Силовая электроника №2'2012

Источники питания с цифровым управлением

Игнатов Сергей

Самоделов Андрей


До недавнего времени стандартным для импульсных источников питания (SMPS) было аналоговое управление. В настоящее время с появлением быстродействующих недорогих цифровых ИС возрастает интерес к системам цифрового управления импульсными источниками вторичного электропитания (ИИЭП). Цифровое управление позволяет оптимизировать операцию управления, повысить КПД, обеспечить линейность регулировки тока нагрузки. Рассказ о конструкции и элементной базе для построения таких усройств в этой статье.

До недавнего времени стандартным для импульсных источников питания (SMPS) было аналоговое управление. В настоящее время с появлением быстродействующих недорогих цифровых ИС возрастает интерес к системам цифрового управления импульсными источниками вторичного электропитания (ИИЭП). Цифровое управление позволяет оптимизировать операцию управления, повысить КПД, обеспечить линейность регулировки тока нагрузки. Простота управления цепью обратной связи источника питания (ИП) делает цифровое управление особенно привлекательным как для неизолированных понижающих многоканальных преобразователей, так и для изолированных источников питания в составе многоюнитных систем с цифровым делением токов. Преобразователи с петлей обратной связи с цифровым управлением могут функционировать как системы анализа работы собственной схемы. Основываясь на измерении параметров системы, устройство может оптимизировать собственный петлевой отклик. Это будет особенно ощутимо в случае необходимости компенсировать большую емкость нагрузки и приведет к увеличению срока службы компонентов. В первой части статьи будет проведено сравнение аналоговых и цифровых методов управления ИИЭП. Во второй части будут рассмотрены вопросы построения эффективных ИИЭП. В третьей части будет дан обзор современных сигнальных контроллеров (DSС) и их основных модулей, используемых для управления петлей обратной связи в ИИЭП.

Типичный импульсный блок питания состоит из диодного моста, выпрямляющего входное напряжение, ключевого каскада, выходного сглаживающего фильтра и цепи обратной связи, регулирующей выходное напряжение и обеспечивающей защиту от перегрузок по напряжению и току. Обратная связь поступает на блок Контроллер, выходной сигнал которого, как правило, имеет , широтно-импульсную (ШИМ) или частотно-импульсную (ЧИМ) модуляцию. Обобщенная блок-схема стандартного импульсного ИП показана на рис. 1.

 Обобщенная блок-схема импульсного источника питания

Рис. 1. Обобщенная блок-схема импульсного источника питания

При регулировании, в зависимости от схемы построения ключевого каскада и типа преобразования (вверх, вниз или в обе стороны), может меняться как ширина импульсов управления, так и их частота. По сути, отличия ИИЭП с аналоговым и с цифровым управлением, если рассматривать упрощенную схему на рис. 1, кроются в реализации блока Контроллер. Блок-схема источника питания с аналоговым управлением показана на рис. 2.

 Типовая блок-схема импульсного источника питания с аналоговым управлением

Рис. 2. Типовая блок-схема импульсного источника питания с аналоговым управлением

Петля обратной связи для стабилизации напряжения содержит: датчик напряжения; усилитель ошибки со сложной цепью обратной связи; синхрогенератор; генератор пилообразных импульсов, сумматора/вычитателя, датчика тока, компаратора и RS-триггера, которые образуют ШИМ. Для сравнения на рис. 3 показана блок схема источника питания с цифровым управлением.

 Типовая блок-схема импульсного блока питания с цифровым управлением

Рис. 3. Типовая блок-схема импульсного блока питания с цифровым управлением

Здесь петля обратной связи состоит из датчика напряжения, АЦП, цифрового компаратора, 2z2p-контроллера, блока масштабирования и компенсатора наклона, ЦАП, датчика тока, компаратора, схемы бланкирования схемы ограничения тока и управляющего ШИМ. Согласно рисунку, схема получается достаточно сложная, и ее реализация на дискретных компонентах, очевидно, будет дорогостоящей. Поэтому до появления недорогих быстродействующих микроконтроллеров для обработки смешанных сигналов ИП с цифровым управлением были мало распространены.

Каждый тип управления имеет свои достоинства и недостатки, их перечень приведен в таблице 1.

Таблицa 1. Сравнение аналогового и цифрового управления импульсными источниками питания

  Аналоговое управление Цифровое управление
+ • Непрерывная работа (бесконечная частота дискретизации).
• Проще понимание/использование.
• Низкая потребляемая мощность.
• Доступны однокристальные решения (интегрированный драйвер).
• Исторически более низкая стоимость.
• Устойчиво к влиянию внешней среды (температура, дрейф, помехи и т. д.).
• Графический пользовательский интерфейс (GUI), возможность изменить и сохранить параметры управления/более гибкое решение, возможность выполнить автокалибровку.
• Высокая точность/предсказуемое поведение.
• Возможность более продвинутого управления (нелинейность, многоканальность).
• Может отрабатывать множество обратных связей и дополнительных функций.
- • Температурные дрейфы компонентов/нестабильность.
• Технологический разброс значений компонентов.
• «Зашитый» функционал/отсутствие гибкости.
• Ограничение классической теорией управления.
• Большое количество компонентов в сложных системах.
• Ограничения пропускной способности (связанные со скоростью измерения).
• Дискретность ШИМ.
• Проблемы с представлениями чисел (квантование, округление и т. д.).
• Сложности выбора сигнального контроллера (DSC) — АЦП, ШИМ (разрядность, скорость, цена).
• Ограничения быстродействия ЦПУ.
• Необходимость дополнительного источника питания и интерфейсов управления.

Указанные в таблице 1 особенности позволяют резко сократить количество деталей в источниках питания с цифровым управлением, а постоянное совершенствование микроконтроллеров нивелирует указанные недостатки. На сегодня стоимость цифровой системы управления практически совпадает со стоимостью аналоговой даже для простых одноканальных источников питания. В многоканальных источниках питания выигрыш в стоимости решения с цифровым управлением абсолютный.

Семейство микроконтроллеров C2000

До появления микроконтроллеров реального времени семейства C2000 от TI было достаточно сложно выбрать компоненты для источника питания с цифровым управлением. Микроконтроллеры C2000 имеют 32-разрядное ядро, TMS320C28x™ имеет однотактовый 32х32-разрядный аппаратный умножитель и однотактовое выполнение атомарных инструкций. Уникальные, нацеленные на будущее периферийные модули включают распараллеленные АЦП с производительностью до 12,5 MSPS (Delfino), ШИМ с высоким разрешением, расширенные блоки захвата и многое другое. Кроме того, для микроконтроллеров C2000 имеются уникальные средства разработки, основанные на управляющих модулях controlCARD и мощном пакете поддержки разработок controlSUITE™. С помощью этого набора инструментов можно исследовать широкий диапазон готовых решений и конфигураций, чтобы найти наиболее совершенное решение для собственных разработок.

На рис. 4 показано развитие семейства микроконтроллеров C2000. В настоящее время оно состоит из трех подсемейств: микроконтроллеров Piccolo начального уровня для приложений, чувствительных к стоимости; мощных сигнальных процессоров Delfino для управления сложными многоканальными системами и приводами; двухъядерных микроконтроллеров Concerto, обеспечивающих независимый обмен данными и реализацию алгоритмов управления.

 Развитие семейства микроконтроллеров C2000

Рис. 4. Развитие семейства микроконтроллеров C2000

32-разрядные микроконтроллеры Piccolo: оптимальное соотношение цена/производительность

Семейство Piccolo микроконтроллеров TMS320F2802x/2803x/2806x обеспечивает недорогое, высоко интегрированное процессорное решение, позволяющее реализовывать управление в реальном времени с высокой интенсивностью вычислений. Процессоры Piccolo могут работать на частотах до 80 МГц и имеют до 256 кбайт интегрированной flash-памяти, специализированные ШИМ высокого разрешения, производительные АЦП, аналоговые компараторы и интерфейсы обмена данными. Интегрированная поддержка операций с плавающей точкой приводит к легкости реализации сложных алгоритмов. Дополнительный ускоритель законов управления (Control Law Accelerator, CLA) обеспечивает реализацию цепей обратной связи, независимых от центрального процессора, и имеет прямой доступ к результатам преобразования АЦП и модулю ШИМ. Дополнительный модуль вычисления полиномов Витерби и выполнения операций с комплексными числами (Verterbi Complex Math Unit, VCU) позволяет создавать PLC-приложения и значительно ускоряет выполнение операций с комплексными числами. Для увеличения производительности, и простоты использования в MCU F2806x имеется сопроцессор арифметики с плавающей точкой (FPU). Наличие микросхем в корпусах с различным количеством выводов и с различным набором периферийных модулей обеспечивает процессоры семейства Piccolo превосходной комбинацией производительности, интеграции, размера корпусов и низкой стоимости.

Микроконтроллеры Concerto: бескомпромиссное сочетание возможностей обмена данными и управления

Микроконтроллеры F28M35x семейства Concerto обладают превосходным сочетанием возможностей обмена данными и управления за счет комбинации ядер ARM Cortex-M3 и C2000 C28x в одной микросхеме. MCU Concerto позволяют таким приложениям, как инверторы солнечных электростанций и системы промышленного управления, сохранять преимущества независимого обмена данными и управления за счет наличия двух независимых ядер в одном кристалле. Тактовая частота в MCU Concerto может достигать 150 МГц для ориентированного на управление ядра C28x и 100 МГц для коммуникационного ядра ARM Cortex-M3. До 1 Мбайт flash-памяти и до 132 кбайт RAM, широкий набор интерфейсов обмена данными, включая Ethernet, USB, CAN, I2C, SPI, SCI и McBSP, обеспечивают низкую стоимость систем, возможность сертификации по требованиям безопасности.

Перейдем к рассмотрению принципов создания источников питания.

Основные топологии построения AC/DC- и DC/DC-преобразователей

В зависимости от типа входного напряжения, мощности блока питания, частоты преобразования и характера нагрузки используются различные топологии построения блоков питания. В таблице 2 приведены основные топологии классических импульсных AC/DC-, DC/DC-преобразователей напряжения.

Таблица 2. Основные топологии классических импульсных преобразователей напряжения

Базовая топология преобразователя Упрощенная схема преобразователя Диапазон мощностей
Понижающий (Buck)
Низкая–средняя
Повышающий (Boost)
Низкая–средняя
Понижающе-повышающий (Buck-Boost)
Низкая–средняя
Обратноходовой (Flyback)
Низкая
Прямоходовой (Forward)
Низкая-средняя
Cuk
Низкая–средняя
Sepic
Низкая-средняя
Zeta
Низкая-средняя

Технологии не стоят на месте, топологии усовершенствуются для увеличения КПД и улучшения соотношения мощность/объем. Такие решения не всегда бывают выгодными по цене и зачастую являются более сложными в реализации, но дают те самые 1–5% прироста КПД, которые позволяют иметь преимущества на рынке. Примерами из таких решений являются резонансный LLC-преобразователь и безмостовой ККМ. На рис. 5 показана типовая блок-схема резонансного LLC-преобразователя.

 Блок-схема типичного резонансного полумостового LLC-преобразователя

Рис. 5. Блок-схема типичного резонансного полумостового LLC-преобразователя

Преимуществами этой топологии являются благоприятные моменты переключения и, как следствие, сравнительно малые потери мощности на силовых приборах, невысокий уровень и узкий спектр помех, что позволяет упростить выходные фильтры и получить дополнительные проценты КПД.

На рис. 6 показана упрощенная схема безмостового ККМ. За счет использования в выпрямителе вместо двух диодов управляемых резисторов на основе MOSFET в данной схеме, по сравнению с обычной топологией Boost PFC, уменьшаются потери мощности.

 Упрощенная схема безмостового ККМ

Рис. 6. Упрощенная схема безмостового ККМ

Для примера (ККМ на 270 Вт), вычисления в MathCAD дают потери 5,5 Вт в выпрямительном мосте и 2,26 Вт в MOSFET. При этом КПД достигает 95,3%. В безмостовом ККМ потери имеются только в MOSFET и составляют 5,18 Вт, при этом КПД возрастает до 96,1%.

Перейдем к рассмотрению вопросов выбора контроллера для цифрового управления ИИВЭП.

Выбор контроллера для цифрового управления ИИВЭП

Для построения схем цифрового управления импульсными источниками питания наиболее подходящими являются цифровые сигнальные процессоры (DSP) семейства C2000 на базе ядра C28 корпорации Texas Instruments. Они обладают большим быстродействием, невысоким энергопотреблением, хорошим соотношением цена/производительность и могут работать в реальном масштабе времени. Для этих процессоров имеется большое количество образцов разработок, программных и аппаратных средств разработки и отладки. Кроме того, ядро C28 используется в двухъядерных микроконтроллерах семейства Concerto, которые за счет второго ядра Cortex-M3 обладают превосходными коммуникационными возможностями, позволяющими реализовывать управление по стандартным промышленным шинам: CAN, LIN, RS-485 и Ethernet.

Периферийные модули микроконтроллеров С2000, используемые для создания ИП с ЦУ

Для создания петли обратной связи ИИВЭП с цифровым управлением прежде всего необходимы АЦП и ШИМ. Для управления одиночными ключами одноканальных источников питания великолепно подходит модуль ШИМ с высоким разрешением (HRPWM). При необходимости управлять сложными многоканальными источниками питания или многофазными мостовыми и полумостовыми схемами следует обратить внимание на модуль расширенного ШИМ (ePWM), который способен вырабатывать сложный многофазный сигнал с общей синхронизацией. Кроме того, при построении системы управления на микроконтроллерах C2000 для повышения производительности рекомендуется использовать такие блоки, как акселератор законов управления (CLA) и блок VCU для комплексной арифметики и вычисления контрольных сумм (CRC). Далее будет рассмотрен каждый из этих блоков.

Аналого-цифровой преобразователь (ADC) контроллеров Piccolo

Модуль АЦП представляет собой 12-разрядный конвейерный аналого-цифровой преобразователь. В его состав входят аналоговые мультиплексоры (MUX), два устройства выборки-хранения (S/H), ядро преобразователя, стабилизаторы напряжения и другие аналоговые схемы. Цифровая часть преобразователя содержит программируемый контроллер последовательности выбора каналов (sequencer), регистры результата, интерфейс к аналоговым схемам, интерфейс к периферийной шине и к другим внутренним модулям.

Модуль АЦП имеет 16 каналов, которые можно сконфигурировать как два независимых восьмиканальных модуля для обслуживания ePWM или использовать каскадное включение двух восьмиканальных модулей для получения одного 16-канального. Каждый из восьмиканальных модулей имеет собственную схему выборки-хранения, что позволяет запоминать одновременно два входных аналоговых сигнала. Результат преобразования запоминается в одном из 16 регистров ADCRESULTn, соответствующих выбранному входному каналу. Несмотря на множество входных каналов и два контроллера преобразования, в модуле АЦП имеется только один преобразователь. На рис. 7 показана блок-схема модуля АЦП.

 Блок-схема модуля АЦП

Рис. 7. Блок-схема модуля АЦП

АЦП имеет высокую производительность, достигающую 4,5 MSPS. При использовании внутреннего ИОН напряжение на входе АЦП может меняться в диапазоне 0–3,3 В. При этом цифровое значение аналогового входного сигнала описывается формулой:

АЦП допускает использование различных источников сигнала запуска преобразования (start-of-conversion, SOC): программный; запуск от ШИМ ePWM 1-6; по внешнему прерыванию XINT2 от линий GPIO. Гибкое управление прерываниями позволяет формировать прерывание по каждому сигналу конца преобразования (end-of-sequence, EOS). Контроллер выборок может работать в режиме «старт/стоп», позволяя организовывать различные «временные последовательности» для синхронизации преобразования.

АЦП может работать в режиме автоматического преобразования. При этом, когда АЦП принимает запрос начала преобразования SOC, он может самостоятельно выполнить несколько преобразований. Для каждого из преобразований с помощью аналогового мультиплексора MUX может быть выбран один из 16 доступных входных каналов. После преобразования цифровое значение сигнала в выбранном канале записывается в соответствующий регистр результата (ADCRESULTn). Сигнал одного канала можно обрабатывать несколько раз подряд, что позволяет повысить разрешающую способность по сравнению с однократным преобразованием.

Выбор каналов АЦП для преобразования осуществляется с помощью специального контроллера, который состоит из двух независимых контроллеров на восемь состояний (SEQ1 и SEQ2). Контроллер выборок АЦП может работать в режиме одновременной выборки (в конфигурации 2×8 выборок) или последовательной выборки (в конфигурации 16 выборок). Для каждого преобразования (или пары преобразований в режиме одновременной выборки) текущее значение битового поля CONVxx определяет вывод (или пару выводов), для которого будут осуществляться выборка и преобразование. В режиме последовательной выборки все четыре бита CONVxx определяют входной вывод. Старший бит (MSB) определяет, какая из двух схем УВХ будет использована для выборки сигнала, а три младших бита (LSB) задают смещение (номер канала). В режиме непрерывного преобразования MSB регистра CONVxx не используется. Каждая схема УВХ выбирает сигнал с вывода, задаваемого значением трех младших битов (LSB) регистра CONVxx.

Широтно-импульсные модуляторы

В процессорах семейства C2000 имеется два типа ШИМ: с высокой разрешающей способностью (HRPWM) и расширенный (ePWM). HRPWM можно использовать для управления одноканальным однотактным прецизионным преобразователем. ePWM, который имеет несколько комплементарных пар каналов, допускающих работу в синхронном режиме, можно использовать для управления сложными многоканальными источниками питания или многофазными мостовыми и полумостовыми схемами. Блок-схема модуля HRPWM (ШИМ с высоким разрешением) показана на рис. 8.

 Блок-схема модуля HRPWM

Рис. 8. Блок-схема модуля HRPWM

Модуль ePWM

Периферийный модуль ePWM используется для выполнения функции, которая математически эквивалентна цифро-аналоговому преобразованию (ЦАП). Как показано на рис. 9, где TSYSCLKOUT = 10 нс (т. е. тактовая частота 100 МГц), эффективное разрешение для обычного способа генерации сигнала с ШИМ является функцией частоты ШИМ (или периода) и тактовой частоты.

 Вычисление разрешения для обычного способа генерации сигнала с ШИМ

Рис. 9. Вычисление разрешения для обычного способа генерации сигнала с ШИМ

Модуль HRPWM

Если необходимая частота работы ШИМ не обеспечивает достаточное разрешение, то может возникнуть необходимость использовать ШИМ с высоким разрешением (HRPWM). Хотя приложения могут отличаться одно от другого, для типичного значения нижней частоты работы ШИМ (менее 40 кГц) может не потребоваться HRPWM. Возможности HRPWM наиболее востребованы в высокочастотных ШИМ, необходимых для следующих топологий преобразования мощности:

  • однофазные понижающие (buck), повышающие (boost) и обратноходовые (flyback);
  • многофазные понижающие (buck), повышающие (boost) и обратноходовые (flyback);
  • мостовые со сдвигом фаз;
  • усилители класса D с непосредственной модуляцией.

Описание работы

Работа HRPWM основана на технологии микропозиционирования фронта (MEP). Логика MEP может осуществлять очень точное позиционирование фронта импульса путем деления ширины тактового импульса обычного ШИМ-генератора на равные части. При таком делении точность временного шага может достигать 150 пс. Модуль HRPWM имеет также режим программной самодиагностики для проверки оптимальности работы логики MEP для всех рабочих условий.

На рис. 10 показано соотношение между грубым позиционированием фронта импульса системной тактовой частоты и позиционированием фронта импульса в терминах шагов MEP, которое управляется 8-битовым полем регистра расширения для Compare A (CMPAHR).

 Логика работы с использованием MEP

Рис. 10. Логика работы с использованием MEP

Для настройки HRPWM вначале надо сконфигурировать регистры TBM, CCM и AQM, как будто необходимо сгенерировать обычный ШИМ-сигнал заданной частоты и полярности.

Конфигурирование

После того как ePWM сконфигурирован, чтобы задать частоту и полярность сигнала обычного ШИМ, HRPWM конфигурируется путем программирования регистра HRCNFG, расположенного по адресу смещения 20h. Этот регистр обеспечивает настройки для следующих ключевых режимов работы:

  • Режим фронта (Edge Mode). MEP программируется, чтобы обеспечить прецизионное управление положением нарастающего фронта (RE), спадающего фронта (FE) или одновременно обоих фронтов (BE). Режимы FE и RE используются для топологий источников питания, в которых необходимо управлять шириной импульсов, в то время как режим BE используется для топологий, в которых необходим фазовый сдвиг, например мостовых схем со сдвигом фаз.
  • Режим управления (Control Mode) MEP программируется для управления от регистра CMPAHR (управление коэффициентом заполнения) или от регистра TBPHSHR (управление фазой). В режиме управления RE или FE используется регистр CMPAHR. В режиме управления BE используется регистр TBPHSHR.
  • Теневой режим (Shadow Mode). Этот режим обеспечивает некоторую функцию затенения (двойной буферизации), как и стандартный режим ШИМ. Данная функция допустима только при работе от регистра CMPAHR и должна выбираться такой же самой, как функция обычной загрузки регистра CMPA. При использовании TBPHSHR эта настройка не имеет силы.

Ограничения на диапазон коэффициента заполнения

В режиме высокого разрешения MEP неактивен для 100% периода ШИМ. Он становится работоспособным:

  • через три такта частоты SYSCLK после начала периода при выключенной диагностике;
  • через шесть тактов частоты SYSCLK после начала периода при включенной SFO-диагностике.

Эти ограничения устанавливают предел на минимальный коэффициент заполнения MEP. Например, прецизионное управление недоступно при коэффициенте заполнения, приближающемся к 0%. Хотя для первых трех или шести тактов возможности HRPWM недоступны, обычное управление коэффициентом заполнения остается возможным вплоть до значения 0%. В большинстве приложений это не должно вызывать затруднений, поскольку обычно система управления не проектируется для работы с коэффициентом заполнения, близким к 0%.

Если для приложения необходима работа HRPWM в области коэффициента заполнения, близкого к нулю, то HRPWM можно сконфигурировать для работы в вычитающем (Count-Down) режиме с управлением положением нарастающего фронта (REP) посредством MEP при отключенной функции формирования периода с высоким разрешением (HRPCTL[HRPE] = 0). В этом случае ограничение на минимальное значение коэффициента заполнения не вызывает больше затруднений. Однако теперь будет ограничение на максимальное значение коэффициента.

Программа оптимизации масштабных коэффициентов (SFO) для MEP

Логика микропозиционирования фронта (MEP) позволяет располагать фронт на одном из 255 временных шагов. Размер этих шагов может быть 150 пс и может зависеть от условий работы микросхемы, таких как температура кристалла и напряжение питания: увеличивается при уменьшении напряжения питания и росте температуры и уменьшается при увеличении напряжения питания и понижении температуры. Приложения, где применяется HRPWM, должны использовать программные функции оптимизатора масштабных коэффициентов (SFO) MEP, предлагаемые TI. Функции SFO помогают динамически определять количество шагов MEP в периоде частоты SYSCLKOUT при работе HRPWM.

Каждый модуль HRPWM имеет встроенные функции самокалибровки и самодиагностики, которые можно использовать для определения оптимального значения MEP_SF при любых условиях функционирования.

Многофазная архитектура ШИМ позволяет на аппаратном уровне реализовывать схемы управления полумостовыми, мостовыми и многофазными инверторами (рис. 11–13).

 Управление полумостовым инвертором

Рис. 11. Управление полумостовым инвертором
 Управление мостовым инвертором

Рис. 12. Управление мостовым инвертором
 Управление многофазным инвертором

Рис. 13. Управление многофазным инвертором

Многоканальные ШИМ у многих производителей привязаны к одному счетчику, и временные диаграммы получаются только за счет различных порогов срабатывания цифровых компараторов. У микроконтроллеров TI каждая комплементарная пара выходов имеет собственный счетчик, причем все они могут работать как в синхронном, так и в независимом режиме. Такое решение, в частности, позволяет надежно формировать импульсы запуска преобразования для модулей АЦП.

Технология Trip-Zone

Для ограничения тока и отключения выходов ШИМ при аварийных ситуациях служит технология Trip-Zone (рис. 14), которая позволяет регулировать ширину импульсов или переводить выходы ШИМ в заранее заданное программное состояние с помощью сигналов, подаваемых на специальные выводы. Эти сигналы непосредственно управляют работой ШИМ, минуя процессорное ядро, что обеспечивает минимальное время реакции на внешние события. По условиям возникновения аварийной ситуации формируется прерывание, которое позволяет осуществлять программную обработку внештатной ситуации.

 Технология Trip-Zone

Рис. 14. Технология Trip-Zone

При использовании процессорного управления ШИМ задержки, связанные с обработкой прерываний, не дадут возможности вовремя перевести ключи в безопасное состояние. Trip-Zone имеет быстрый независимый от тактирования путь для перевода комплементарных выходов EPWMxA/B в заданное состояние. Trip-Zone поддерживает одиночное срабатывание и ожидание отработки программы для определения дальнейших действий (режим One-Shot) и срабатывание в каждом цикле для режима ограничения тока (режим Cycle-by-Cycle).

Сигнал на вход Trip-Zone может подаваться со встроенных аналоговых компараторов (рис. 15). Сигнал на компаратор может заводиться, например, с датчика тока, а опорой для него может служить встроенный в Piccolo 10-битный ЦАП. Это позволяет программно менять пороги срабатывания токоограничения или токовой защиты, увеличивая гибкость решения и в то же время уменьшая количество внешних компонентов. Таких компараторов в Piccolo может быть до трех штук.

 Применение встроенных аналоговых компараторов в технологии Trip-Zone

Рис. 15. Применение встроенных аналоговых компараторов в технологии Trip-Zone

Микроконтроллеры C2000 имеют дополнительные периферийные модули, ускоряющие выполнение алгоритмов управления. Далее дается их краткий обзор.

Акселератор законов управления (CLA)

Модуль CLA выполняет критически важные по времени алгоритмы управления параллельно основному ядру С28х и имеет управляемую прерываниями архитектуру, которая может обрабатывать прерывания от АЦП, ШИМ и таймера, имеет низкое время отклика и обеспечивает простое чтение «мгновенного» результата АЦП. CLA уменьшает задержки вход/выход (jitter), обеспечивает быстрое выполнение алгоритмов управления, улучшает устойчивость системы управления и освобождает ядро C28x для других задач (обмен данными, мониторинг).

Модуль VCU

VCU служит для ускорения сложных математических расчетов и содержит три основных блока:

  • Модуль работы с полиномами Витерби (VU). Используется при фильтрации шума для коммуникационных стандартов и оптимизирован для Витерби-декодирования, отслеживания аппаратных ошибок. Модуль дает 7,5-кратный выигрыш при свертывании матриц и в пять раз быстрее отслеживает ошибки.
  • Арифметический блок (AU). Полезен для быстрого преобразования Фурье. Поддерживает операции с комплексной арифметикой и расчет БПФ. На перемножение двух комплексных чисел необходимо всего два такта и один такт для их сложения. Обеспечивает троекратное ускорение для 16-разрядного БПФ.
  • Блок CRC (CU). Используется для верификации данных. Может вычислять CRC8, CRC16 и CRC32 для данных, находящихся в памяти. Производит побайтный расчет CRC и обеспечивает 25-кратное увеличение производительности при аппаратных расчетах по сравнению с программными с поддержкой целостности данных.

TI controlSUITE

Микроконтроллеры TMS320C2000 широко используются в системах питания с ЦУ — от блоков питания телекоммуникационной аппаратуры до неизолированных DC/DC-преобразователей источников возобновляемой электроэнергии, таких как солнечные и ветровые электростанции и в гибридных электромобилях.

Микроконтроллеры C2000 оптимизированы для использования в управляющих системах реального времени, таких как цифровые источники питания, за счет интегрированного быстродействующего АЦП и расширенной технологии генерации ШИМ-сигналов совместно с высокопроизводительным 32-разрядным центральным процессором. ШИМ C2000 позволяет устанавливать параметры модуляции с точностью 150 пс и обладает гибкостью для поддержки любых топологий силовой ступени ИИВЭП. Для наиболее полного использования возможностей микроконтроллеров C2000 корпорация TI разработала пакет controlSUITE.

Бесплатное программное обеспечение для работы с аппаратными средствами микроконтроллеров реального времени C2000 controlSUITE представляет собой комплексный набор элементов программной инфраструктуры и программных средств, которые значительно сокращают время разработки программного обеспечения. Пакет controlSUITE включает все необходимые инструменты, начиная с библиотек драйверов для различных устройств и вспомогательных программных модулей и заканчивая полноценными типовыми примерами для сложных системных приложений, которые могут использоваться на всех этапах разработки и оценки программного обеспечения. В нем содержится большое количество документации, библиотек функций, примеров использования и готовых решений для микроконтроллеров на базе ядра C2000, которые постоянно обновляются (рис. 16).

 Структура controlSUITE

Рис. 16. Структура controlSUITE

Все проекты примеров можно одним кликом мышки открыть в интегрированной среде разработки Code Composer Studio v4.0 или 5.0 для компиляции и загрузки в целевую аппаратную платформу.

Средства разработки и отладки ИП с ЦУ от TI

Корпорация TI выпускает ряд наборов для изучения принципов работы различных источников питания с цифровым управлением. Краткое описание наборов для изучения ИИВЭП общего назначения приведено в таблице 3. Для большинства наборов предоставляется полный комплект конструкторской документации (КД). Все наборы имеют открытое программное обеспечение, доступное в controlSUITE.

Таблица 3. Краткое описание наборов для изучения ИИВЭП общего назначения

Наименование для заказа Набор Описание
TMDSHVPSFBKIT
Набор для изучения высоковольтного мостового DC/DC-преобразователя Вход: 390 В постоянного тока.
Выход: стабилизированный 12 В.
Мостовой преобразователь со сдвигом фазы.
Поддерживает управление в режиме пикового тока и синхронное выпрямление. Управление от одного процессора Piccolo.
TMDSHVPFCKIT
Набор инструментов для разработки высоковольтного ККМ Вход: сетевое напряжение.
Выход: 390 В DC.
Двухфазный ККМ с использованием одного TMS320F28027. Для этого набора не требуется внешний JTAG-эмулятор.
TMDSHVBLPFCKIT
Набор для разработки высоковольтного безмостового ККМ с цифровым управлением На базе TMS320F28035. Для этого набора не требуется внешний JTAG-эмулятор.
TMDSRESDCKIT
Низковольтный набор для разработки резонансного DC/DC-преобразователя Оценочный модуль резонансного LLC DC/DC-преобразователя с одним дросселем на базе управляющей карты TMS320F2808 controlCARD. Для этого набора не требуется внешний JTAG-эмулятор.
TMDSHVRESLLCKIT
Набор для разработки высоковольтного резонансного LLC Высокоэффективный резонансный DC/DC-источник питания, управляемый Piccolo TMS320F28027, поддерживающий входное напряжение до 400 В.
TMDSDCDC2KIT
Набор для экспериментов DC/DC с цифровым управлением Источник питания с цифровым управлением и двумя независимыми каналами на базе управляющей карты TMS320F2808 contorlCARD.
TMDSDCDC8KIT
Набор для экспериментов DC/DC с цифровым управлением Источник питания с цифровым управлением и восемью независимыми каналами на базе управляющей карты TMS320F28044 controlCARD.
TMDSSOLARPEXPKIT
Низковольтный оценочный набор для исследования преобразователей солнечной энергии Неизолированный преобразователь ~50 Вт.
PV-эмулятор (Buck-Boost).
DC/DC-преобразователь для MPPT (1 импульсный Boost).
Инвертор (Full Bridge) 24 В AC выход.
Изолированный JTAG-интерфейс.
TMDSHV1PHINVKIT
Набор для разработки высоковольтного однофазного инвертора Варианты на базе TMS320F28035 (Piccolo).
Варианты на базе XF28M35H52 (Concerto):
– вход — 400 В DC;
– КПД >96%;
– возможность переключения 110/220 В AC на выходе;
– графический интерфейс (USB и Ethernet);
– управление и мониторинг по Ethernet (для версии Concerto MCU);
– изолированный JTAG-интерфейс.
TMDSHVMPPTKIT
Изолированный преобразователь для солнечной панели Изолированный преобразователь для солнечной панели с контроллером слежения за точкой максимальной мощности (MMPT):
200~350 В DC входной PV-стек; изолированная конструкция ~500 Вт (двухсторонняя PCB);
сдвоенный контроллер (первичный/вторичный); DC/DC для MPPT (2 ключа IL Boost);
ISO-DC/DC (резонансный LLC); изолированный JTAG.

Литература

  1. 32 bit Real-time C2000™ Microcontrollers. http://www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/32-bit_c2000/overview.page
  2. SPRU812. TMS320x2833x, 2823x Analog-to-Digital Converter (ADC). Reference Guide. http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=spru812&track=no
  3. SPRUG02. TMS320x2833x, 2823x High Resolution Pulse Width Modulator. Reference Guide. http://www.ti.com/lit/ug/sprug02b/sprug02b.pdf
  4. SPRUG04. TMS320x2833x, 2823x Enhanced Pulse Width Modulator (ePWM) Module. Reference Guide. http://www.ti.com/lit/ug/sprug04a/sprug04a.pdf
  5. SPRUGE6B. TMS320x2803x Piccolo Control Law Accelerator (CLA). Reference Guide. http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=spruge6b&fileType=pdf
  6. SPRC530. C2833x/C2823x C/C++ Header Files and Peripheral Examples. http://www.ti.com/tool/sprc530
  7. SPRUFB8. TMS320x2833x, 2823x Direct Memory Access (DMA). Reference Guide. http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=SPRUFB8&fileType=pdf
  8. SLUA622. Digital Loop Exemplified. http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=slua622&fileType=pdf
  9. SLUA582A. Feedback Loop Design of an LLC Resonant Power Converter. http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=slua582a&fileType=pdf
  10. SLUA517. UCC28070 Implement Bridgeless Power Factor Correction (PFC) Pre-Regulator Design. http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=slua517&fileType=pdf
  11. Comparison of Basic Converter Topologies for Power Factor Correction. Huaiwei. http://floridapec.engr.ucf.edu/publications/conferences/ieee_se/conf_ten.pdf
  12. controlSUITE. http://www.ti.com/ww/ru/embedded/controlsuite/index.html
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_02_54.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо