Przetwornica step-down, dobór elementów do filtra wyjściowego

Cześć,

projektuję przetwornicę obniżającą - standardowa topologia step-down i doszedłem do etapu doboru elementów do filtra wyjściowego LC.

Parametry przetwornicy:

- napięcie wejściowe 70V AC (prostowane na mostku),
- pojemność wejściowa 20mH,
- częstotliwość kluczowania 100kHz,
- napięcie wyjściowe 0-50V DC,
- prąd wyjściowy 0-10A,

sprzężenie zwrotne na rezystorowym dzielniku napięcia, sterowanie procesorem sygnałowym przez dedykowany sterownik MOSFETa.

Niestety w internecie znajduję coraz to więcej informacji (wydaje mi się, że niekiedy sprzecznych) czy ktoś mógłby mi doradzić jakie parametry powinny mieć wyjściowy dławik i kondensator?

Dziękuję.

Taki układ zadziała dla wielu wartości L i C, o wyborze decydują dodatkowe wymagania, czy chcesz mieć małe tętnienia, czy zależy ci na miniaturyzacji, niskiej cenie, czy ważny jest czas odpowiedzi pętli sprzężenia zwrotnego, czy chcesz stabilizować prąd. Zakres napięć i prądów jest szeroki, więc wszystkiego się nie zoptymalizuje.

Cytat:

- napięcie wejściowe 70V AC (prostowane na mostku),

Czyli 100V DC?.

Cytat:

- pojemność wejściowa 20mH,

20mF?

Cytat:

sprzężenie zwrotne na rezystorowym dzielniku napięcia, sterowanie procesorem sygnałowym przez dedykowany sterownik MOSFETa.

Piszesz o procesorze sygnałowym, ciekaw jestem szczegółów, może będzie to projekt który da radę konkurować z analogówką?

Dziękuję za pomoc.

Najbardziej zależy mi na szybkiej odpowiedzi z pętli sprzężenia zwrotnego i małych tętnieniach, miniaturyzacja i cena nie są tak ważne.

Na wejściu mam trafo 50V AC, po wyprostowaniu ok 71 DC (wyprostowane dwupołówkowo), pojemność wejściowa oczywiście 20mF.

Sam będę nawijał dławik, ale nigdy tego nie robiłem i nie ukrywam, że nie do końca wiem jak się za to zabrać.

Jakie przedziały wartości mogą mieć elementy L i C? Jak mogę je policzyć i dobrać?

Procesor, który będzie przeliczał szerokość impulsu to STM32F407VGT6.

Przede mną jeszcze projekt filtrów przed ADC procesora...

Co do szybkości pętli sprzężenia zwrotnego to zakładając jej "analogowy" sposób zaprojektowania a potem dyskretyzację np. metodą Tutsina z 3% błędem to maksymalna częstotliwość crossover musi być 10kHz. Trzeba by zastosować regulator PD. Co do tłumienia harmonicznych zakładając najgorszy przypadek czyli na wyjściu 50V nasze D będzie równe 50/70=0.71. Mając np. harmoniczną na 100Hz równą 1V na wyjściu dostaniemy 0.71V pierwzej harmonicznej. Żeby to stłumić 100 razy nasza pętla sprzężenia zwrotnego powinna mieć wzmocnienie równe 40dB dla niskich częstotliwości. Więc pewnie trzeba będzie dodać regulator PI z czego zrobi się nam PID. Możemy nie dostać zadawalających rezultatów więc trzeba będzie procedurę powtarzać iteracyjnie aż do zadawalających efektów.

Co do dławika to wydaje mi się, że chcąc pracować dla jak najmniejszego prądu w trybie ciągłym (np od 2A) będziemy potrzebować dużej indukcyjności. Jeżeli się nie mylę to duża indukcyjność (bo chcemy pracować w trybie ciągłym jak najwcześniej) i duży prąd (10A z założeń) to raczej ze sobą nie współgrają, więc trzeba będzie użyć jakiegoś feryta ze szczeliną powietrzną lub bardziej nowoczesny materiał. W razie z kłopotami z indukcyjnością ( nie chce mi się liczyć a są tutaj użytkownicy mający bardziej intuicyjne podejście więc lepiej mogą doradzić) można pójść w wielofazowego bucka np. 4-fazowy. Wtedy wymagania dla każdej indukcyjności spadają do 2.5A.

Parametry prądowe nie są sztywne i jeśli 10A to duży problem to możemy umówić się, że prąd maksymalny to będzie 5A. Bardziej zależałoby mi na tym żebym mógł bez większych problemów osiągnąć obciążenie np 100mA.

Jako, że przetwornica jest sterowana przez procesor to tam będą zaimplementowane regulatory i może ich być dowolna liczba. Przetwornica będzie pracowała w trybie stałego prądu lub stałego napięcia.

Problem jest taki, że ja nie za bardzo wiem jakiej wartości ma być ten dławik i kondensator, a nie chce dawać przypadkowych. Co gorsza nigdy nie nawijałem dławika, a jutro zamierzam jechać na wolumen po rdzeń i drut

Prośba o poradę - dzięki.

No to jak bardziej zależy Ci na 100mA to policz standardowo dla 5A czy 10A z 20% tętnieniami prądu. Będziesz miał mniejszą indukcyjność-więc lepszą szybkość pętli sprzężenia zwrotnego niż w przypadku policzenia indukcyjności dla 2A. Dla 100mA zaprojektowanie pętli sprzężenia zwrotnego będzie trudniejsze (bo będziemy pracować w DCM), ale pewnie i to się da zrobić. W celu zmniejszenia strat dla dużych prądów można dodać tranzystor równolegle do diody. W wielofazowym bucku będziesz miał mniejszą dodatkowo pojemność wyjściową. To jeszcze bardziej przyśpieszy regulację.

Hmmm nie myślałem żeby sterować komplementarnie drugim tranzystorem. Teraz już koncepcji nie będę zmieniał, ale spodobał mi się ten pomysł, dzięki!

Cytat:

sterowanie procesorem sygnałowym

Co to za procesor? Jeśli masz duzy zapas mocy, to kontroler może być 'alternatywny' - na podstawie pomiaru prądu początkowego dławika (moment rozpoczęcia cyklu), napięcia wejsciowego i napiecia wyjsciowego, da się dokładnie wyliczyć wypełnienie:

d[n]=( (L/(Vin*Ts)) * (iref[n-1] - iL[n-1]) ) + Vin/Vout

gdzie

d[n] - wypelnienie w biezacym cyklu
L - indukcyjnosc dlawika
Vin - napiecie wejsciowe
iref[n-1] - prąd referencyjny z poprzedniego cyklu
iL[n-1] - prąd początkowy dławika z poprzedniego cyklu

Rozne kontrolery dają się łatwo implementować w DSPku. Popatrz tu...

Algorytm (predictive control) jaki podał nsvinc jest jednym z najszybszych z cyfrowych algorytmów sterowania. Porównywalny z histerezowym w analogówce jeżeli chodzi o szybkość. Problem z szybkością DSP w takich algorytmach rozwiązuje się przez przewidzenie wypełnienia w "kolejnym okresie po następnym" co daje jeszcze dodatkowy czas z kolejnego okresu modulacji na obliczenia. Czyli zamiast części 10us na obliczenie wypełnienia, który zrówna nam prąd z referencyjnym mamy część 10us z drugiego okresu plus część 10us z pierwszego okresu. W 20 us nasz prąd na indukcyjności zrówna się z prądem referencyjnym, oczywiście jeżeli nie przekroczymy fizycznych możliwości narastania prądu na indukcyjności. W pdf-ie podanym przez nsvinc jest podana taka modyfikacja dla tego algorytmu.

Zalezy jak szybko wykonuje operacje ten DSP. Pierdołowaty wzór podany przeze mnie w #8 na zwyklym Cortex-M3@10MHz będzie się wykonywał nie więcej niż 5us. A to jest zwykły mikrokontroler. Optymalizując operacje dzielenia, na Cortex-M0+@30MHz szłoby zaimplementować taki kontroler do około 70kHz (szacuję, moze byc więcej...). A ten procek kosztuje 3 zł - nieporównywalna cena w porównianiu do prawdziwych DSP za kilkadziesiąt/kilkaset zł. Korci mnie aby zrobić próby i przetestować ten algorytm na tym procesorze...

Zgadza się, ale tutaj dochodzi jeszcze inny problem- zależny od przypadku. Ogólnie to staramy się pobierać próbki prądu, przy kontroli średniego prądu, w połowie czasu narastania lub opadania prądu na indukcyjności (najczęściej w połowie czasu opadania) bo to daje nam od razu średni prąd bez żadnych filtrów (czysto teoretycznie). Przy dużych wartościach średnich prądu nasz czas opadania (zakłądamy, że samplujemy prąd w czasie opadania go na indukcyjności) może być bardzo krótki i do zrobienia update naszego PWMa może nie starczyć czasu. Ale to zależy od każdego przypadku a przesuięcie obliczeń o okres daje nam bezpieczeństwo, że nam tego czasu starczy.

Ten algorytm jest popularny w inwerterach do kontroli pętli prądowej, która ma być bardzo szybka, zewnętrzna pętla napięciowa (wolniejsza) jest najczęściej zrobiona na regulatorze PI.

Cyfrowy kontroler histeretyczny z fuzzy logic jest w stanie dorównać algorytmom predykcyjnym. Dużą przewagą tego pierwszego jest fakt bardzo szybkiej reakcji na zmiane warunków pracy.
Kontrolery predykcyjne mogą - i robią to - mylić się co do rzeczywistych warunków. Fakt, ze ich reakcja to jest 1 do 2 cykli ale nadal.
Kontroler histeretyczny z fuzzy logic na podstawie prądu średniego to trudny temat, ale wydajnosciowo nie ma sobie równych, w szczegolnosci jesli mowimy o topologiach typu buck. A algorytm jest banalny.
Tylko to wymaga wielkich dławików, ale line/load response jest magiczny.

Napisałem taki kontroler na dsPIC33GS (ktory moze cudownie szybki nie jest) ale próbka co cykl (wykonalne przy 100kHz) i programowe podjęcie decyzji kiedy wyłączyć tranzystor ma swoje plusy. I to jest znacząco coś innego niz peak/avg current mode. Mogę to tu opisać

nsvinc napisał:

kontroler histeretyczny z fuzzy logic

Prawdopodobnie chodzi Ci o regulator histerezowy z fuzzy logic (a nie histeretyczny).
W zasadzie w czystej postaci histerezowy regulator prądu w mkrokontrolerach jest rzadko używany, a najczęściej stosuje się jego cyfrową postać nazywana regulatorem typu delta. Choć przy dużej częstotliwości próbkowania można pokusić się i o histerezę.
Nsvinc nie czytałem nic o regulatorze histerezowym z fuzzy lgic w buck/boost przetwornicach ale czy główna idea bazuje na zmianie wartości histerezy w zależności od warunków pracy (wartości napięcia we/wy, obciążenie) ?

felekfala napisał:

Nsvinc nie czytałem nic o regulatorze histerezowym z fuzzy lgic w buck/boost przetwornicach ale czy główna idea bazuje na zmianie wartości histerezy w zależności od warunków pracy (wartości napięcia we/wy, obciążenie) ?

Tak. Ten algorytm działa mnie więcej jak SMC, więc 'zgniata' progi; on się bardzo dobrze sprawdza w przetwornicach synchronicznych gdzie prąd dławika może zmienić kierunek.

Moja implementacja w mikrokontrolerze umozliwia natychmiastowe rozciągnięcie cyklu w momencie wzrostu prądu wyj. lub jego ucięcie gdy obciążenie maleje. Więc z definicji nie jest to kontroler PWM. Kontroler pracuje właśnie w przetwornicy synchronicznej.

felekfala napisał:

regulator histerezowy z fuzzy logic

Histerezowy. Masz rację. A ja mam 'niedzielę wieczór' ;D

nsvinc napisał:

Kontrolery predykcyjne mogą - i robią to - mylić się co do rzeczywistych warunków. Fakt, ze ich reakcja to jest 1 do 2 cykli ale nadal.

Kontrolery predykcyjne jako tak zwane algorytmy bazujące na matematycznych modelach mają duże prawdopodobieństwo pomyłki bo ich "robustness" jest niski, właśnie z powodu silnej zależności od modelu- w przeciwieństwie do np. algorytmu sliding mode czy regulatorów PI. Przykładowo jak ktoś zrobi dławik na rdzeniu ze sproszkowanego żelaza i dla całego (szerokiego) zakresu prądu wymaga stabilnej indukcyjności (wartość indukcyjności jest używana do wyliczenia wypełnienia) to prosi się o kłopoty w tym algorytmie. Tak samo nie uwzględnienie innych elementów modelu może skutkować niestabilnością. Na szczęście można te "niepewności" co do modelu uwzględnić w jakimś stopniu w algorytmie i podnieść niezawodność tego algorytmu- co jest z powodzeniem robione- to się nazywa robust model predictive control. Tak samo trzeba zadbać o dobre kondycjonowanie sygnałów do próbkowania.

jupi23 napisał:

Przykładowo jak ktoś zrobi dławik na rdzeniu ze sproszkowanego żelaza i dla całego (szerokiego) zakresu prądu wymaga stabilnej indukcyjności (wartość indukcyjności jest używana do wyliczenia wypełnienia) to prosi się o kłopoty w tym algorytmie.

Dlatego osobiście unikam jak ognia rdzeni z rozproszoną szczeliną. Ferryt w większości wykazuje lepszą sprawność i mają raczej stałą indukcyjność w całym zakresie prądów pracy; z czego cieszą się regulatory typu PID, no i właśnie te predykcyjne...

jupi24 napisał:

Na szczęście można te "niepewności" co do modelu uwzględnić w jakimś stopniu w algorytmie i podnieść niezawodność tego algorytmu- co jest z powodzeniem robione- to się nazywa robust model predictive control. Tak samo trzeba zadbać o dobre kondycjonowanie sygnałów do próbkowania.

No i właśnie taki regulator jest opisany w linku z #8 - dlatego mnie to zaciekawiło.

Rozglądałem się właśnie za regulatorem do precyzyjnego zasilacza, który byłby w stanie 'natychmiast' reagować na zmianę zapotrzebowania na prąd.
Algorytm musi mieć bardzo wysoki "robustness" i powinien być wykonywalny na CM4F@120MHz w rozsądnym czasie. Może macie jakies propozycje?
Co do częstotliwości próbkowania i wykonywania się regulatora - 500kHz jest osiągalne...

Odporność regulatora predykcyjnego poprawia znajomość charakterystyki magnesowania dławika i on line wyliczanie indukcyjność w danym punkcie pracy.

nsvinc napisał:

Rozglądałem się właśnie za regulatorem do precyzyjnego zasilacza, który byłby w stanie 'natychmiast' reagować na zmianę zapotrzebowania na prąd.
Algorytm musi mieć bardzo wysoki "robustness" i powinien być wykonywalny na CM4F@120MHz w rozsądnym czasie. Może macie jakies propozycje?
Co do częstotliwości próbkowania i wykonywania się regulatora - 500kHz jest osiągalne...

Moim zdaniem najwyższą odporność będzie miał regulator typu delta (zwykły komparator z zerową histerezą realizowany co dany okres czasu próbkowania Tp). Oczywiście wiąże się to ze zmienną częstotliwością przełączeń w zależności od warunków pracy przetwornicy, co ma swoje wady i zalety.
Z ciekawości który z mikrokontroler z rdzeniem CM4F wykorzystasz ? 120MHz ma Frescale, Infineon, NXP i pewnie wiele innych producentów.

Przyglądam się STM32F3 (72MHz) - łatwo go kupić, jest poręczny, i ma bardzo sensowne peryferiale. Z drugiej strony jeśli okazałoby się, ze ma on za mało mocy, to LPC4310... Głównie interesuje mnie łatwa dostępność i mały footprint - nie chcę kobyły...

nsvinc napisał:

Rozglądałem się właśnie za regulatorem do precyzyjnego zasilacza, który byłby w stanie 'natychmiast' reagować na zmianę zapotrzebowania na prąd.

Jak dla mnie obydwa brzmią kusząco, każdy ma swoje wady i zalety, z tym, że histerezowy będzie bardziej niezawodny w szerokim zakresie prądu, jak wspomniał felekfala. Ja, jak wyjdę z okresu "dzieci mi płaczą" to poeksperymentuje z obydwoma, ale z chęcią się dowiem jak się spisują.

Jest jeszcze trzecia opcja do sprawdzenia - interleaved synchronous buck czyli ten wielofazowy wspominany wyżej. Wiem, że stosuje się je do zasilania układów mikroprocesorowych czy FPGA gdzie przełączające się tranzystory potrafią nagle zażądać dużego dI/dt. Tutaj jest opis a w bibliografii jakiś przykład buck'a z 12V do 1.5V i 50A. Fig. 17a z pdf-a z projektu tego buck'a pokazuje, że z 0 do 50A idzie w 15us przy 400kHz z małym overshootem czyli w 6 cykli.

Edit:
Jeszcze dodam jako ciekawostkę, że gdzieś tam pracują nad PWM-em, w którym będzie można zrobić update kilkanaście-kilkadziesiąt razy w ciągu jednego cyklu a nie jak teraz najwyżej dwa razy. Taki PWM, dzisiaj, dla dużych częstotliwości przełączania jest osiągalny jedynie na FPGA z racji, że oprócz szybkich obliczeń sygnał próbkowany (prąd na indukcyjności) trzeba jakoś filtrować. Taki PWM przy niektórych algorytmach sterowania bardzo skróci czas odpowiedzi na zaburzenia.

Edit 2:
Poszukałem i znalazłem w dsPIC-ach, że to co wyżej napisałem o PWM nazywa się immediate update PWM mode- więc już jest.

jupi23 napisał:

Jest jeszcze trzecia opcja do sprawdzenia - interleaved synchronous buck czyli ten wielofazowy wspominany wyżej. Wiem, że stosuje się je do zasilania układów mikroprocesorowych czy FPGA gdzie przełączające się tranzystory potrafią nagle zażądać dużego dI/dt.

To jest już cięższy temat. Robiłem taki układ (tzn próbowałem, porzuciłem z powodu braku czasu) 3 fazy na dsPIC33GS. Moc docelowa 300W, konwersja 60V -> 1V..50V. Takie były załozenia; hardware jeszcze gdzieś mam. Ale jest on bardzo średni bo to były moje smętne początki ;D

Obecnie nie planuję wielu faz, ani przekroczyć fmax 500kHz. Zakres konwersji w sumie ten co wyzej, no i conajmniej te 200W ukłąd powinien potrafić przenieść.

felekfala napisał:

Oczywiście wiąże się to ze zmienną częstotliwością przełączeń w zależności od warunków pracy przetwornicy, co ma swoje wady i zalety.

Przy próbkowaniu 500kHz response regulatora wyniesie jakby nie patrzeć 2us.

Jako ze konieczna jest 'idealna' regulacja napięć zmiennych bez obciążenia, buck musi być synchroniczny. W przypadku regulatora histerezowego z zerową histerezą algorytm wydaje się być prosty - prąd za wysoki=wlacz dolny tranzystor, prąd za niski=wlacz gorny tranzystor, prad docelowy=nie wlaczaj zadnego. Tylko nie wiem na ile dobrze to się sprawdzi...

No i oprocz szybkiej rakcji na dI/dt w trybie CV, to jeszcze potrzebuję reakcję na dU/dt w trybie CC ;D No i niskie tętnienia...