50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2

в 8:54, , рубрики: diy или сделай сам, smps, ИИП, микроконтроллеры, Производство и разработка электроники, схемотехника, Энергия и элементы питания

ПНЯ* — Периферия Независимая от Ядра известная так же как CIP — Core Independent Peripheral

Микроконтроллеры в импульсных источниках питания
Часть 2

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 1

В предыдущей части статьи был рассмотрен вариант построения "типового" ШИМ-контроллера Импульсного Источника Питания (ИИП), варианты реализаций ШИМ-контроллеров на основе ПНЯ и некоторые топологии ИИП.
Продолжим знакомство с возможностями Периферии Независимой от Ядра применительно к задаче построения импульсных источников питания.

Синхронный преобразователь

Если выходное напряжение достаточно низкое и становится соизмеримым с падением на диоде, то КПД источника существенно падает. Для улучшения параметров ИИП диод может заменяться на MOSFET, падение напряжения на котором существенно ниже чем на диоде в прямом включении. Получаем синхронный преобразователь.

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 2

Рис. 2.1.а. Понижающий преобразователь

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 3

Рис. 2.1.б. Понижающий синхронный преобразователь

Для формирования двух противофазных сигналов ШИМ предназначен периферийный модуль генерирования комплементарных выходных сигналов (Complimentary Output Generator, COG).

Генератор комплементарных сигналов

позволяет управлять периодом и скважностью одного или двух комплементарных выходов с помощью двух входных источников сигналов. Совместно с возможностью контроля основных параметров, таких как мертвое время, бланкирование, фаза, полярность, автоматическим выключением (auto-shutdown) и авто-восстановлением (auto-recovery), модуль COG предоставляет мощный инструмент для построения ядра ШИМ-контроллера. Генератор комплементарных сигналов в 8-и разрядных микроконтроллерах Microchip полностью автономен и в общем случае не требует вмешательства ядра МК. Для более детального знакомства с COG рекомендую обратиться техническому описанию TB3119 [4].
Модуль COG в некоторой степени похож на SR-триггер, так же имеет входы установки и сброса, но работающие по событиям (Rising Event и Falling Event). События фиксируются как по фронтам/спадам, так и по уровням выбранных входных сигналов. Входные сигналы могут быть как внешние (порты ввода), так и внутренние (таймера, ШИМ, компараторы, конфигурируемые логические ячейки и др.). Выходы генератора комплементарных сигналов способны работать в различных режимах: полумост, полный мост, push-pull, ШИМ. Выходные сигналы формируются с учетом задания метрового времени, бланкирования, фазовой задержки и полярности. Как правило, выходные порты модуля COG имеют повышенную нагрузочную способность (50-100мА).

Для защиты выходных силовых каскадов предусмотрены входы отключения, по событиям на которых выходы модуля переводятся в безопасное состояние (0, 1 или 3-е состояние). При пропадании сигнала аварии модуль может быть автоматически включен, либо требуется вмешательство программы.
Модуль COG позволяет использовать топологии с трансформатором, которые обычно используются для ИИП с гальванической развязкой.
При построении преобразователей с использованием трансформаторов так же применяются режимы управления по напряжению и по току, с пропорциональным или гистерезисным управлением, т.е. все то же самое, что рассматривали ранее в первой части статьи.

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 4 50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 5
50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 6 50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 7
50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 8 50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 9

Рис. 2.2. Топологии ИИП с трансформаторами

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 10

Рис.2.3. Режим управления по напряжению с гистерезисным управлением. Вариант с фиксированным и регулируемым выходным напряжением.

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 11

Рис. 2.4. Режим управления по току с гистерезисным управлением

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 12

Рис. 2.5. Режим управления по току с пропорциональным управлением.

Многофазное чередующееся ШИМ управление

В многофазных преобразователях часто используются чередующийся (interleaved) режим работы, в котором используется разделение токов между несколькими, идентичными, включенными параллельно топологиями. Такая топология позволяет получить более эффективную фильтрацию (меньше пульсации тока), уменьшить габариты источника (меньше фильтр), и увеличить КПД.
Interleaved преобразователь состоит из нескольких идентичных каналов, входы и выходы которых объединены, но фазы управления такими преобразователями сдвинуты на 360°/n, где n – количество фаз.
Для двухфазного чередующегося повышающего преобразователя два канала работают в противофазе – два ШИМ сигнала сдвинуты на 180° относительно друг друга.

Упрощенная схема приведена на рис. 2.6. [5]. Ключи S1 и S2 открываются поочередно. Когда ключ S1 открыт, S2 закрыт, то L1 заряжается, а L2 отдает ранее накопленную энергию в нагрузку. Далее каналы чередуется.

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 13

Рис 2.6. Иллюстрация принципа работы чередующегося (interleaved) импульсного источника питания.

Ниже приведена схема двухфазного синхронного чередующегося повышающего преобразователя [6].
Преобразователь работает по контролю пикового значения тока с одним общим контуром обратной связи по напряжению, который обеспечивает управление двумя независимыми контурами по току. Контроллер обеспечивает балансировку тока между фазами, защиту от короткого замыкания и низкие пульсации во время переходов между режимами непрерывной и прерывистой проводимости.

Для синхронного выпрямления необходимы дополнительные меры для предотвращения протекания тока обратно на вход, когда индуктивность прекращает разряжаться в режиме прерывистой проводимости (DCM). Верхний ключ синхронного преобразователя должен быть выключен когда ток в индуктивности становится равным нулю.

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 14

Рис.2.7. Двухфазный интерливд синхронный повышающий

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 15

Рис.2.8. Двухфазный интерливд синхронный понижающий преобразователь

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 16

Рис.2.9. Двухфазный интерливд обратноходовой преобразователь

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 17

Рис.2.10. Двухфазный интерливд прямоходовой преобразователь

Подробно различные варианты Interleaved ИИП на базе PIC микроконтроллеров приведены в TB3155 [6].

Переменная частота управления

В предыдущих примерах частоту запуска ШИМ задает таймер, т.е. реализуется управление с фиксированной частотой ШИМ.
Метод управления с фиксированной частотой будет терять эффективность при малых нагрузках, так как имеет фиксированные потери в ключе. Так как мы рассматриваем решения на микроконтроллере, то можем легко обеспечить переменную частоту переключения в зависимости от тока нагрузки и режима работы преобразователя.
В контроллере с фиксированной частотой ШИМ наиболее легко реализуется режим прерывистого тока, когда ток не протекает ни через один элемент преобразователя.

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 18

Рис.2.11. Режим прерывистого тока.
Периферия Независимая от ядра может помочь в реализации режима критической проводимости, когда контролируется достижение тока до нулевого значения. В этом случае ШИМ контроллер автоматически меняет частоту коммутации для нахождения в режиме критической проводимости.

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 19

Рис.2.12. Режим критической проводимости тока.

Конфигурируемая периферия позволяет реализовывать и другие алгоритмы: если сигнал компаратора завести на сброс таймера, то можно реализовать управление с фиксированным временем выключения (Fixed Off Time) или с фиксированным временем включения (Fixed On Time или Constant On Time)
Управление с фиксированным временем включения позволяет построить ИИП с корректором мощности [7].

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 20 50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 - 21

Рис.2.13. Управляемый напряжением ШИМ контроллер в конфигурации с фиксированным временем включения (СOT) в режиме критической проводимости.

Итак, мы рассмотрели некоторые топологии ИИП. Вся необходимая периферия для реализации ШИМ контроллеров содержится в микроконтроллерах серий PIC16F176x. Любую из описанных топологий мы можем реализовать на независимой от ядра периферии, т.е. функционирование описанных ШИМ-контроллеров не зависит от быстродействия ядра.

Продолжение следует..

Использованная и рекомендуемая для изучения Литература

[4] TB3119. Complementary Output Generator Technical Brief. www.microchip.com
[5] Dynamics and Control of Switched Electronic Systems. Chapter 2. Pulse-Width Modulation http://www.springer.com/978-1-4471-2884-7
[6] TB3155. Multiphase Interleaved PWM Controller with Diode Emulation Using 8-Bit PIC Microcontrollers. www.microchip.com
[7] TB3153. Sample Functions Implemented with the Programmable Ramp Generator. www.microchip.com

Автор: ariz0na

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля