Una soluzione e-meter economica e ad alta precisione per alimentatori di potenza

L’articolo descrive una soluzione e-meter a basso costo e ad alta precisione basata sui chip AMC1306 e C2000 di Texas Instruments.  Rispetto a una soluzione tradizionale, non solo consente di risparmiare sui costi, ma semplifica anche il layout del PCB e velocizza il processo di progettazione. 

Con l’aumento del numero, della capacità e della potenza dei data center, le funzionalità di e-metering stanno diventando sempre più cruciali. Nell’ultimo decennio, l’impiego di e-meter è diventato un requisito comune in tutte le unità di alimentazione elettrica dei data center [1] in quanto offre i seguenti vantaggi:

• Individua un consumo anomalo, troppo alto o troppo basso, e le possibili cause, supportando pratiche come il peak shaving.
• Facilita la pianificazione della capacità in base all’utilizzo dello spazio e dell’energia.
• Aiuta a monitorare e gestire i costi energetici, verifica le bollette energetiche e stabilisce le priorità; convalida e riduce i costi energetici migliorando l’efficienza energetica e la gestione dell’energia.
• Consente valutazioni quantitative delle prestazioni del data center e il benchmarking di tali prestazioni.
• Aiuta a sviluppare e convalidare strategie di efficienza energetica e identifica opportunità per migliorare l’efficienza energetica riducendo i costi energetici e operativi.
• Rileva i guasti nei sistemi fisici e ne identifica le cause.

Per tutti questi motivi, un e-meter deve essere particolarmente accurato. La Figura 1 mostra il requisito di accuratezza dell’e-meter del Modular Hardware System-Common Redundant Power Supply (M-CRPS) [2], che richiede un errore di misurazione della potenza in ingresso entro ±1% quando il carico è maggiore di 125 W, entro ±1,25 W quando il carico è compreso tra 50 W e 125 W e entro ±5 W quando il carico è inferiore a 50 W.

Figura 1. Specifica di accuratezza dell’e-meter M-CRPS che richiede un errore di misurazione della potenza in ingresso. Fonte: Texas Instruments.

Per ottenere una precisione di misurazione così elevata, la funzione e-meter viene tradizionalmente implementata tramite un dispositivo di misurazione dedicato [3], come mostrato nella Figura 2. Uno shunt di corrente posizionato sul lato di ingresso della correzione del fattore di potenza (PFC) rileva la corrente di ingresso, mentre  un partitore di tensione (non evidenziato nello schema) attraverso la linea AC e il neutro AC rileva la tensione di ingresso. Un dispositivo di misurazione dedicato riceve queste informazioni di corrente e tensione e calcola la potenza di ingresso e le informazioni sul valore della corrente RMS di ingresso, inviando i risultati all’host.

Figura 2. Configurazione tradizionale di controllo e-meter. Fonte: Texas Instruments.

Per controllare la corrente di ingresso nel PFC, un sensore a effetto Hall mostrato nella Figura 2, rileva la corrente di ingresso, quindi invia queste informazioni a un MCU per il controllo del circuito di corrente PFC. Tuttavia, sia il sensore a effetto Hall che il dispositivo di misurazione dedicato sono piuttosto costosi.

In questo articolo viene descritta una soluzione e-meter a basso costo ma di grande precisione che utilizza un singolo sensore di corrente sia per l’e-metering che per il controllo del circuito di corrente PFC. L’integrazione della funzionalità e-meter nel codice di controllo PFC elimina la necessità di un dispositivo di misurazione dedicato, non solo riducendo i costi di sistema, ma anche semplificando il layout del circuito stampato e velocizzando il processo di progettazione. 

Soluzione E-meter 

La figura 3 mostra la configurazione proposta dell’e-meter. Uno shunt di corrente rileva la corrente di ingresso; un modulatore delta-sigma isolato AMC1306 misura la caduta di tensione attraverso lo shunt di corrente. L’uscita del modulatore delta-sigma viene inviata al controller MCU del PFC. Queste informazioni sulla corrente saranno utilizzate sia per l’e-metering che per il controllo del circuito di corrente PFC. Un partitore di tensione rileva la tensione di ingresso, che viene poi misurata direttamente dal convertitore analogico-digitale (ADC) dell’MCU, proprio come nel controllo PFC tradizionale.

Figura 3. Nuova configurazione di controllo e-meter e PFC in cui uno shunt di corrente rileva la corrente di ingresso, un modulatore delta-sigma isolato misura la caduta di tensione attraverso lo shunt. L’uscita del modulatore viene utilizzata per l’e-metering e il controllo del circuito di corrente PFC. Fonte: Texas Instruments.

Modulatore delta-sigma

Rispetto all’ADC di tipo SAR utilizzato da quasi tutti i controller MCU PFC digitali, un modulatore delta-sigma può fornire dati ad alta risoluzione. Il modulatore campiona il segnale di ingresso a una velocità molto elevata per produrre un flusso di codici a 1 bit, come mostrato nella Figura 4.

Figura 4. Ingresso e uscita del modulatore delta-sigma. Fonte: Texas Instruments.

Il rapporto tra uno e zero rappresenta la tensione analogica di ingresso. Ad esempio, se il segnale di ingresso è 0 V, l’uscita produce gli uni il 50% delle volte. Un segnale di ingresso positivo più alto produce una serie di uni con una percentuale maggiore di volte, mentre un segnale di ingresso negativo più basso produce gli uni con una percentuale minore di volte. A differenza della maggior parte dei quantizzatori, il modulatore delta-sigma spinge il rumore di quantizzazione a frequenze più elevate [4] rendendolo adatto per misurazioni ad alta precisione.

Filtro digitale delta-sigma

L’MCU C2000 ha un filtro digitale delta-sigma integrato che decodifica il flusso a 1 bit. Il numero effettivo di bit (ENOB) dell’output del filtro dipende dal tipo di filtro, dalla frequenza di sovracampionamento (OSR) e dalla frequenza del modulatore delta-sigma [5]. In genere, un OSR più elevato si tradurrà in un ENOB più elevato per un dato tipo di filtro; tuttavia, il compromesso è un aumento del ritardo del filtro.

È importante scegliere la giusta configurazione del filtro studiando i compromessi ottimali tra velocità e risoluzione. Per il controllo del loop di corrente PFC, un breve ritardo è più importante, perché può aiutare ad aumentare il margine di fase del loop di controllo e ridurre la distorsione armonica di corrente totale. D’altro canto, sono necessari dati di corrente ad alta risoluzione per ottenere un’elevata accuratezza per l’e-metering. Per questo motivo, la soluzione proposta (Figura 5) utilizza due filtri digitali delta-sigma: uno configurato con alta velocità ma una risoluzione relativamente bassa per il controllo del loop di corrente PFC e l’altro configurato con alta risoluzione ma una velocità relativamente bassa per l’e-metering.

Figura 5. La configurazione del filtro delta-sigma proposta utilizza due filtri: uno per l’alta velocità ma con una bassa risoluzione per il controllo del ciclo di corrente PFC e un altro con bassa velocità per l’e-metering ma con un’alta risoluzione. Fonte: Texas Instruments.

Struttura del firmware

La figura 6 rappresenta la struttura del firmware, che consiste di tre cicli:

• Un ciclo principale utilizzato per attività lente e non critiche in termini di tempo.
• Una routine di servizio di interruzione rapida (IRS1) in esecuzione a 100 kHz per l’ADC, la lettura dei dati delta-sigma e il controllo del ciclo di corrente.
• Un ISR2 più lento che funziona a 10 kHz per il controllo del circuito di tensione e il calcolo dell’e-meter.

Poiché il calcolo dell’e-meter è in ISR2, non ha alcun effetto sul loop di corrente PFC. L’integrazione della funzionalità dell’e-meter nel codice di controllo PFC con questa struttura non influisce sulle prestazioni PFC.

Figura 6. Struttura del firmware che consiste di tre loop: un loop principale per attività non critiche in termini di tempo; un loop IRS1 da 100 kHz per ADC, lettura dati delta-sigma e controllo del loop di corrente; e un loop ISR2 da 10 kHz per controllo del loop di tensione e calcolo dell’e-meter. Fonte: Texas Instruments. 

Calcolo dell’E-meter

Ora che ci sono sia i dati di corrente in ingresso (tramite il modulatore delta-sigma) sia i dati di tensione in ingresso (tramite l’ADC dell’MCU), è il momento di eseguire i calcoli dell’e-meter. L’equazione 1 calcola il valore RMS della tensione in ingresso:

dove V_in (n) è il V_in campionato dall’ADC e N è il numero totale di campioni ADC in un ciclo AC.

Il calcolo del valore RMS della corrente di ingresso consiste in due passaggi. Il primo passaggio consiste nel calcolare il valore RMS della corrente misurata (corrente dell’induttore), come mostrato nell’equazione 2:

dove I_in (n) è l’uscita del filtro digitale delta-sigma.

Facendo riferimento alla Figura 3, poiché la resistenza di shunt è posizionata dopo il filtro EMI, la corrente reattiva causata dal condensatore X del filtro EMI non viene misurata. Pertanto, l’equazione 2 non rappresenta la corrente di ingresso totale. Questa situazione peggiora con linea alta e carico leggero, dove la corrente reattiva non è trascurabile; un reporting accurato della corrente di ingresso richiede la sua inclusione.

Per calcolare la corrente reattiva del condensatore EMI, è necessario conoscere la frequenza della tensione di ingresso. L’ADC misura la tensione AC tra linea e neutro; confrontando i valori della tensione è possibile ricavare l’attraversamento per lo zero dell’inda. Poiché la tensione di ingresso viene campionata a una velocità fissa, è possibile calcolare la frequenza AC contando il numero di campioni tra due punti di attraversamento per lo zero consecutivi. Una volta conosciuta la frequenza della tensione di ingresso, l’equazione 3 calcola la corrente reattiva del condensatore EMI:

dove C è la capacità totale del filtro EMI e f è la frequenza della tensione AC in ingresso.
I_EMI è una corrente reattiva che anticipa la corrente misurata (I_L) di 90 gradi; pertanto, l’equazione 4 calcola la corrente di ingresso totale come:

Il calcolo della potenza in ingresso consiste anch’esso in due passaggi. Innanzitutto, va calcolata la potenza misurata, come mostrato nell’equazione 5:

Poiché la tensione di ingresso viene misurata dopo il filtro EMI, la perdita di potenza causata dal filtro EMI non viene misurata. Sebbene questa perdita di potenza sia solitamente molto piccola, potrebbe essere necessario includerla per applicazioni che richiedono misurazioni estremamente accurate.

La resistenza DC totale del filtro EMI è R. L’equazione 6 calcola la perdita di potenza sul filtro EMI come:

Infine, aggiungendo la perdita di potenza del filtro EMI alla potenza misurata si ottiene la potenza di ingresso totale (equazione 7):

Risultati del test

Abbiamo implementato la funzione e-meter proposta in un PFC senza ponte totem-pole da 3,6 kW (1,8 kW a linea bassa). La Figura 7, la Figura 8 e la Figura 9 mostrano i risultati dei test rispettivamente a linea bassa, linea alta e ingresso DC. Questa implementazione ha raggiunto un errore di misurazione <0,5%, che è due volte migliore rispetto alle specifiche e-meter M-CRPS. Inoltre, l’implementazione utilizza solo una calibrazione a 1 punto, il che riduce significativamente i tempi e i costi di calibrazione.

Figura 7. Risultati del test dell’E-meter a 1,8 kW di linea bassa con Vin impostato a 115 VAC che mostrano una precisione dell’E-meter migliore rispetto alle specifiche di precisione M-CRPS. Fonte: Texas Instruments.

Figura 8. Risultati del test dell’E-meter a 3,6 kW di linea alta con Vin impostato a 230 V CA che mostrano una precisione dell’E-meter migliore rispetto alle specifiche di precisione M-CRPS. Fonte: Texas Instruments.

Figura 9. Risultati del test dell’E-meter all’ingresso DC che mostrano una precisione dell’E-meter migliore rispetto alle specifiche di precisione M-CRPS. Fonte: Texas Instruments.

E-meter economico e ad alta precisione

Questo articolo descrive una soluzione e-meter a basso costo e ad alta precisione: un modulatore delta-sigma isolato misura la corrente di ingresso che viene poi inviata a un MCU sia per l’e-metering che per il controllo del circuito di corrente PFC. La soluzione proposta raggiunge un’eccellente precisione di misurazione con una calibrazione a 1 solo punto. Rispetto a una soluzione e-meter tradizionale, non solo consente di risparmiare sui costi, ma semplifica anche il layout del PCB e velocizza il processo di progettazione.

Riferimenti

1. Department of Energy, (2017, 7 febbraio). Data Center Metering and Resource Guide. https://datacenters.lbl.gov/sites/default/files/DataCenterMeteringandResourceGuide_02072017.pdf
2. Specifiche di base del sistema hardware modulare – Common Redundant Power Supply (M-CRPS). Open Compute Project, versione 1.00, Release Candidate 4, 1 novembre 2022.
3. Analog Devices. Linee guida per la progettazione hardware 78M6610+PSU. (2012). https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/78m6610psu-hardware-design-guidelines.pdf
4. Bonnie Baker, “Come funzionano gli ADC Delta-Sigma”. Texas Instruments Analog Application Journal, agosto 2011.
5. Texas Instruments. TMCS320F28003x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual. https://www.ti.com/product/TMS320F280039C

Bosheng Sun è Systems Engineer presso Texas Instruments.