Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Kompensacja przetwornic. Uogólnienie metody obliczeniowej.

27 Kwi 2018 11:18 1005 12
  • Poziom 43  
    Zabrałem się do uogólnienia metody obliczania kompensacji przetwornic bo na pewno coś się tam da uogólnić.
    Póki co wzorowałem się na takim dokumencie:
    https://www.infineon.com/dgdl/an-1162.pdf?fileId=5546d462533600a40153559a8e17111a
    Ale on jest o przetwornicach Buck pracujących w trybie FCM (Forced Conduction Mode), czyli takich synchronicznych.
    Tu jest ogólniejszy dokument:
    http://www.site.uottawa.ca/~rhabash/Practical-Feedback-Loop-Design-Buck.pdf
    bo mówi o różnych przetwornicach i w różnych trybach pracy (CCM i DCM, nie ma FCM ale się domyślam że ma wzory takie same jak CCM).
    Poza tym jest jeszcze mnóstwo innych dokumentów. Tu tylko niektóre ciekawsze z nich:
    https://www.intersil.com/content/dam/intersil/documents/tb41/tb417.pdf
    http://web.cecs.pdx.edu/~tymerski/chap1.pdf
    http://www.ti.com/lit/an/slva301/slva301.pdf
    https://www.mouser.com/ds/2/405/uc2844-407366.pdf (tu jest o kompensacji przetwornic Flyback)
    http://cbasso.pagesperso-orange.fr/Downloads/Papers/The%20TL431%20in%20loop%20control.pdf

    Mimo wszystko nie wszystko tam jest wyjaśnione, a do tego mnogość dokumentów utrudnia ujednolicenie metody obliczeniowej.

    Brakuje mi kilku rzeczy.
    Głownie chodzi o przerabiane zasilacze ATX. Te starsze są typu Push-Pull i jest tam zabezpieczenie przeciążeniowe w postaci sprzężenia zwrotnego z transformatora sterującego. Pierwszy z brzegu zasilacz:
    Kompensacja przetwornic. Uogólnienie metody obliczeniowej.
    Elementy zaznaczyłem czerwoną obwódką. Często to cudo ma jeszcze jeden stopień filtru RC nawet z kondensatorem elektrolitycznym.
    Nie widzę tu jednak żadnej kompensacji, a akurat przerabiałem ostatnio podobny zasilacz (inny ale sprzężenie przeciążeniowe jest dokładnie takie samo) i widzę że pracuje to niestabilnie. Po prostu syczy podczas zwarcia na wyjściu. Dodatkowo zasilacz spalił mi się przy którejś próbie zwarcia. Zmniejszyłem próg ograniczenia przeciążeniowego prawie 2 razy i teraz się nie pali, no ale nie tak to powinno działać. Ciągle syczy i na oscyloskopie widać jak impulsy sygnału na nóżce 16 układu TL494 osiągają 10V czyli grubo ponad 5V do których powinna być stabilizacja (nóżka 15 jest na potencjale 5V). Nie mam zrzutu przebiegu z oscyloskopu ale to wyglądało jak przebieg z prostownika:
    Kompensacja przetwornic. Uogólnienie metody obliczeniowej.
    ze szczytami na 10V a dolinami trochę poniżej 5V. I częstotliwość kilkaset Hz i oczywiście ta częstotliwość była niestabilna (stąd syczenie).
    Inny problem to dodawanie sprzężenia prądowego. Normalnego z bocznika prądowego na masie. W TL494 można to zrobić dość prosto w sensie samego pomiaru prądu, zostaje jednak dodanie tej kompensacji.
    Druga sprawa to nowe zasilacze ATX które chyba są typu Forward. Tam sprzężenie jest robione za pomocą TL431, ale to na razie nie problem. Bo ja to traktuję jako dwie rzeczy. Pierwsza to określenie biegunów i zer toru mocy.
    A druga to realizacja kompensatora, a na czym on będzie (czy na Oampie czy na TL431) to już inna sprawa.
    Póki co pytam o tą pierwsza część.
    Jak w ogóle potraktować tor mocy przy pracy na zwarciu albo w pracy stabilizacji prądu, i jakie tam wtedy są zera i bieguny? Szczególnie mi chodzi o to sprzężenie ze schematu ATXa jaki zamieściłem, bo tam sprzężenie nie jest nawet z prądu ani a ogóle z toru wyjściowego.
    Ktoś próbował kompensować takie coś?
  • Poziom 26  
    Kompensacja (dla napięcia) jest robiona na nóżce nr 3 kontrolera TL494. Zabezpieczenie przeciwzwarciowe działa jako komparator, więc nie ma tu kompensacji (stąd niestabilna praca). Teoretycznie można byłoby pokusić się o przeprojektowanie kontrolera tak, aby zasilacz mógł pracować w ograniczeniu prądowym, ale to już będą dwie pętle pracujące jednocześnie, które trzeba skompensować....
  • Poziom 43  
    No i właśnie o to przerobienie pytam. Podstawy gdzie jest kompensacja i jak ją zrobić (zaprojektować kompensator) mam. Nie wiem tylko jak uzyskać parametry do zaprojektowania kompensatora (czyli zera i bieguny części mocy).
  • Pomocny post
    Poziom 1  
  • Poziom 43  
    Tylko mi bardziej chodzi o określenie parametrów układu. Obliczenie kompensatora do drugi etap i on nie jest dla mnie problemem.
  • Poziom 1  
  • Poziom 43  
    Marek_Skalski napisał:
    Czy zapoznałeś się z tymi materiałami?

    Nie bo widzę tam tylko schematy i pliki BOM dla projektu referencyjnego.

    Marek_Skalski napisał:
    Dla DC/DC, nie omawiane w powyższych linkach, bieguny i zera były wyznaczane przez parametry elementów L i C. Na przykład: pojemność wejściowa oraz indukcyjność cewki tworzy obwód rezonansowy, którego częstotliwość jest podwójnym biegunem. Zerem była częstotliwość wynikająca z pojemności C i rezystancji zastępczej tego kondensatora.

    No tak, ale to dotyczy normalnego przypadku. A ja pytam o przypadek nietypowy czyli zwarcie wyjścia. Wtedy niektóre zera i bieguny znikają (nie dosłownie ale są tłumione przez to zwarcie).
    I drugi przypadek czyli ATX gdzie sprzężenie jest brane z transformatorka sterującego.
  • Poziom 1  
  • Poziom 43  
    Marek_Skalski napisał:
    Jeżeli jest kontrola prądu, to jest to druga pętla sprzężenia zwrotnego i jest nadrzędna względem pierwszej (napięciowej). Nic to nie zmienia dla pierwszego regulatora, który pracuje bez zmian.

    No to mamy takie samo zdanie. Tylko chodzi o to że ja chcę zrobić ten drugi regulator a nie ten pierwszy. Dla pierwszego regulatora nic się nie zmienia ale to nie jego chcę zaprojektować. Chcę ten drugi.

    Marek_Skalski napisał:
    Na początku napisałeś o próbach uogólnienia, a teraz rozważasz przypadki szczególne.

    Ale żeby uogólniać to najpierw trzeba poznać szczególne przypadki żeby wiedzieć co można uogólnić a co nie.
  • Poziom 43  
    W końcu udało mi się uogólnić metodę symulacji charakterystyk control-to-output. Czyli w sumie jedynych które do tej pory były dla mnie problemem bo są one zależne od trybu pracy przetwornicy.
    Z tego co wyczytałem to całkowite uogólnienie (skompensowanie przetwornicy pracującej w trybie napięciowym dla dowolnej rezystancji obciążenia) jest niemożliwe.
    Oraz widzę że nikt nie oblicza przetwornic dla trybu DCM jeżeli przetwornica ma pracować w trybach DCM i CCM. Widzę że wtedy się oblicza dla CCM, a potem się jedynie sprawdza czy wyznaczone charakterystyki zapewniają odpowiedni margines fazy przy pracy w DCM (i jak nie to się je koryguje).
    Trochę uproszczona metoda, ale całkiem dobra jak się zrobi symulację charakterystyk.
    No więc zrobiłem sobie projekt do symulowania. Miałem tylko problem z symulacjami trybu DCM ale w końcu znalazłem rozwiązanie.
    Jest to metoda Vorperiona opisana w tym dokumencie:
    http://www.ti.com/lit/an/slva301/slva301.pdf
    Czyli po prostu rezystor wstawiony przed cewką.
    Trzeba oczywiście wyliczać jego wartość (a dokładniej wiele wartości dla całego zakładanego zakresu pracy DCM) ale to już nie jest jakaś wielka trudność.

    Niestety pojawił się problem z realizacją praktyczną.
    Przerabiam akurat zasilacz ATX na przetwornicy typu Forward. Wylutowałem i zmierzyłem cewkę. Wymieniłem kondensatory wyjściowe (i to jest najważniejsza zmiana, bo wielokrotnie zmniejszyła ESR kondensatorów).
    Dodałem też pętlę sprzężenia zwrotnego dla prądu wyjściowego.
    Jednak pętla napięciowa nie działa stabilnie mimo obliczenia jej od nowa.
    Obliczenia robiłem w Excelu.
    Dane wejściowe i dwie obliczone częstotliwości są takie (w zielone komórki się wpisuje, czerwone oblicza Excel):
    Kompensacja przetwornic. Uogólnienie metody obliczeniowej.
    Vref dałem 2.5V bo to idzie do obliczeń dzielnika wejściowego a on steruje układem TL431.
    Vosc dałem 1.7V bo modulatorem PWM jest układ UC3843 (choć to 1.7V dobrałem trochę na oko). Swoją drogą oryginalnie w tym zasilaczu siedział układ UC3845 (czyli bez ograniczenia wypełnienia do 50%). Uznałem to za błąd i wymieniłem go na UC3843. Ale teraz widzę że zasilaczowi jakby brakuje mocy. Nie osiąga 250W a nominalnie miał podane że ma 350W (ale nie sprawdzałem czy w praktyce tyle ma).
    Vin dałem 52V bo takie napięcie daje uzwojenie wtórne transformatora Forward. Podając takie napięcie mogę to później obliczać tak jak przetwornicę Buck.
    Wyszło FLC = 0.41kHz i FESR = 4.7kHz.
    Kolejne obliczenie to F0:
    Kompensacja przetwornic. Uogólnienie metody obliczeniowej.
    Normalnie się przyjmuje od 1/5 do 1/10 Fs. Ja jednak przyjąłem dużo mniej żeby wymusić zastosowanie kompensatora typu III. Może to dziwne podejście, ale oryginalnie w tym zasilaczu był kompensator typu III więc chciałem żeby taki pozostał.
    Wyniki obliczeń dla kompensatora typu III-A są takie:
    Kompensacja przetwornic. Uogólnienie metody obliczeniowej.
    I teoretycznie wszystko się zgadza. Kompensator w symulacji robi pewne podbicie fazy w miejscu gdzie jest to potrzebne. Choć jedzie na styk. Margines fazy dla wzmocnienia 20dB wychodzi tylko 40°. Dla 0dB ma więcej bo z 60° (choć to bez znaczenia bo jak by się chciało wzbudzać to o tak na 20dB i 40°).
    Dla trybu DCM sprawa się pogarsza ale nie na tyle żeby margines fazy spadał do 0. Tutaj wykres (zielony) dla największej rezystancji obciążenia jaka może być czyli 330Ω (bo taki mam wstawiony rezystor jako wstępne obciążenie przetwornicy):
    Kompensacja przetwornic. Uogólnienie metody obliczeniowej.
    Margines fazy jest tylko 10°.
    I do tej pory wszystko dla mnie by było jasne. Z symulacji wynika że kompensator niespecjalnie wyszedł i o ile powinien działać dla CCM to dla DCM już niekoniecznie.
    Jednak uruchomienie fizycznego układu dało odwrotne skutki.
    Dla braku obciążenia (czyli dla obciążenia jedynie wbudowanym rezystorem 330Ω) czyli dla pracy w trybie DCM przetwornica działa stabilnie. I to niezależnie czy aktualnie działa stabilizacja napięcia czy prądu.
    Natomiast dla dużo większych obciążeń pracuje niestabilnie. Po prostu widać że wypełnienie drga.
    Dodam że częstotliwość FP3 jest realizowana inaczej niż za pomocą CC2 w pętli sprzężenia TL431. Jest ona realizowana za pomocą kondensatora C2 na wyjściu transoptora PC817C (uwaga, tu jest inne nazewnictwo i chodzi o FP2):
    Kompensacja przetwornic. Uogólnienie metody obliczeniowej.
    Z obliczeń mi wyszło że powinien on mieć 4.7nF dla rezystora Rpullup równego 680Ω (bo taki jest u mnie w zasilaczu).
    Na schemacie PC817C wraz z Rpullup i C2 jest symulowany bardzo prostym modelem za pomocą R12 i C6:
    Kompensacja przetwornic. Uogólnienie metody obliczeniowej.
    Zielona krzywa jest dla C6 = 0pF (prawie taka sama jak dla 4.7nF) a niebieska dla C6 = 100nF.
    Natomiast w fizycznym układzie przetwornica nabiera stabilności po wstawieniu jako C6 kondensatora 100nF. A przecież z symulacji wynika że przebieg charakterystyki fazowej przebiega wtedy niżej (czyli jest mniejszy margines fazy).
    Oczywiście wiem że to tylko symulacja. Ale gdy się jej używa odpowiednio to daje wyniki zgodne z rzeczywistością.
    Moje pytanie jest więc takie, co robię źle w tej symulacji że uzyskuję inne wyniki niż w rzeczywistości?
    Może błędem jest przyjęcie F0 na poziomie tylko 3kHz?
    A może chodzi o niedokładne zamodelowanie PC817C?
    Od razu wyjaśniam dlaczego nie użyłem modelu PC817 z LTSpica. Bo sprawdziłem jego charakterystykę częstotliwościową i była płaska. Czyli nie symulowała prędkości działania PC817C a jedynie jego CTR.
  • Pomocny post
    Moderator Projektowanie
    Myślę, że symulatory są tylko do interpretacji a projektowanie ostatecznie polega na badaniu empirycznym układu. Po prostu dobrze nie przestrzelić się o kilka rzędów i nie wysadzić układu na dzień dobry.
    Kiedyś korzystałem z takiego dokumentu:
    http://www.ti.com/lit/an/slua582a/slua582a.pdf

    Jakoś udało się policzyć parametry, resztę już poprawiłem na działającym układzie. Dzisiaj nie wyobrażam sobie robić dokładnych modeli matematycznych, zwłaszcza że z definicji większość metod posiada dość spore niedokładności.

    Polecam nagrania Sama Ben-Yaakov:
    https://www.youtube.com/user/sambenyaakov/videos

    Pewnie coś znajdziesz dla siebie, a ma naprawdę dobre wykłady.
  • Poziom 43  
    _lazor_ napisał:
    Myślę, że symulatory są tylko do interpretacji a projektowanie ostatecznie polega na badaniu empirycznym układu.

    Właśnie do tego go używam.
    Symuluję jedynie to co wcześniej wyliczam ze wzorów. Więc zgodność musi być 100 procentowa (pomiędzy wzorami a symulacją).
    Z kolei jeżeli nie będzie zgodności pomiędzy symulacją a układem, to to będzie znaczyło że nie ma też godności pomiędzy wzorami a układem. A przecież te wzory których używam to są wzory do obliczania kompensatorów, a więc chyba poprawne i zgodne z rzeczywistością.

    _lazor_ napisał:
    Kiedyś korzystałem z takiego dokumentu:
    http://www.ti.com/lit/an/slua582a/slua582a.pdf

    Niestety to nijak tu nie pasuje bo tam użyli kompensatora I typu.

    _lazor_ napisał:
    Jakoś udało się policzyć parametry, resztę już poprawiłem na działającym układzie. Dzisiaj nie wyobrażam sobie robić dokładnych modeli matematycznych, zwłaszcza że z definicji większość metod posiada dość spore niedokładności.

    A ja wręcz przeciwnie. Za duże ryzyko poprawiać to w ciemno na układzie.
    Póki co uzyskałem stabilność dodając kondensator 100nF. Ale to jest robota w ciemno. Nie wiadomo nawet co dało stabilność. Zmiana fazy. Przyspieszone zejście wzmocnienia poniżej 0dB. Czy co.
    No chyba że poprawiać na układzie wykonując pomiary Bodego (czyli poprawiać nie w ciemno tylko w oparciu o pomiary).
    I tak chyba zrobię tylko jeszcze nie mam sprzętu do tego.

    _lazor_ napisał:
    Polecam nagrania Sama Ben-Yaakov:
    https://www.youtube.com/user/sambenyaakov/videos

    Dzięki. Przejrzę.
  • Moderator Projektowanie
    Kiedyś rozmawiałem z profesorem od systemów automatyki na politechnice wrocławskiej. On mi w prost powiedział, że jeśli chce poprawnych obliczeń muszę mieć pełny model matematyczny obiektu, jako że mi się nie uśmiechało szukać modelu matematycznego scalaka, to znalazłem metody empiryczne z badaniem odpowiedzi impulsowej układu.

    Do obliczeń warto jeszcze wrzucić fakt że elementy takie jak driver czy transoptor ma czas propagacji sygnału. Niby kilkadziesiąt, czasem kilkaset ns, ale to już powoduje że traci się trochę fazy.
    Dodam jeszcze że człon proporcjonalny to drań, naprawdę warto przyjąć go mniejszego niż większego, gdyż nawet drobna pomyłka (lub różnica między modelem a układem rzeczywistym) spowoduje że układ będzie działał niestabilnie.