Применение микропроцессоров в системах управления транзисторных преобразователей напряжения

№ 4’2005
PDF версия
В статье рассмотрены требования, предъявляемые к системам управления современных транзисторных преобразователей напряжения. Проведено сравнение существующей аналоговой, а также смешанной и полностью цифровой системой управления. Показаны возможности выпускаемых микроконтроллеров, применимых в преобразовательной технике. Кроме того, приведены данные испытаний преобразователей напряжения, использующих микроконтроллеры серии AVR фирмы Atmel в системе управления.

Валерий Мелешин
Денис Овчинников

Одним из актуальных направлений развития современных источников питания является построение транзисторных импульсных преобразователей напряжения сети в постоянное (транзисторном преобразователе напряжения). Такие устройства при современных требованиях к коэффициенту мощности и содержанию гармоник тока потребляемого от сети, как правило, выполняются с двумя ступенями преобразования энергии и содержат в силовой части корректор коэффициента мощности (ККМ) и DC-DC преобразователь напряжения.

Система управления транзисторным преобразователем напряжения является его составной частью, выполняя большое количество функций, сложность и число которых непрерывно возрастают. Сравнительно новым для отечественных разработок является требование обеспечения работы блока от так называемой широкой (универсальной) сети с диапазоном напряжения одной фазы 85-265 В, причем в ряде случаев требование к верхнему пределу может возрастать вплоть до 300 В. Другим возможным требованием может быть снижение максимальной мощности транзисторного преобразователя напряжения при повышении температуры окружающей среды по сравнению с указанной в технических условиях. Система управления содержит большое число различных блоков и занимает значительное место в конструкции транзисторного преобразователя напряжения.

Из сказанного следует, что к разработке и проектированию управляющей части транзисторного преобразователя напряжения необходимо подходить с не меньшей тщательностью, чем к задачам построения силовой части.

Цель данной статьи — показать и сравнить между собой возможные принципы построения систем управления транзисторным преобразователем напряжения от традиционных до перспективных.

Перечислим основные функции, выполняемые системой управления:

  • Стабилизация выходного напряжения, тока или мощности.
  • Формирование вида требуемой выходной характеристики.
  • Обеспечение требуемой зависимости максимальной выходной мощности от уровня напряжения в сети.
  • Снижение пульсаций напряжения на выходе в заданных диапазонах частот, а также псофометрического шума до значений, устанавливаемых стандартами.
  • Выравнивание выходных токов при параллельной работе устройств.
  • Формирование процесса запуска во времени с определенной очередностью подключения ступеней силовой части.
  • Обеспечение быстродействующих защит:
    — по входному току ККМ;
    — по току первичной стороны DC-DC преобразователя напряжения.
  • Обеспечение «медленных» защит:
    — по максимальному выходному напряжению ККМ и DC-DC преобразователя напряжения;
    — по предельным значениям сетевого напряжения;
    — по максимальной температуре некоторых компонентов силовой части;
    — по току нагрузки.
  • Включение и выключение, индикация некоторых параметров работы транзисторного преобразователя напряжения.
  • Интерфейс с системой управления верхнего уровня (управление несколькими транзисторными преобразователями напряжения, установленными в шкафу или стойке).

Перечисленные функции показывают, насколько развитой должна быть система управления современного транзисторного преобразователя напряжения. Традиционно управление транзисторным преобразователем напряжения выполнялось с применением только аналоговых компонентов. Однако при современных требованиях аналоговая система получается громоздкой, многоэлементной, не всегда помехозащищенной и занимающей много места на плате. Некоторые задачи, как, например, обеспечение интерфейса, решаются достаточно сложно. Развитие современных микроконтроллеров и процессоров, расширение их возможностей при постоянном снижении стоимости привело к необходимости построения систем, использующих частично или полностью цифровые методы управления.

Цифровое управление может быть выполнено на основе двух принципов:

  • «медленные» задачи управления решаются цифровыми средствами, а быстрые, требующие реализации ШИМ и построения некоторых защит, — аналоговыми (смешанная система управления — ССУ);
  • управление всеми функциями транзисторного преобразователя напряжения с помощью цифрового сигнального процессора (полностью цифровая система управления — ПЦСУ).

В первом случае аналоговыми средствами (ШИМ-контроллерами, операционными усилителями, компараторами и другими) решаются задачи стабилизации напряжения, тока и мощности, выравнивание токов транзисторного преобразователя напряжения, работающих параллельно, выполнение защитных функций, которые требуют быстрой реакции на опасные для электронных приборов силовой части воздействия. Все остальные задачи, связанные с обработкой сигналов включения-выключения, работой «медленных» устройств защиты, вычислением и заданием опорных сигналов, формирования требуемого вида выходной характеристики — возлагаются на микроконтроллер [1].

В полностью цифровой системе управления микропроцессор участвует не только в создании сигналов, формируемых при медленных процессах, но обеспечивает также цифровую обработку сигналов для реализации широтно-импульсного управления и создания необходимых обратных связей в контурах управления [2]. Весьма полезной новой функцией, достижимой для обоих принципов управления, является возможность юстировки (подгонки) некоторых параметров транзисторного преобразователя напряжения: задаваемого выходного напряжения, отображения выходного тока и параметров слежения за сетью.

Техническими средствами реализации смешанной системы управления могут быть любые 8- или 16-разрядные микроконтроллеры, такие как серии AVR фирмы ATMEL, серии MSP фирмы TI и другие. Эти устройства имеют сокращенный набор команд (RISC-микроконтроллеры), флэш-память и широкий набор периферийных устройств, использующихся при создании преобразователей (многоканальные АЦП, таймеры, ШИМ-контроллеры, различные интерфейсы — UART, CAN, SPI и другие).

Микроконтроллеры серии ATMEGA (ATMEL) по своим параметрам хорошо подходят для построения ССУ. Они являются 8-разрядными, имеют тактовую частоту 16 МГц, содержат 10-разрядный мультиплексированный АЦП последовательного приближения, 8- и 16-разрядные таймеры. С другой стороны, микроконтроллеры TI отличает 16-разрядная структура с тактовой частотой до 8 МГц и с более развитыми возможностями АЦП, как, например, 12-разрядный многоканальный АЦП последовательного приближения или 16-разрядный сигма-дельта АЦП, отличающийся возможностью измерения аналоговых сигналов с большим разрешением при незначительном снижении быстродействия. Микроконтроллеры фирм ATMEL и TI обеспечивают аппаратное перемножение, что позволяет решать некоторые задачи целочисленной арифметики. Важным достоинством микроконтроллеров TI является их микромощное потребление, составляющее 250 мкА/MIPS. Реализация ПЦСУ требует применения более мощных средств цифровой обработки, таких как цифровые сигнальные процессоры (DSP), выпускаемых фирмами Texas Instruments (C2000) и FREESCALE.

Помимо этого, ПЦСУ может быть выполнена с использованием программируемой логики CPLD, FPGA фирм Xilinx, Altera, однако по стоимости такая реализация может оказаться дороже, а возможности управления — не столь широкими, как в случае применения DSP-процессоров.

Рассмотрим применение первого принципа (ССУ) в транзисторном преобразователе напряжения с двукратным преобразованием энергии. На рис. 1 показана структурная схема транзисторного преобразователя напряжения без элементов защиты от импульсных воздействий по сети и без фильтров защиты от радиопомех, устанавливаемых как на входе, так и на выходе.

Система управления транзисторным преобразователем напряжения, построенная таким образом, содержит несколько аналоговых узлов, микроконтроллер и ЦАП. Пунктирная линия, показанная на рисунке, разделяет первичную сторону транзисторного преобразователя напряжения (гальванически связанной с сетью) с вторичной (связанной с выходом). ШИМ-контроллер DC-DC, показанный на рис. 1, относится к первичной стороне, но в зависимости от схемы DC-DC преобразователя напряжения может быть размещен на вторичной стороне транзисторного преобразователя напряжения. В таком случае отпадает надобность в оптроне обратной связи (оптрон ОпОС на рис. 1), но появляется необходимость в передаче импульсных сигналов на затворы ключей преобразователя с помощью развязывающих импульсных трансформаторов.

Микропроцессор подключен к вторичной стороне преобразователя напряжения, поэтому необходимы оптронные развязки сигналов (оптроны Оп1…Оп4).

Оп1 передает сигнал об измеренном напряжении сети; с помощью Оп2 передается сигнал о перенапряжении в сети, полученный от компаратора; через Оп3 к Оп4 передаются сигналы от микропроцессора на включение или выключение ККМ и DC-DC преобразователя напряжения.

На АЦП со вторичной стороны транзисторного преобразователя напряжения поступают сигналы о выходном напряжении (Uвых) и токе нагрузки. Последний формируется токовым датчиком (на рис. 1 низкоомный резистор Rт). Опорные (reference) сигналы по выходному напряжению и току поступают от ЦАП и могут изменяться в зависимости от требований к транзисторному преобразователю напряжения и режима его работы. Сигналы от температурных датчиков (непрерывных и дискретных), устанавливаемых обычно на теплоотводах, также поступают в АЦП микропроцессора. Одной из функций транзисторного преобразователя напряжения является плавный запуск, который может быть заметно растянут во времени, для того чтобы избежать больших токов через силовые ключи и диоды вследствие большой емкости выходного фильтра и возможности подключения большой нагрузки.

Поэтому в процессе запуска плавно нарастает опорный сигнал по току, удерживающий усилитель рассогласования по выходному току в рабочем режиме, а аналоговый усилитель по напряжению — в блокированном состоянии. Нарастающий по току во время запуска сигнал формируется микропроцессором.

На рис. 2 показан плавный запуск транзисторного преобразователя напряжения при полной нагрузке, получаемый с помощью нарастания опорного сигнала по току.

Рис. 2. Плавный запуск выпрямителя
Рис. 2. Плавный запуск транзисторного преобразователя напряжения

Вид выходной характеристики (зависимость U вых от Iн) зависит от назначения транзисторного преобразователя напряжения и при некоторых требованиях к нему может содержать три участка: стабилизации напряжения, мощности и тока. Вид этой характеристики устанавливается фиксированным, если диапазон напряжений сети сравнительно узкий (например, допуск ±20% от номинального значения). При большом диапазоне напряжения сети, вызываемом непродолжительными и значительными провалами, можно снижать предельную мощность и, соответственно, ток на выходе, начиная с некоторого выбранного порогового напряжения сети. Например, при возможном диапазоне изменения сети 85-300 В пороговое напряжение может быть выбрано 175 В. При напряжении сети ≥ 175 В предельная мощность (и выходной ток транзисторного преобразователя напряжения) сохраняются неизменными, а при уменьшении этого напряжения мощность на выходе снижается с заданным коэффициентом кратности. К примеру, при Uсети = 85 В предельная мощность может составлять 40, 50 или 70% от максимально возможной. Такое построение транзисторного преобразователя напряжения, если не требуется работа от универсальной сети с полной мощностью, позволяет не увеличивать число транзисторов и диодов в ККМ, размеры дросселя и поверхность радиаторов этого узла, что, в конечном счете, не приводит к увеличению объема и массы транзисторного преобразователя напряжения. Алгоритм работы микропроцессора для выполнения данной задачи сводится к расчету опорного тока, передаваемого в соответствующий усилитель через ЦАП.

На рис. 3 показаны предельные выходные характеристики транзисторного преобразователя напряжения, состоящие из трех участков стабилизации. Возможные выходные напряжения в режиме стабилизации U не показаны.

Рис. 3. Выходная характеристика выпрямителя: 1 —участок стабилизации напряжения; 2 —участок стабилизации мощности; 3—участок стабилизации тока
Рис. 3. Выходная характеристика транзисторного преобразователя напряжения: 1 —участок стабилизации напряжения; 2 —участок стабилизации мощности; 3—участок стабилизации тока

В данном транзисторном преобразователе напряжения предельная мощность снижается пропорционально уменьшению сетевого напряжения, если последнее меньше 175 В.

Измеренные выходные напряжения и токи транзисторного преобразователя напряжения, работающих в системе вторичных источников питания, передаются в систему управления верхнего уровня с помощью любого протокола, например RS-485. Для этого используется интерфейс UART микропроцессора каждого транзисторного преобразователя напряжения и внешние драйверы RS-485. Для управления системой верхнего уровня может быть использован микропроцессорный блок или персональный компьютер. С его помощью можно не только управлять транзисторным преобразователем напряжения, но и выполнять необходимые юстировки в процессе производства транзисторных преобразователей напряжения. На рис. 4 показано окно для персонального компьютера, позволяющее диагностировать и юстировать транзисторные преобразователи напряжения, а также выполнять необходимый контроль..

Рис. 4. Программа управления и проведения юстировки выпрямителя
Рис. 4. Программа управления и проведения юстировки транзисторного преобразователя напряжения

Пример построения полностью цифровой системы управления транзисторным преобразователем напряжения показан на рис. 5.

Представленная структура предполагает использование цифрового сигнального процессора, который представляет собой процессор с 32-разрядной арифметикой, частотой 100 МГц и флэш-памятью. Арифметические возможности данного DSP позволяют выполнять за один такт две операции умножения 16×16 с накоплением. Такое быстродействие позволит управлять транзисторным преобразователем напряжения с частотой коммутации до 300 кГц и более.

Рассмотрим подробней работу транзисторного преобразователя напряжения по схеме, представленной на рис. 5. Для управления ККМ через масштабирующие усилители и делители на АЦП приводится выпрямленное напряжение сети, выходное напряжение и ток ККМ. Используя эту информацию, процессор формирует закон изменения D (коэффициент заполнения) следующим образом: выходное напряжение сравнивается с константой, характеризующей опорное напряжение, полученная ошибка обрабатывается с помощью цифрового фильтра. Далее полученное значение перемножается на сигнал, характеризующий форму напряжения сети, и делится на квадрат действующего значения сетевого напряжения. Все величины в процессоре представляются в виде условной относительной единицы, то есть приводятся к максимальному значению. Например, если Uккм.max — максимальное напряжение на выходе корректора, то величина, характеризующая U«KKM:

U*KKM=KgxKMxUbKKM;

Kg— коэффициент делителя;

KМ— коэффициент масштабирования;

При 16-битном представлении все величины преобразуются в формат 1.15, например: 1 соответствует 32767; 0,3 соответствует 9830.

Полученная величина после перемножения является опорной для токового сигнала, поэтому после сравнения с токовым сигналом величина ошибки обрабатывается с помощью второго цифрового фильтра, выходная величина которого является задающей для ШИМ-контроллера DSP. Защиты ККМ выполняются следующим образом: защита по напряжению сети обеспечивается с помощью сигнала формы тока, защита по выходному напряжению также обеспечивается через АЦП. Для защиты по току используется внешний компаратор, который воздействует на ШИМ-контроллер.

Для управления DC-DC преобразователем напряжения используются масштабирующие усилители и оптроны, передающие аналоговый сигнал на первичную сторону транзисторного преобразователя напряжения. В качестве оптронов желательно применять диод-диод оптроны AlGaAs, в которых используются обратные связи для обеспечения стабильных параметров. Алгоритм управления реализуется с помощью двух цифровых фильтров, получающих сигналы выходного напряжения и тока. Первичный ток преобразователя используется для двух задач: первая — получение оптимальной частотной коррекции при смешивании сигнала ошибки по выходному напряжению и усредненного тока первичной стороны DC-DC преобразователя напряжения, вторая — обеспечение защиты по току в каждый период коммутации с помощью внешнего компаратора.

Кроме того, DSP выполняет все остальные задачи, характерные для смешанного управления. Для выравнивания токов транзисторные преобразователи напряжения используют информацию о токе каждого преобразователя напряжения, полученную по RS-485.

ПЦСУ, по-видимому, получат преимущества по сравнению с ССУ, что наиболее весомо будет проявляться в определенных диапазонах выходной мощности транзисторных преобразователей напряжения и в определенных областях их применения.

В настоящее время развитие микроконтроллерной техники, применяемой в силовой электронике и, в частности, в транзисторных преобразователях напряжения, происходит со значительным опережением по сравнению с аналоговой. Наблюдается постоянное снижение стоимости микроконтроллеров, обусловленное их универсальностью и расширяющимися областями применения.

При усложнении задач, решаемых системами управления транзисторными преобразователями напряжения, применение микроконтроллеров позволяет создавать гибкую и универсальную систему новыми средствами при практически не изменяемой стоимости изделия.

Литература

  1. 8-bit AVR Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash. ATmega8535. Product Datasheet. Atmel Corp. 2003.
  2. Choudhury S. Average Current Mode Controlled Power Factor Correction Converter using TMS320LF2407. Application Note SPRA902A. Texas Instruments. 2003.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *