tekes.
Mukana olevien yritysten toimialat kattavat tietoliikenteen teholähteet, UPS-käytöt, hitsaus- ja valaistussovellukset sekä akkulaturit. ASIC-suunnittelua tekevä Fincitec Oy on toiminut projektissa asiantuntijana ja realiteettien lähettiläänä, jonka panos on ollut merkittävää projektin editysmiselle ja onnistumiselle.
Teholähdeohjaimen konsepti
Teholähteen ohjaus on mahdollista toteuttaa ASIC-teknologiaa käyttäen. Samalle piirille voidaan integroida useiden eri kytkentöjen tarvitsemia osia, jotka voidaan digitaalisesti valita käyttöön ja joiden käyttötapa, viipeet ja muut vastaavat ominaisuudet voidaan ohjelmoida tarpeen mukaan.
Oheisessa kuvassa on esitetty periaatteellisesti se järjestelmäpiiri (System-on-Chip), jota edellä mainitussa suomalaisten projektissa kehitetään. Samalla kun selvitettiin yritysten tarpeita, määritettiin hahmotetulle piirille alustavasti sovelluskohtaisten seikkojen asettamat vaatimukset. Projektin tarkoituksena on kehittää ratkaisut pulssinleveysmodulaatiossa (PWM, Pulse-Width-Modulation) tarvittaville erillisosille, joita ei ole mahdollista ostaa niin sanottuina valmiina IP-lohkoina (Intellectual Property).
Projektin kuluessa osoittautui, että huippu- ja laaksovirtaan perustuva ohjaustapa on laajalti käytössä. Sen toteuttaminen puhtaasti digitaalisesti on suorastaan mahdotonta suuren kytkentätaajuuden johdosta. Digitaalinen säätö sen sijaan avaa uusia mahdollisuuksia soveltaa esimerkiksi epälineaarisia, adaptiivisia ja muita vastaavia säätötapoja. Niiden avulla voidaan entistä paremmin taata laitteiden toiminnan käyttövarmuus ja dynaamiset ominaisuudet ja jopa optimoida toiminta olosuhteiden mukaisesti.
Lisäksi digitaalinen säätö antaa joustavuutta tuotannon ja lisäominaisuuksien kehittämiseen sekä parantaa kommunikointia ulkomaailmaan. Digitaalisuus ja ohjelmoitavuus tuovat myös uusia mahdollisuuksia vaikuttaa esimerkiksi EMI-häiriöihin (Electro-Magnetic Interference), tuotteen tuotantotestaukseen ja moniin muihin asioihin.
Simulointitaitoja tarvitaan
Käsite kerralla valmista (First Time Right) tarkoittaa, että teholähdesuunnittelu tulisi saada erilaisia simulointivälineitä apuna käyttäen täysin valmiiksi, samalla tavoin kuin esimerkiksi ASIC-suunnittelussa on ollut tapana jo pitkään. Lisäksi koko suunnitteluprosessi pitäisi pystyä tekemään täysin rinnakkaisena välttäen turhat iteraatiot ja viipeet. Prototyyppien tarkoitus on vain todeta, että asetetut vaatimukset täyttyvät.
Mitä teholähdeinsinööriltä sitten odotetaan? Teoreettinen osaaminen tulee yhä enevässä määrin tärkeäksi. Säätö- ja systeemiteoreettinen osaaminen ratkaisee tuotteiden laadun. Ongelmana näyttää olevan vastakkain asettelu käytännön ja teorian välillä. On kuitenkin syytä muistaa, että teoria on käytännön äiti. Insinöörien tehtävä on soveltaa teoriaa tuloksellisesti käytännön tarpeisiin. Teoriaa voidaan opettaa, mutta käytännön oppii vasta tekemällä.
Aiheesta enemmän:
J. D. van Dyk: Future Technology for Power Electronics, IEEE Workshop on Power and Industrial Electronics (NORPIE), 2000, ss. 16.
Ashok Bindra: Intelligent Power ICs Tout System-Level Integration, Electronic Design, Dec 17, 1999. www.elecdesign.com.
Ari Purssiainen: Digitaaliset ASIC-piirit eri teholähdesovelluksissa, Diplomityö, 2000, TTKK.
The present and future power supplies will benefit much from e.g. ASIC-technology capable to introduce new opportunities to implement, control and monitor power supplies such as manufacturing flexibility, reduction of component count, boosting of reliability, possibility to optimize performance to changing operating conditions, to have remote communication capability, etc.
All this has been studied in the 'Power supply modulator concept' project funded by Technology Agency Tekes and some Finnish companies involved in power supply business. The project is carried out in the co-operation of University of Oulu and Tampere University of Technology.
The project is part of ETX programme and the contact person is Teuvo Suntio (teuvo.suntio@ee.oulu.fi).
Yhteystieto: teuvo.suntio@ee.oulu.fi
Tutkimus: Teholähdeohjain konsepti
Yhteistyössä: Efore Oyj, Fincitec Oy, Kemppi Oy, Powerware Oy, Salcomp Oy, Teknoware Oy, Oulun yliopisto, Tampereen teknillinen korkeakoulu
Teknologiaohjelma: ETX