Электропитание с цифровым управлением

Обновлено: 21.11.2024

Узнайте о многочисленных преимуществах цифровых модулей питания для проектировщиков систем и узнайте, как цифровые модули питания могут упростить конструкцию высокопроизводительного компактного источника питания.

Цифровое питание — одна из наиболее важных технологий для снижения энергопотребления и управления растущей сложностью питания в современных электронных системах.

От интеллектуальных портативных устройств до серверов данных и беспроводных базовых станций, цифровое управление и контроль питания обеспечивают интеллектуальную информацию в режиме реального времени, что позволяет разработчикам создавать системы питания, которые автоматически адаптируются к окружающей среде и оптимизируют эффективность. Использование интеллектуального цифрового питания означает автоматическую компенсацию изменений нагрузки и температуры системы, что позволяет экономить энергию за счет адаптивного управления временем простоя, динамического масштабирования напряжения для оптимальной производительности системы и безопасной работы с надежной защитой при различных неисправностях.

ИС модуля питания объединяют ШИМ-контроллер, дроссель, силовые полевые МОП-транзисторы и пассивные компоненты в одном небольшом корпусе для высокоэффективного преобразования энергии. Для создания полного блока питания требуется всего несколько входных и выходных конденсаторов, а ИС модуля питания упрощают и упрощают проектирование блока питания. Используя силовые модули для питания различных шин с меньшей площадью печатной платы, разработчики систем могут разрабатывать более компактные электронные продукты с небольшим форм-фактором или добавлять больше функций к продуктам того же размера. Ускорение вывода на рынок новых продуктов также может быть достигнуто за счет того, что разработчики систем освобождают себя от сложного проектирования блоков питания и сосредотачиваются на реализации важнейших функций, связанных с ценностью продукта.

ИС цифровых модулей питания обеспечивают преимущества как цифровых модулей питания, так и модулей питания и поддерживают растущую отраслевую тенденцию к высокоэффективному преобразованию энергии благодаря их гибкости, высокой степени интеграции и высокой надежности.

Преимущества цифровых технологий

Все более сложные, но надежные системы распределения питания, такие как серверы данных, сетевое оборудование и базовые станции, часто нуждаются во многих шинах напряжения, которые необходимы для последовательности или отслеживания других шин для надлежащего смещения микропроцессоров, микроконтроллеров (MCU), ASIC, FPGA и любых других ИС цифровой логики, присутствующие в системе. Для максимизации производительности этих систем в различных условиях эксплуатации и снижения общего энергопотребления изменение напряжения и управление режимом работы силовых преобразователей становится основным требованием. Цифровое управление преобразованием энергии и последовательностью подачи энергии также становится необходимым для любой высокопроизводительной системы.

Цифровая мощность — это отраслевое направление для инфраструктур передачи данных и телекоммуникаций, которое имеет следующие преимущества:

Включает интеллектуальное управление питанием для максимальной производительности системы

Цифровые ИС питания взаимодействуют друг с другом через шину управления системой (SMBus) с использованием протокола шины управления питанием (PMBus), стандартного протокола для связи с системами преобразования энергии с использованием цифровой шины связи. Использование устройств с поддержкой SMBus и PMBus для преобразования энергии обеспечивает гибкость и контроль, которые невозможны в традиционных аналоговых системах питания. При проектировании с цифровым питанием можно легко управлять регулировкой выходных напряжений, последовательностью питания и синхронизацией нескольких шин напряжения через хост-контроллер (рис. 1) через коммуникационную шину I 2 C на основе протокола PMBus.

Кроме того, для мониторинга системы цифровое решение по питанию предоставляет несколько методов реагирования на сбой. Перегрузки по току и пониженному току, перенапряжению и пониженному напряжению, а также порогам предупреждений и перегреву можно настроить и отрегулировать на протяжении всего жизненного цикла продукта. Можно контролировать рабочие температуры, чтобы динамически регулировать вентиляторы охлаждения и снижать энергопотребление системы.

Сокращает время разработки системных продуктов

Поскольку дизайн продукта проходит через различные этапы, в конструкцию могут вноситься изменения, в том числе добавление шины питания, увеличение тока на шине или требование более жесткой переходной характеристики. Обычно для этого требуется модернизация системы распределения питания, но с цифровым питанием можно легко добавить новую шину напряжения в систему управления питанием с помощью стандартной для отрасли шины SMBus. Добавление новой шины интегрировано в схемы мониторинга, определения последовательности, резервирования и обнаружения неисправностей. Цифровая силовая микросхема для новой шины снабжена собственным адресом SMBus. Нет необходимости перепрограммировать или добавлять дополнительные автономные ИС управления питанием благодаря дополнительной шине напряжения.

Цифровое питание позволяет системным разработчикам сократить время на проектирование блоков питания и сосредоточиться на разработке ключевых характеристик и функций системных продуктов, сокращая время разработки продуктов и затраты на НИОКР.Шанс получить новый бизнес также увеличивается благодаря более быстрому выводу новых продуктов на рынок.

Рис. 1. Цифровая система управления питанием через I 2 C SMBus с протоколом PMBus

Снижает стоимость спецификации системы, повышая надежность и срок службы продукта

Благодаря цифровому питанию многие функции управления системой и питанием могут быть реализованы с помощью встроенного ПО вместо использования дополнительных аналоговых устройств и устройств управления питанием. Разработчики систем могут использовать одно и то же устройство для каждой шины напряжения и вносить изменения в работу устройства без необходимости внесения дорогостоящих изменений в оборудование. В результате общая стоимость спецификации может быть снижена. Благодаря меньшему количеству компонентов и комплексным функциям защиты с цифровым управлением системные продукты могут обладать большей надежностью и более длительным сроком службы.

Позволяет создавать компактные системы и обновлять продукты в одном корпусе

Растущий спрос на высокоскоростную передачу данных, голосовую и видеосвязь побудил поставщиков услуг передачи данных и телекоммуникационных услуг модернизировать свое сетевое оборудование с помощью более быстрых и надежных продуктов с большим количеством функций. Хотя скорость и системные функции увеличены, доступное пространство ограничено. Это означает, что системному разработчику необходимо добавить на плату больше функциональных цепей и уменьшить площадь, занимаемую источниками питания. С цифровым питанием многие функции контроля мощности и управления последовательностью могут быть легко реализованы с помощью встроенного программного обеспечения. В результате площадь печатной платы для блока питания уменьшается, и на ту же площадь платы можно добавить больше функциональных микросхем.

Эволюция цифровой энергетики

Определение цифровой мощности варьируется в зависимости от того, к какому поставщику микросхем или преобразователей энергии вы обращаетесь. Некоторые говорят, что это аналоговый контур управления с цифровым интерфейсом, в который добавлена функциональность цифрового питания через PMBus; другие настаивают на том, что цифровая мощность — это полностью цифровой контур управления в решении MCU или процессоре цифровых сигналов (DSP). Первое решение называется цифровой оболочкой, поскольку аналоговое ядро управления питанием обернуто цифровой схемой управления. Последнее называется полностью цифровым решением с неотъемлемым следствием того, что пользователю может потребоваться выполнить значительный объем программного кода.

У этих двух цифровых решений есть свои плюсы и минусы. Решение на основе цифровой оболочки не требует программирования для управления преобразованием мощности, но не предлагает всех преимуществ цифровой мощности. Это также требует проектирования компенсационного контура, что может стать проблемой для проектировщиков систем, не являющихся экспертами в области энергетики. Полностью цифровое решение для управления питанием имеет наибольшую гибкость в схеме управления с обратной связью, но требует хороших алгоритмов управления и разработки микропрограммы. Кроме того, для достижения высокой точности системы необходимы АЦП с высоким разрешением и более быстрые часы, что может увеличить стоимость ИС. Традиционно полностью цифровое решение по питанию было реализовано с помощью MCU общего назначения или DSP; однако, поскольку MCU и DSP не предназначены специально для источников питания, часто требуется чрезмерное время на кодирование и разработку прошивки, что затрудняет разработку полностью цифровых решений питания. В результате внедрение цифровых технологий происходит медленнее, чем должно быть.

В течение почти десяти лет компания Renesas разрабатывает и совершенствует простые и удобные в использовании продукты для цифрового питания. Первое цифровое силовое устройство Renesas было выпущено в 2005 году компанией Zilker Labs, которая была приобретена Renesas в начале 2009 года. ZL2005 был первым в отрасли полностью цифровым контроллером с интерфейсом PMBus. Он объединил традиционный цифровой пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) контур управления вместе с компактным и эффективным понижающим контроллером, сильноточными адаптивными драйверами и полными функциями управления мощностью и тепловым режимом в одном корпусе. Устройство обеспечивало секвенирование, считывание телеметрии и базовое управление устройством. Однако интерфейс PMBus мог быть довольно медленным и не позволял точно секвенировать из-за времени задержки.

Устройство второго поколения, выпущенное в 2008 году, дополнено нашей запатентованной технологией Digital-DC™ (DDC) — запатентованным однопроводным интерфейсом для преодоления ограничений предыдущего поколения. Далее, контроллер третьего поколения обеспечивает значительно лучшее цифровое управление, полностью используя цифровые возможности устройства для улучшения питания. Одной из самых больших проблем в снижении сложности конструкции энергосистем является компенсация, и в третьем поколении использовалась автокомпенсация для обеспечения самостабильности.

В 2013 году компания Renesas выпустила цифровой контроллер ZL8800 с двумя выходами и двумя фазами, который представляет собой четвертое поколение цифровой силовой платформы Renesas и теперь значительно превосходит возможности аналогового управления.Ключевая проблема аналоговых устройств заключается в том, что инженерам приходится работать в пределах полюсов и нулей частотной области, чтобы поддерживать стабильность устройства. ZL8800 предлагает полностью цифровой контур управления без компенсации — если в системе происходит событие и выходная емкость изменяется динамически, устройство по-прежнему будет оставаться стабильным, обеспечивая при этом более быструю переходную характеристику, чем это достижимо с аналоговым контуром управления. Эта усовершенствованная технология контура компенсации в сочетании с современной кремниевой силовой ИС и интуитивно понятным и простым в использовании программным обеспечением на основе графического интерфейса пользователя (PowerNavigator™) упростила разработку высокопроизводительного полностью цифрового источника питания.

Управление ChargeMode™ — это запатентованная технология цифровой модуляции компании, используемая в продуктах цифрового питания четвертого поколения. Благодаря этой технологии продукты Renesas для цифрового питания могут соответствовать следующим трем ключевым требованиям к цифровому питанию для современных инфраструктур передачи данных и телекоммуникаций:

1. Высокая пропускная способность

Управление ChargeMode — это цифровое управление режимом напряжения с возможностью достижения широкой полосы пропускания с использованием цифрового компенсатора однотактного отклика (ASCR) (рис. 2). С компенсатором ASCR контур управления будет реагировать на отклонение напряжения за один цикл.

Блок-схема компенсатора, показанная на рисунке 2, имеет два параллельных пути для обработки квантованного напряжения ошибки. Один из них называется «быстрый путь», который измеряет напряжение ошибки чаще, чем «медленный путь». В этой уникальной структуре компенсатора команда рабочего цикла возвращается, чтобы определить эффект быстрого пути и свести на нет эффект быстрого пути в следующих циклах.

Быстрый путь состоит из пропорционального коэффициента усиления (усиления ASCR) K_a, который производит выборку ошибки и обрабатывает рабочий цикл со скоростью nxFsw (в n раз превышающей частоту переключения). Медленный путь производит выборку ошибки с частотой Fsw и обрабатывает рабочий цикл только один раз за цикл переключения. Быстрый путь реагирует на отклонение напряжения пропорционально напряжению ошибки. Медленный путь состоит из функции интегратора с коэффициентом усиления K_i, используемой для усиления низких частот, и функции сброса рабочего цикла с коэффициентом усиления β. Функция сброса рабочего цикла сводит на нет влияние быстрого пути во время переходного процесса, поскольку она возвращает изменение рабочего цикла из-за быстрого пути, а также установившийся рабочий цикл из интегральной функции. Компенсатор упрощается до двухполюсного фильтра с двумя нулями, что обеспечивает стабильность системы с обратной связью.

Управление ChargeMode с цифровым компенсатором ASCR сокращает задержки между моментом выборки ошибок и определением рабочего цикла. Это приводит к естественному фазовому усилению на высоких частотах, что обеспечивает стабильность и делает возможным использование конструкций с высокой пропускной способностью (рис. 3).

Рис. 2. Схема цифровой компенсации ASCR с управлением ChargeMode

Рис. 3. Эффект повышения фазы при управлении ChargeMode с цифровым компенсатором ASCR

2. Без компенсации

Компенсатор ASCR может создать стабильно стабильный контур управления, который нужно только настроить в соответствии со спецификацией полосы пропускания. В широком диапазоне конфигураций выходных фильтров для достижения требуемой полосы пропускания с обратной связью необходимо изменять только коэффициент усиления ASCR. Фактически, в блоке ASCR есть два входа: настройка усиления и невязка. Усиление устанавливает общую скорость переходного процесса, тогда как остаточный фактор является демпфирующим фактором, по существу устанавливающим скорость отклика контура, который может быть важен для получения последней унции производительности. Однако настройка ZL8800 по умолчанию для остаточной стоимости подходит для большинства систем.

3. Поддержка переключения фиксированной частоты

Традиционно гистерезисные контроллеры с режимом напряжения или тока обеспечивают наилучшую реакцию контура, но они имеют недостаток переключения с переменной частотой во время переходного процесса. При управлении ChargeMode частота переключения является фиксированной, чтобы обеспечить жесткий контроль спектра шума в приложениях конечного пользователя.

Преимущества интегральных схем силовых модулей

Рисунок 4. ИС модуля питания и схема его применения

ИС модуля питания предлагают следующие преимущества для разработчиков систем:

Высокоэффективное преобразование энергии

Чтобы обеспечить малый форм-фактор и максимально увеличить выходную мощность, внутренние компоненты и частота переключения тщательно подобраны для достижения высокой эффективности. Кроме того, значительно снижаются потери мощности из-за сопротивления соединения и других паразитных параметров. Таким образом, ИС модулей питания часто имеют более высокий КПД, чем дискретные модули питания при том же уровне мощности.

Небольшая площадь печатной платы и возможность использовать нижний слой для питания

Поскольку требуется всего несколько входных и выходных конденсаторов, модуль питания занимает меньше места для полноценного блока питания. Благодаря низкому профилю модуль питания можно установить на обратной стороне платы, чтобы освободить верхнее пространство для функциональных микросхем.

Нет радиатора

Благодаря хорошо спроектированному корпусу выводной рамы с улучшенными тепловыми свойствами модули питания обладают превосходными тепловыми характеристиками. Тепло, выделяемое внутренними силовыми устройствами и индукторами, может эффективно передаваться наружу через нижнюю часть печатной платы и верхнюю поверхность. Часто радиатор не нужен.

Высокая надежность

При разработке и производстве интегральных схем силовых модулей используется тот же процесс, что и при производстве стандартных интегральных схем. Испытания на надежность, такие как HTOL, температурные циклы, вибрация, термический удар и испытания на электрическую нагрузку, являются частью квалификационных испытаний. При строгом контроле качества блок питания на основе силового модуля имеет гораздо меньше шансов выйти из строя в полевых условиях.

Экономия затрат на разработку нового продукта

Используя ИС модуля питания, разработчики систем могут завершить проектирование систем электропитания для своих продуктов в гораздо более короткие сроки и потратить больше времени на работу по проектированию систем более высокого уровня. Это помогает разработчикам сократить цикл разработки продукта, затраты на НИОКР и время вывода новых продуктов на рынок.

Заключение

Цифровые модули питания с поддержкой PMBus упрощают проектирование высокоэффективных, компактных и интеллектуальных источников питания.

Используя цифровые силовые модули, разработчики систем могут сэкономить место на печатной плате для большего количества функциональных схем, сократить время разработки продукта, снизить затраты на исследования и разработки и быстро выводить новые продукты на рынок. Благодаря цифровому управлению и высокой надежности работа системы может быть оптимизирована для снижения энергопотребления и увеличения срока службы.

Это идеальные продукты для питания ASIC, FPGA, DSP, ЦП и памяти для вычислений, связи, инфраструктуры и промышленных приложений.

Что такое цифровой блок питания? MCU Sanken для цифрового блока питания серии MD660x

Перемещение импульсного источника питания; «Аналоговое управление в цифровое управление»

Потребность в минимизации потерь энергии импульсного источника питания

Импульсный источник питания (переменный/постоянный или постоянный/постоянный ток) является важным требованием в различных областях, таких как промышленность, бытовая техника или автомобилестроение.
Одним из требований импульсного источника питания является преобразование подаваемой мощности в мощность, требуемую нагрузкой, с минимальными потерями и стабильным выходом. Глобальное потепление и энергетические проблемы в последнее время вызывают насущную озабоченность, поэтому ведется поиск технологий, максимально снижающих потери энергии при электроснабжении.

Традиционное «аналоговое управление» ==> Новый подход «Цифровое управление»

Аналоговое управление обычно использовалось для обычных импульсных источников питания для стабилизации выходного напряжения. Для источника питания с аналоговым управлением реакция на изменение нагрузки и эффективность источника питания были улучшены за счет применения различных методов, таких как характеристики усилителей ошибки для компенсации фаз или оптимальный выбор режимов работы в условиях низкой нагрузки.
На С другой стороны, по мере того, как проблемы с энергопотреблением становятся все более серьезными, источник питания, использующий цифровую технологию управления, внедряется как метод достижения новой высокой эффективности.
Цифровой источник питания может управлять преобразователем с использованием новой топологии, которую было трудно достичь. обычным аналоговым управлением. Также большим преимуществом является то, что метод работы или метод управления можно оптимально переключать в зависимости от ситуации путем связи со стороной хоста или стороной нагрузки.
Однако управление цифровым источником питания требует очень быстрого реагирования, потому что представляют собой электрические цепи, поэтому в прошлом был необходим мощный и дорогой DSP (процессор цифровых сигналов).

Просмотреть список продуктов
Микроконтроллеры для цифровых блоков питания

Что такое цифровой блок питания?

Обычный блок питания аналогового управления

Обычный блок питания с аналоговым управлением реализует управление с обратной связью, например, компенсируя фазовые характеристики в контуре обратной связи с помощью усилителя ошибки и регулируя коэффициент заполнения ШИМ-сигнала, указывающий ВКЛ/ВЫКЛ мощного полевого МОП-транзистора, встроенного в преобразователь ( Диаграмма, левая половина).

Этот метод недорогой, но имеет следующие проблемы:

Если необходимо реализовать несколько обнаружений ошибок, размер оборудования будет увеличен.
Существуют ограничения на изменение топологии преобразователя для повышения эффективности.
Понизить выходное напряжение сложно из-за ограничений опорного напряжения на усилителе ошибки.
Для поддержки различных спецификаций необходимо заменить пассивные компоненты.
Чтобы добавить возможность связи или функцию регистрации операций, требуется дополнительное микроконтроллерное устройство.

Цифровой источник питания

Как цифровой блок питания компенсирует фазы с помощью арифметических операций DSP? В этом разделе представлен процесс цифрового управления.

Поток цифрового управления

①Отправляемое обратно выходное напряжение считывается аналого-цифровым преобразователем и преобразуется в цифровое число.
↓
②Выполните фазовую компенсацию с помощью арифметических операций в DSP, чтобы определить необходимый коэффициент заполнения ШИМ.
↓

③Выведите сигнал ШИМ в соответствии с коэффициентом заполнения, определенным на шаге ②.

Форма волны ШИМ шага ③ генерируется цифровой логической схемой. Если разрешающая способность коэффициента заполнения или цикла, которые могут быть заданы, невелика, выходное напряжение пульсирует. Таким образом, следует использовать ШИМ высокого разрешения, обеспечивающий плавную и точную скважность или период цикла.

Эти процессы выполняются многократно в определенном цикле управления. Во многих случаях управление осуществляется синхронно с циклом несущей ШИМ.
Цифровое управление может реализовать гибкую активную обработку в каждом цикле, которая не может быть выполнена аналоговым управлением, поэтому можно ввести более продвинутое управление.

Устройства, необходимые для управления цифровым источником питания

Для управления цифровым питанием необходимы следующие устройства:

Устройства, необходимые для контроля обратной связи

Высокоскоростной высокоточный аналого-цифровой преобразователь
DSP, способный к высокоскоростным вычислениям
ШИМ с высоким разрешением, способный настраивать коэффициент заполнения или плавный цикл.
Компаратор или операционный усилитель для обнаружения перегрузки по току и т. д.

Различная интеллектуальная обработка и обработка сообщений

ЦП
Функция связи
Флэш-память, которую можно свободно перезаписывать как память для хранения программ процессора.

Серия Sanken MD660x оснащена всеми элементами, необходимыми для цифрового питания.

Преимущества цифрового управления электропитанием

Цифровое управление источником питания дает много преимуществ.
Необходимо рассмотреть цифровизацию источника питания, которая может получить наиболее подходящие преимущества в зависимости от приложения из различных выгодных компромиссов.

- Наиболее подходящий режим работы и рабочая частота
выбираются в зависимости от нагрузки.
- Время простоя может быть оптимально изменено в зависимости от нагрузки.
– Контроль коэффициента заполнения для снижения циркулирующего тока.
- Прерывистая работа в условиях небольшой нагрузки.
– Переключение между линейным и нелинейным управлением.
– Изменение порядка приоритета между эффективностью и коэффициентом мощности или
приостановка PFC при небольшой нагрузке

- Фазовая компенсация, которую аналоговое управление не может реализовать.
– Современное дискретное управление, основанное на передовой теории.
– Оптимальное нелинейное управление.

– Поддержка топологий преобразователя, которые трудно реализовать с
аналоговым управлением.
– Синхронное выпрямление и безмостовая конфигурация, обеспечивающие
более высокую эффективность
– Поддержка специальных топологий, с помощью которых можно
минимизировать количество компонентов.

– Фазовая компенсация, позволяющая исключить химические конденсаторы.
- Устранение старения аналоговых схем.
– Уменьшение электромагнитных помех за счет частотной модуляции.

- Он может определять спецификации и устанавливать параметры с помощью программного обеспечения,
которые в прошлом устанавливались пассивными компонентами.
- Спецификации пользовательского блока питания поддерживаются путем записи
соответствующих параметров во флэш-память непосредственно перед отправкой.

– Чтобы увеличить частоту переключений.
– Чтобы включить многофункциональное оборудование, достигаемое за счет аналогового управления, в
программное обеспечение
– Чтобы включить обнаружение ошибок внешнего оборудования, такого как OCP/OVP, в
программное обеспечение

- Высокоточное определение низкого напряжения с помощью аналого-цифрового преобразователя, чего нельзя
достичь с помощью аналогового управления
– Поддержка SoC/FPGA, чье потребление тока сильно и
резко различается, за счет использования высокоскоростного отклика

- Последовательность включения/выключения источника питания может быть установлена произвольно.
– Хранение журнала состояния операции.
- Настройка состояния источника питания с помощью внешних команд.
– Совместная работа с другими источниками питания.

Список продуктов MD660x / Форма запроса

Список продуктов MD660x
Нажмите здесь

Поддержка дизайна
Нажмите здесь

Для запросов используйте форму запроса.

Вопросы или комментарии?

Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам, если вы не можете найти нужный продукт в линейке.

Подача питания на устройство, плату или систему по определению является аналоговой функцией, которая характеризуется такими параметрами, как напряжение, ток и КПД. Тем не менее, повышенная производительность цифрового управления в сочетании с более низкой стоимостью микроконтроллеров с малым количеством выводов делает цифровое управление жизнеспособным вариантом для различных функций электропитания. Но какие функции лучше подходят для цифровых и где лучше остановиться на проверенных аналоговых методах?

Несмотря на стремление к цифровому управлению в основном контуре управления питанием, цифровое управление имеет более широкую функцию в источниках питания. Существует четыре основных уровня цифровой интеграции источников питания.

Уровень I добавляет простые функции, которые сложно выполнить с помощью аналоговых компонентов. Например, 6-контактный микроконтроллер обеспечивает сигнал ШИМ, который линейно изменяется от 0 % до 100 % рабочего цикла, чтобы обеспечить функцию плавного пуска схемы переключателя.

Уровень II обеспечивает вторичную функцию управления более традиционной аналоговой схемой. В этом случае цифровой контроллер отслеживает выходные параметры и использует существующие внешние элементы управления для расширения функциональности источника питания, но контур управления питанием по-прежнему полностью аналоговый. Для этого используются стандартные микроконтроллеры со встроенным аналого-цифровым преобразователем для измерения различных параметров.

Уровень III — это более высокий уровень интеграции, когда схема коммутатора интегрирована в микроконтроллер. Микроконтроллер также управляет переключением и усилением, хотя реализация контура обратной связи по-прежнему преимущественно аналоговая. Для этого требуется более специализированный цифровой контроллер со схемой переключения и различными аналоговыми функциями, встроенными в устройство.

Уровень IV — это полное цифровое управление, при котором все параметры оцифровываются и анализируются контроллером для получения соответствующих выходных данных. Обычно для этого требуется DSP с высокоскоростными аналого-цифровыми преобразователями и выходами PWM.

Подходящий уровень цифровой интеграции зависит от требований дизайна. Большинство этих функций цифрового управления сосредоточены на достижении детерминированного поведения в сложных взаимосвязанных проектах.

Цифровые контроллеры хорошо справляются с принятием решений и обработкой условий "что, если". Когда такие утверждения, как «если напряжение X выше, чем Y, то отрегулируйте Z», описывают схему, лучше всего, чтобы эту функцию выполнял микроконтроллер. Этот вторичный мониторинг параметров источника питания и реагирование на любые исключения составляют большую часть практического использования микроконтроллеров в источниках питания сегодня.

Цифровые контроллеры также хорошо подходят для последовательности событий или любых функций, связанных со временем. Микроконтроллеры работают от часов, что делает измерение времени и выполнение событий в заданное время довольно простыми. Например, изменение уровня защиты от перегрузки по току во время запуска, а затем его повторное регулирование через 20 мс может быть выполнено с помощью конструкции уровня II, в которой используется микроконтроллер с малым количеством выводов и внутренним генератором. Опять же, часть цифрового управления подходит как дополнительная периферийная функция к основному контуру управления источником питания.

После подключения к источнику питания использование цифровых контроллеров дает ряд других преимуществ. Мониторинг и диагностика подачи теперь могут передаваться на остальную часть системы. Поскольку многие новые микроконтроллеры поставляются с данными EEPROM, счетчики событий и журналы могут быть сохранены и извлечены на более позднем этапе, чтобы предоставить ценную информацию об отказах и использовании источника питания. Кроме того, EEPROM удобен для хранения калибровочных значений, которые можно использовать для линеаризации температурного коэффициента или снижения стоимости источника опорного напряжения.

Преимущество использования цифрового управления в источниках питания, которое чаще всего упускают из виду, связано с проектированием и производством источника питания. Возможность изменить поведение, просто перепрограммировав контроллер, увеличивает скорость изменений и, следовательно, время выхода на рынок. Один дизайн можно использовать для разных приложений, просто изменив прошивку. Это приводит к снижению затрат на запасы и меньшему количеству изменений в производственной настройке. Это также позволяет осуществлять электронную (а не ручную) калибровку и отложенную настройку конструкции, обеспечивая существенную экономию средств, помимо списка материалов.

Фани Дювенхаге управляет портфелем микроконтроллеров PIC с малым числом выводов Microchip Technology.Он имеет степень BSEE Университета Претории, Южная Африка, а также степени MBA и MSD Университета штата Аризона.

Введение: настольный блок питания с цифровым управлением

На основе модуля понижающего преобразователя XL4015 реализовано несколько хороших проектов источников питания. Это отличный модуль для проектов такого типа, поскольку он имеет широкий диапазон выходного напряжения и приличный ток. Он также доступен с модулями, которые обеспечивают настройку напряжения с помощью многооборотного потенциометра и дополнительной схемой, позволяющей регулировать ограничение тока.

Разница с этой инструкцией заключается в том, что я сделал цифровое управление настройками ограничения напряжения и тока, а также обеспечил измерение и отображение напряжения и фактического потребляемого тока. Используемый контроллер представляет собой модуль ESP8266, что означает, что он также получает веб-интерфейс и открывает больше возможностей для управления.

Это дает ему следующие возможности:

Выходное напряжение устанавливается в цифровом виде в диапазоне от 1,25 до 19,0 В.
Выходной ток до 5 А (более реалистично 4 А, чтобы избежать отключения из-за перегрева).
Локальное управление ограничением напряжения и тока с помощью поворотных энкодеров, обеспечивающее высокую точность
Локальное отображение напряжения, потребляемого тока и ограничения тока на OLED-дисплее.
Вторичное фиксированное выходное напряжение 3,3 В или 5 В (1,5 А)
Интерфейс браузера для просмотра измеренных значений и установки ограничений по напряжению и току.
Возможность записывать зарегистрированные данные о напряжении и токе в файлы.
Возможность воспроизведения профилей напряжения из файлов и захвата текущих данных.
Браузер также позволяет управлять файловой системой, настраивать ее и обновлять программное обеспечение.

Принадлежности

Шаг 1. Схема и теория

Модуль XL4015 имеет 2 многооборотных потенциометра для регулировки выходного напряжения и ограничения тока.

Регулировка напряжения обычно работает путем изменения потенциометра 10K, который снижает выходное напряжение через резистор 270R, чтобы обеспечить напряжение обратной связи в преобразователе. Это сравнивается с внутренним опорным напряжением 1,25 В и используется для изменения рабочего цикла преобразователя. Так, например, если потенциометр был установлен на 540 Ом, то выходное напряжение установится на уровне 3,75 вольт. Для обеспечения цифрового управления потенциометр устанавливается на более высокое значение, а затем ток подается на резистор 270 Ом с выхода ЦАП через резистор 390 Ом. По мере увеличения выходного сигнала ЦАП требуется меньший ток с выхода через потенциометр, чтобы обеспечить 1,25 В на 270R, и поэтому выходное напряжение падает. С одной стороны, выход ЦАП может обеспечить весь ток, необходимый для получения 1,25 В на резисторе 270 Ом, поэтому необходимое выходное напряжение составляет 1,25 В.

Ограничение тока в модуле XL4015 работает путем контроля тока, потребляемого через шунты 50 мОм. Затем это значение сравнивается с настройкой предельного тока, и операционный усилитель уменьшает понижающий преобразователь, чтобы поддерживать этот ток. Напряжение, необходимое для сравнения, обычно контролируется потенциометром предельного тока через некоторое дополнительное деление резисторов, поскольку необходимый диапазон напряжений довольно мал (0-> 300 мВ). Для обеспечения цифрового управления потенциометр устанавливается на максимум, а затем от ЦАП подается напряжение блокировки. Это отводится делителем 470R/47R, чтобы обеспечить максимальную точность и максимально снизить импеданс блокировки.

За измерения отвечает 4-канальный 16-разрядный АЦП (ADS1115). Это фактически используется в качестве 2-канального дифференциального АЦП для обеспечения большей точности. Одна пара используется для контроля выходного напряжения через отвод 10K/1K. Это вместе с входным диапазоном 2,048 В на АЦП обеспечивает требуемый диапазон и хорошую точность. Другая пара используется для измерения напряжения на токовом шунте 50 мОм XL4015 и, таким образом, для измерения потребляемого тока. Поскольку это довольно маленькое напряжение, АЦП имеет программируемый коэффициент усиления, который используется для повышения точности.

Большинство периферийных устройств — это устройства I2C (АЦП, ЦАП, OLED-дисплей), и они управляются от одних и тех же выводов шины на ESP8266. Поворотные энкодеры представляют собой чистые контакты переключателя, поэтому для каждого из них требуется 2 контакта GPIO.Никаких других преобразований сигнала не требуется, так как это обрабатывается программным обеспечением.

Еще один контакт GPIO используется для управления вентилятором через драйвер MOSFET. ШИМ-модуляция этого контакта позволяет выключать вентилятор или регулировать его скорость.

Питание для электроники обеспечивается мини-понижающим преобразователем, питающимся от основного входного напряжения. Затем он, в свою очередь, регулируется линейным регулятором с малым падением напряжения (xc6203), чтобы обеспечить питание 3,3 В для основной электроники. Мини-преобразователь номинально настроен на 3,4 В, но ползунковый переключатель регулирует настройку, позволяя перейти на 5 В. Это сделано для того, чтобы его выход можно было использовать как вторичный логический источник питания, переключаемый между номинальным напряжением 3,3 В и номинальным значением 5,0 В.

Шаг 2. Создание

На первом рисунке показана задняя часть понижающего преобразователя XL4015 и подключаемые провода.

Меньшие провода показывают соединения с платой.

Белый – линия регулировки напряжения.
Зеленый – линия регулировки текущего ограничения.
Черный – эталонное напряжение 0 В (используется для дифференциальных измерений).
Синий цвет – измерение выходного напряжения.
Желтый – текущее измерение.

Поскольку я использовал разъем питания, я удалил винтовые клеммы на плате (сначала отрезав пластиковый корпус) и припаял два толстых провода напрямую. Припаяйте вторичный заземляющий провод и провода входного напряжения для подключения к остальной электронике. Остальные концы подключаются к разъему питания. Проденьте гнездо домкрата через его отверстие и закрепите на месте с помощью гайки. Установите плату на место с помощью болтов и гаек 2,5 мм.

Основные электронные модули я сконструировал на куске двухсторонней макетной платы (26 x 6 отверстий). На картинке он показан с esp-12 и объявлениями, установленными вместе с регулятором xc6201 и вентиляторным MOSFET слева. Линии i2c проложены вдоль платы для соединения всех модулей. Обратите внимание, что хорошо предварительно запрограммировать ESP8266 с помощью программного обеспечения перед монтажом. Все другие изменения программного обеспечения могут быть внесены с помощью обновлений OTA.

Закрепите вентилятор с помощью болтов.

Приклейте ползунковый переключатель на место.

Прикрепите 4 провода к плате дисплея и приклейте их на место.

Временно подключите мини-понижающий преобразователь к источнику питания и отрегулируйте его выходное напряжение до 3,4 В. Подсоедините провод к контакту обратной связи на преобразователе и попробуйте подключить его к 0 В через резистор 11,2 кОм. Выход должен подняться примерно до 5,3 В. Если нет, попробуйте уменьшить или увеличить это сопротивление. Подсоедините провода к входам и выходам мини-преобразователя и приклейте их. Присоедините резистор 11,2 кОм к одной стороне ползункового переключателя, а 0 В — к другой.

Подсоедините толстые провода к правой паре пружинных клемм, а средние провода к левой паре. Подсоедините толстую пару к винтовым выходным клеммам xl4015, а среднюю пару к выходу мини-бакера. Выходы V и Gnd понижающего преобразователя также должны быть подключены к входу 0V и регулятору на плате электроники.

ЦАП-преобразователи MCP4725 можно добавить к электронике на шине питания и шине i2c на прототипе платы. Для экономии места я отрезал большие монтажные отверстия на этих платах, так как они были избыточными и не имели никаких дорожек или схем.

Подключите вторичную линию заземления со стороны входа XL4015 к мини-понижающему преобразователю и линии 0 В на плате электроники. Подключите вторичный провод ввода питания к положительной стороне вентилятора, а отрицательную сторону вентилятора — к стоку MOSFET переключателя вентилятора.

Прикрепите точки измерения к adc. Vout идет через ответвитель 10k/1k на A0, шунтирующие напряжения идут на A2. A1 и A3 идут на черную землю сзади XL4015. Важно, чтобы эта земля не была связана ни с чем другим. Это позволяет проводить дифференциальные измерения, что важно для измерения напряжения шунта, которое в противном случае могло бы быть нарушено падением общего тока питания на заземляющие провода.

Подключите точки регулировки к ЦАП через их регулировочные резисторы. Регулятор напряжения как раз имеет серию 390Р. Регулятор тока имеет отвод 470R/47R, который можно установить непосредственно на ЦАП.

Подключите дисплей к источнику питания и разъему I2c на конце платы электроники.

После того, как соединение будет завершено и проверено, вы можете наклеить немного двусторонней клейкой ленты на заднюю часть платы электроники, сдвинуть ее вниз и прикрепить к основанию коробки.

Если возможно, рекомендуется прикрепить мини-радиатор поверх основной микросхемы XL4015, чтобы способствовать рассеиванию тепла при более высоких токовых нагрузках.

Папка с документами имеет этикетку PowerPoint, которую можно распечатать и приклеить на лицевую сторону. Две версии этикетки поддерживают типы корпусов 10 мм и 20 мм.

Шаг 3. Программное обеспечение

Он скомпилирован в Arduino IDE и сначала последовательно загружен на плату.

Он поддерживает управление Wi-Fi, что означает, что при первом использовании он откроет сеть портала, к которой можно подключиться и перейти к 192.168.4.1 для настройки локального подключения Wi-Fi.

он также поддерживает обновление OTA путем перехода к ip/прошивке.

Файлы поддержки из папки данных следует загружать по одному, перейдя по ссылке ip/upload.

Программное обеспечение выполняет локальную операцию, отслеживая поворотные регуляторы, выполняя настройки Vand I, выполняя измерения и отправляя их на OLED-дисплей.

Он также поддерживает веб-сервер, который при просмотре IP-адреса покажет интерфейс, показывающий измерения и позволяющий установить предел V и I. Он также дает доступ к статусу и конфигурации и позволяет файловым операциям собирать данные и воспроизводить профили напряжения.

Доступ к файловой системе осуществляется через ip/edit

Обратите внимание, что любые изменения в файле конфигурации вступят в силу только после его перезагрузки. Это происходит при запуске или может быть вызвано просмотром ip/loadconfig

Шаг 4. Калибровка

Есть две формы калибровки; измерения и корректировки.

Измерения довольно просты, так как используемый АЦП имеет хороший эталон, а номинальные калибровочные значения должны давать хорошие результаты. Если вы хотите настроить измерение напряжения, установите низкое напряжение (например, 5 В), а затем высокое напряжение (например, 15 В) и запишите отображаемые значения и значения заведомо исправного вольтметра, подключенного к выходу. Эту разницу можно использовать для настройки значений adcVSlope и adcVOffset в файле конфигурации. Аналогичным образом для стороны тока добавьте нагрузочные резисторы, чтобы обеспечить выходы, скажем, 0,5 А и 2 А, и используйте измеренные и отображаемые значения для настройки значений adcASlope и adcAOffset в файле конфигурации.

Для регулировки настройки зависят от того, как установлены встроенные потенциометры.

Токовая сторона довольно проста, так как потенциометр должен быть на максимуме при вращении по часовой стрелке (не менее 10 оборотов). Теперь номинальные значения предела должны быть достаточно близки. При необходимости их можно настроить с помощью процедуры, аналогичной калибровке измерения. Поставьте короткозамыкатель и амперметр на выходе. Установите нижний предел и обратите внимание на отображаемый предел и фактический ток. Установите более высокий предел и снова не устанавливайте значения. Их можно использовать для настройки dacLSlope и dacLOOffset.

Настройка напряжения немного сложнее, так как зависит от настройки потенциометра. Самый простой способ продолжить — установить определенное напряжение в веб-браузере (например, 12 В), а затем отрегулировать встроенный потенциометр, пока не приблизитесь к отображаемому значению. Номинальные значения регулировки теперь можно проверить, установив низкое напряжение (например, 5,0 В) из веб-интерфейса, а затем высокое напряжение (например, 15,0 В). Любые несоответствия могут быть скорректированы путем настройки значений dacVSlope и dacVOffset. Мне удалось получить заданные значения в пределах 10 мВ по всему диапазону.

Хотя это и не калибровка как таковая, в файле конфигурации также есть строка для управления скоростью вращения вентилятора. Это настроено для поддержки работы вентилятора в выключенном состоянии, на низкой и высокой скорости в зависимости от потребляемого тока.

Шаг 5. Операция

Локальная операция очень проста. Два поворотных регулятора позволяют установить ограничение напряжения и тока, как показано на дисплее.

Поворотные регуляторы настроены так, чтобы обеспечить очень высокое разрешение при медленном их перемещении, но если их вращать быстрее, то скачки увеличиваются в геометрической прогрессии, что позволяет перемещаться по диапазону гораздо быстрее.

Ползунок позволяет изменить выходное напряжение фиксированной логики.

Для веб-управления перейдите к ip. Есть 4 экрана с вкладками.

Главное показывает измерения и позволяет настраивать.

Файлы позволяют записывать измерения и воспроизводить профиль напряжения.

Статус показывает внутренние значения.

Config показывает значения в файле конфигурации и позволяет их изменить.

Читайте также: