În timp ce DSP-urile sunt principalele controlere în sursele de alimentare neîntreruptibile (UPS) cu corecție factor de putere (PFC), generarea de curent alternativ și gestionarea bateriei,

permite

În timp ce DSP-urile sunt principalele controlere în sursele de alimentare neîntreruptibile (UPS) cu corecție factor de putere (PFC), generarea de curent alternativ și gestionarea bateriei, microcontrolerele servesc funcții secundare pentru caracteristici de stare și comandă în convertoarele DC-DC controlate analog. Rolul controlului digital în sursele de alimentare continuă să crească pe măsură ce performanța semiconductoarelor crește și prețurile scad, astfel încât mai multe convertoare devin digitale pentru funcțiile lor de control primare. Cu toate acestea, tranziția este lentă. În plus față de constrângerile tehnologice și de preț, este dificil să fuzionezi mai multe discipline într-un domeniu stabilit.

Un obstacol inerent care împiedică creșterea conversiei puterii digitale este faptul că proiectanții digitali și analogici tind să vorbească diferite limbi. Având în vedere că digitalul preia lumea noastră analogică, inginerii trebuie să învețe să lucreze împreună eficient. Integrarea perfectă a disciplinelor este benefică pentru toți cei implicați, deoarece tehnologiile emergente creează oportunități valoroase pe o piață extrem de competitivă. Acest articol se concentrează pe fuzionarea tehnologiilor digitale și analogice în aplicațiile de conversie a puterii și evitarea problemelor pe parcurs. Sunt prezentate exemple de design specifice pentru a ilustra liniile directoare pentru un control digital robust al puterii.

Dezvoltare convertor

Circuitul în FIG. 1 este un convertor digital de putere de 12 V/5-A ușor de construit și care folosește lista de piese prezentată în tabelul 1. Are un număr minim de piese robuste, cu interfețe simple. Componentele sunt disponibile în pachete orificiale pentru dezvoltarea prototipului și sunt ușor disponibile de la distribuitori la prețuri rezonabile. Etapa de putere include FET-uri laterale și laterale joase cu un driver de poartă care reduc emisiile EMI prin scurtarea căilor de conducere, cu condiția să fie plasată suficientă capacitate de stocare a încărcăturii în apropierea pinilor de putere și de masă cu conductori grei. Circuitele de protecție din cadrul dispozitivului de alimentare evită împușcăturile, subtensiunea, supra-temperatura (limitarea curentului este foarte de dorit, dar nu este inclusă).

Microcontrolerul integrează convertizoare analog-digitale (ADC) și modulator de lățime a impulsurilor (PWM) pentru controlul puterii, în plus față de unitatea centrală tipică de procesare (CPU) și memoria găsită în alte procesoare. De asemenea, conține un oscilator intern, cronometru câine de pază, resetare brownout și diode de protecție pentru a opera în medii dificile. Integrarea oscilatorului sensibil reduce sensibilitatea EMI, în timp ce celelalte funcții permit recuperarea după o perturbare.

Tabelul 1. Lista pieselor convertorului de putere digital. Găsiți cantitatea Ref Des Număr de piesă Descriere Preț producător *
1 1 U1 LM78L05ACZ Regulator liniar 5-V National Semi 0,26
2 1 U2 PIC16F818-I/P Microcontroler Microcip 1,72
3 1 U3 TDA21201-P7 Comutator integrat Infineon 2,71
4 1 D1 1N5232B Diodă Zener 5.6-V Diodes Inc. 0,14
5 1 L1 2317-H Inductor 270-μH 5,5 A J.W. Miller 1,39
6 2 C1, C2 K103Z15Y5VF5TL1 Condensator 0,01-μF Componentele BC 0,08
7 1 C3 K104Z15Y5VF5TL2 Condensator 0,1-μF Componentele BC 0,08
8 2 C4, C5 EEU-FC1V271 Condensator 270-μF Panasonic 0,44
9 2 R1, R2 CFR-12JB-3K0 Rezistor de 3 K 1/8 W Yageo 0,02
10 1 R3 CFR-12JB-100K 100 K rezistor 1/8 W Yageo 0,02
11 1 R4 77063472 (3) 4,7 K rezistă nr CTS 0,11
* Prețul distribuitorului Digikey pentru cantitatea de 100. Total 7.51

FIG. 1 demonstrează un circuit practic practic de control digital al puterii și sistemul în FIG. 2 arată capacitățile hardware și software necesare pentru a facilita dezvoltarea. Placa de alimentare are o priză pentru a găzdui o varietate de cipuri de microcontroler, plus circuite de asistență esențiale. Etapa de putere poate fi utilizată ca jumătate sau punte completă și include limitarea curentului, oprirea termică și blocarea subtensiunii. PCB-ul conține un plan împământat împărțit cu o structură strânsă a condensatorilor de stocare a încărcăturii, filtre analogice, diode de protecție, rezistențe cu limită de curent și interfață PC izolată pentru o funcționare robustă în aplicațiile de comutare a puterii.

O componentă importantă în sistemul de dezvoltare este In-Circuit-Debugger (ICD), care poate programa și testa codul în timp real pentru a găsi rapid erorile. Depanatorii încarcă micro resursele într-o mică măsură, dar oferă economii semnificative de costuri față de emulatoare. Compilatoarele de bază sau C tind să fie mai rapide de programat decât limbajul de asamblare. Cu toate acestea, execuția este de obicei mai lentă (mai multe linii de cod), deci este necesară o anumită programare de asamblare a rutinelor cheie.

Dezvoltarea firmware-ului (software care controlează hardware-ul) poate consuma mult timp și frustrant, dar este esențială în definirea performanței și caracteristicilor unice pentru fiecare produs. Circuitul în FIG. 1 poate fi utilizat în nenumărate variante de produs, în funcție de firmware-ul programat în microcontroler. De exemplu, Flextek Electronics a creat o versiune în așteptare a brevetului (partea CLZD010) care satisface o gamă largă de aplicații de putere, termică, mișcare, iluminare și flux prin împământarea pinilor de configurare corespunzători (fără reprogramare) pentru fiecare instalație specifică.

O provocare pentru cei dornici să învețe firmware-ul de control al puterii este că companiile își păstrează codul privat, dar sunt disponibile multe alte resurse. Producătorii de microcontrolere oferă pe site-urile lor web informații detaliate despre aplicații care conțin diagrame, descriere, diagramă și cod sursă. Referința 4 descrie un algoritm simplu de saltare a impulsurilor pentru un convertor DC-DC folosind câteva zeci de linii de cod de asamblare (furnizate) care pot fi executate într-un micro cu 8 pini cu cost redus (PIC12F629).

Cea mai populară tehnică de control este algoritmul proporțional-integral-diferențial (PID) care are avantajele de a fi dovedit și documentat pe scară largă. Majoritatea surselor de alimentare analogice conțin o versiune op-amp a PID, ceea ce poate să nu fie evident, deoarece inginerii de control folosesc trei op-amperi pentru ajustarea independentă a câștigului, iar proiectanții de energie folosesc unul pentru economie. Referința 3 arată cum să treceți înainte și înapoi de la ecuațiile de control software la circuite analogice, ceea ce poate fi util pentru proiectanții digitali sau analogici inconfortabili care lucrează în cealaltă disciplină.

Instrucțiuni de soliditate

masa 2 este o listă de verificare a designului care acoperă o varietate de tehnologii utilizate în controlul digital al puterii. Deoarece un avantaj major al controlului digital este reducerea pieselor, sunt deseori alese trepte de putere cu acționare internă și circuite de protecție. Cu toate acestea, aceste piese ușor de utilizat necesită încă grijă în aplicarea lor. Inductanța cablurilor de putere lungi poate genera tranzitori de comutare care depășesc tensiunea nominală și pot duce la deteriorări. Trebuie prevăzută o cale termică suficientă cu condensatoare de stocare a încărcăturii situate aproape de stadiul de putere, cu un grad de curent adecvat.

Chiar și o etapă de alimentare proiectată corespunzător va cupla cantități mici de energie la controler, în special în timpul pornirii și al sarcinilor grele. Astfel, circuitele de control trebuie să fie proiectate pentru a funcționa în medii dure. Urmele care se termină la conectorii plăcii sunt predispuse la tranzitorii sau scurtcircuite, astfel încât rezistențele cu limită de curent și condensatoarele de intrare-filtru apropiate de pinii cipului atenuează perturbațiile externe. O diodă Zener peste pinii de alimentare va proteja micro de supratensiune dacă un pin al conectorului este conectat din greșeală la o tensiune mai mare. Prevenirea propagării tranzitorilor din stadiul de putere prin circuitele de control este esențială în oprirea unei erori în cascadă într-o defecțiune catastrofală.

In timp ce masa 2 enumeră mai multe linii directoare, linia de jos este să fii extrem de atent și să verifici fiecare secțiune de cod înainte de integrarea sistemului. Este esențial ca sarcinile critice, cum ar fi actualizările de control, să fie executate la timp și sarcinile cu prioritate mai mică, cum ar fi trimiterea stării către PC, să fie efectuate atunci când este convenabil. Sincronizarea evenimentelor cheie cu un ceas master, cum ar fi eșantionarea ADC și generarea PWM, ajută la asigurarea unui comportament consecvent și previzibil. Puneți limite modificărilor relative și valorilor absolute. De exemplu, ciclul de funcționare la rampă pentru a evita curentul mare de intrare și a nu depăși 95% într-o etapă de putere cu pompă de încărcare laterală înaltă acționată prin comutare de ieșire.

Cel mai important și mai dificil lucru de căutat este neașteptatul. De exemplu, octetul ridicat al unui registru integrator scade de la 00 la FF (255 zecimale), determinând convertorul să aplice puterea totală de ieșire atunci când acesta ar trebui să fie la putere redusă; zgomot care provoacă resetarea repetată a procesorului sau relansarea întreruperilor externe pentru a lega procesorul; și intrările digitale eșantionate o singură dată în timpul unei tranziții a comutatorului de alimentare, determinând acceptarea unei comenzi nevalide.

Multe microcontrolere au porturi seriale pentru PC, astfel încât programele intuitive precum Visual Basic fac atractivă interfața grafică cu utilizatorul (GUI). Sursele de alimentare trebuie izolate electric, de aceea se recomandă opto-cuplaje pe liniile de date ale computerului. Nu permiteți ca datele PC să împiedice sarcinile critice ale microcontrolerului și să vă asigurați că sunt respinse comenzile false. O problemă subtilă, dar comună, este că micro-ul modifică datele multi-octet în timpul transmiterii către computer, rezultând erori nedetectate.

Cei mai mulți ingineri electrici știu că revendicările din fișele tehnice nu pot fi acceptate fără îndoială. Același lucru este valabil și pentru codul programului. Acestea pot ilustra în mod eficient un concept specific fără a oferi garanțiile necesare în cererea dvs. Designerii sunt în cele din urmă responsabili pentru produsul lor, deci examinați fiecare linie de cod așa cum ați face o fișă tehnică a componentelor.

Rezultate operaționale

FIG. 2 Sistemul a fost folosit pentru a dezvolta firmware-ul pentru un convertor flexibil capabil să satisfacă o varietate de aplicații din mai multe discipline fără reprogramare. După dezvoltare, firmware-ul a fost recompilat în mic și ieftin FIG. 1 microcontroler pentru producție. Un ADC citește setul dorit și altul măsoară semnalul de feedback. Diferența dintre cele două este eroarea condusă spre zero prin ajustarea ciclului de funcționare PWM. Momentul buclei de control este setat pentru o aplicație specifică prin împământarea pinilor de intrare digitale care au pull-up-uri interne.

Răspunsul alternativ al convertorului digital de putere într-o sarcină de 5 W este prezentat în FIG. 3. În plus față de conversia cc-cc, acest dispozitiv este un amplificator de putere eficient cu mai multe cadrane. Acest convertor a fost, de asemenea, aplicat cu succes în sistemele de mișcare, iluminare, termice și de flux prin ajustarea sincronizării buclei prin setările pinului. FIG. 4 este răspunsul pasului termic al convertorului care conduce un încălzitor cu feedback de temperatură printr-un cip senzor LM34. Cea mai lentă setare a scopului digital a fost prea rapidă pentru a capta învelișul răspunsului termic, astfel portul serial al plăcii de alimentare din FIG. 2 a fost folosit ca un logger de date PC izolat pentru a înregistra citiri ADC.

Performanța acestui convertor este bună în fiecare aplicație, în ciuda utilizării unui microcontroler cu costuri reduse, cu resurse limitate. Cipul își folosește oscilatorul intern la 8 MHz pentru un PWM de 31,25 kHz cu rezoluție de 8 biți. Actualizările de control sunt finalizate la fiecare 128 μS printr-un ADC multiplexat pe 10 biți. Rezoluția eficientă de control (Vsetpt - Vfeedback) este de 12 biți, în ciuda ADC pe 10 biți și PWM pe 8 biți. Acest convertor oferă o mulțime de bang-for-the-buck, deoarece resursele sale limitate sunt bine utilizate și sunt implementate tehnici robuste de control digital.

Obiectivul acestui efort a fost de a dezvolta o soluție cu un singur chip cu cost redus pentru a satisface rapid și ușor o varietate de aplicații, ceea ce pur și simplu nu este fezabil în analog. Timpul suplimentar petrecut în dezvoltarea inițială a tehnologiei de control digital se plătește pe termen lung prin reutilizarea repetată a modulelor software și hardware în aplicații multiple. Acest lucru este similar cu conceptul dovedit al comenzilor Active X în Visual Basic, unde funcțiile comune sunt aruncate în nenumărate aplicații cu setarea corespunzătoare a parametrilor de control. Un cip de control digital poate costa puțin mai mult decât un cip analogic PWM, dar acest cost este recuperat prin eforturi de dezvoltare ulterioare rapide, puține piese de cumpărat și asamblat și capacitatea de a adăuga caracteristici fără prelucrare mecanică.

Viitorul digital

Deși convertorul digital poate face mai mult decât omologul său analog, costul și performanța unui convertor digital dc-dc nu se potrivește încă cu cel al analogului. Dar acest decalaj se micșorează. Astfel, companiile și persoanele cu competențe și experiență relevante în conversia puterii digitale vor fi poziționate pentru a profita de oportunități în viitorul apropiat.

În prezent, au fost introduse sute de cipuri de alimentare analogice care nu au capacități de interfață, iar microcontrolerele actuale nu răspund în mod adecvat nevoilor unice de conversie a energiei. Astfel, cele două industrii trebuie să lucreze mai eficient pentru ca industria de conversie a energiei să ajungă din urmă cu restul lumii tehnologice.

Referințe

David J. Caldwell, „Controlul puterii: flexibilitate digitală la prețuri analogice”, Power Systems World ’98, Santa Clara, California, noiembrie 1998.

David J. Caldwell, „Flexibilitatea digitală a puterii: aplicații și avantaje”, Power Systems World '99, Chicago, noiembrie 1999.

David J. Caldwell, „Analog Simulation Tools Aid Digital-Control-Circuit Designers” Electronic Design Magazine, dec. 4, 2003.

Hartono Darmawaskita, „DC-DC Converter Controller Using a PICmicro Microcontroller” Microchip Application AN216, 2000.

masa 2. Lista robustă de control digital al puterii.

Etapa de putere

Limita de curent, oprirea termică și protecția de blocare a subtensiunii
Dispunerea strânsă a căii de comutare cu planul de împământare
Închideți capacitatea de stocare a încărcării și liniile electrice răsucite

Micro Hardware

Bypass condensatori și cristal aproape de micro pini cu semnal plan de masă
Rezistențe limită de curent pe pini la conectori
Rezistențe de tragere sau de coborâre pe pinii de activare
Clemă de tensiune VDD pentru tranzitorii și inversarea polarității
Filtre la intrări critice cu fire ecranate
Divizați planul de masă al semnalului de la planul de masă al puterii

Micro Firmware

Sistem de operare în timp real cu multi-tasking și întreruperi prioritare
Sincronizați eșantionarea ADC cu PWM
Tranziții liniste și limite operaționale
Filtre digitale și garanții
Limitați rata de întrerupere externă
Preveniți revărsarea și debordarea registrului
Cronometrul câinelui de supraveghere și detectarea brownout-ului

Software pentru PC

Interfață de date PC izolată electric
Verificați sumele și detectarea erorilor
Măsuri de protecție pentru a preveni actualizarea accidentală a codului programului
Evitați actualizările parțiale ale datelor multi-octet

General

Nu presupuneți că furnizorii au conceput toate problemele
Includeți capacități de test și calibrare încorporate

Pentru mai multe informații despre acest articol, CERCLEȚI 341 pe cardul de service al cititorului