Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Eksperymentalna przetwornica dwukierunkowa

piotrek_bogdan 10 Jan 2021 16:58 5730 9
IGE-XAO
  • Eksperymentalna przetwornica dwukierunkowa
    Chciałbym przedstawić projekt dwukierunkowej impulsowej przetwornicy napięcia. Dwukierunkowa przetwornica pozwalająca na przekazywanie energii pomiędzy dwoma rożnymi potencjałami napięcia w obu kierunkach w zależności od chwilowego zapotrzebowania. Przetwornice tego typu są przeważnie stosowane w systemach awaryjnego podtrzymania zasilania. W czasie normalnej pracy przetwornica działa jako ładowarka pobierając energię z szyny zasilania systemu do ładowania baterii. W razie awarii przetwornica zmienia kierunek i zaczyna przekazywać energię z baterii do szyny zasilania. W sieci można znaleźć kilka projektów przetwornic tego typu dużej mocy zarówno w izolowanej jak nieizolowanej topologii [ https://www.ti.com/lit/ug/tiducs2b/tiducs2b.pdf ] [ https://www.ti.com/lit/ug/tidud04/tidud04.pdf ].
    Często we własnych projektach zasilanych bateryjnie spotykam się z potrzebą zastosowania równocześnie wbudowanej ładowarki i przetwornicy niwelującej zmiany napięcia baterii podczas wyładowywania. Łącząc te dwie przetwornice można zaoszczędzić na elementach mocy i filtrujących. Dlatego też chciałem spróbować swoich sił tworząc coś prostego o stosunkowo małej mocy.

    Topologia
    W moim projekcie zdecydowałem się na połączenie dwóch topologii klasycznych nieizolowanych przetwornic; obniżającej i podnoszącej napięcie. Układ w takiej konfiguracji pozwala na przekazywanie energii w obu kierunkach pomimo różnicy potencjałów na wejściach.
    Eksperymentalna przetwornica dwukierunkowa
    Niestety przepływ prądu jest zależny nie tylko od wypełnienia sygnału sterującego, ale również od napięcia na obu wejściach. Stworzenie pętli sprzężenia zwrotnego takiego układu było by dość skomplikowane, zwłaszcza kontrola prądu, a to właśnie prąd jest jednym z krytycznych parametrów przy ładowaniu i rozładowywaniu akumulatorów. Może dlatego też większość współczesnych przetwornic ładujących baterie zawiera sprzężenie zwrotne kontrolujące prąd poprzez mały rezystor połączony szeregowo z cewką. Rozważając różne sposoby pomiaru tego prądu wpadłem na pomysł poniższego układu.
    Eksperymentalna przetwornica dwukierunkowa
    W prezentowanym diagramie głównym elementem sprężenia zwrotnego jest komparator napięcia z histerezą. W zależności od fazy przetwornicy i stanu tranzystorów sterujących, definiuje on cykl narastania albo opadania prądu w cewce. Monitorując prąd cewki, komparator ogranicza wzrost prądu powyżej zadanej dodatniej i ujemnej wartości, poprzez zmianę fazy przetwornicy. Maksymalny prąd cewki jest zdefiniowany przez rezystor bocznikujący, dzielnik napięcia i histerezę. W ten sposób tworzy się oscylator, który utrzymuje prąd cewki w danym przedziale. Częstotliwość oscylacji jest zmienna i zależna od indukcyjności cewki, napięć wejściowych, wartości rezystorów i histerezy komparatora. Choć przetwornica oscyluje, średni prąd cewki jest bliski zeru i energia nie przepływa pomiędzy potencjałami na wejściach. Na samym początku wydawało mi się, że oscylacja taka może być dość stratna ze względu na opory pasożytnicze cewki i kondensatorów wyjściowych, jednak w prezentowanym układzie jest to nie więcej niż 1 W. Dodatkowe wejście sterujące (Ictrl) wstrzykuje offset na wejście komparatora wymuszając zmianę średniego prądu cewki i pozwala na transfer energii pomiędzy potencjałami wejściowymi (VH VL). Stwarza to swego rodzaju źródło prądowe sterowane napięciowo.

    Wersja podstawowa
    Głównym problemem w konstrukcji przetwornicy dwukierunkowej jest potrzeba kontroli zarówno napięcia wejściowego jak i wyjściowego, jak również decyzja o kierunku przepływu energii. Z tego też powodu większość konstrukcji opiera się o cyfrowy sposób kontroli, gdzie sprzężenie zwrotne jest zaimplementowane w mikrokontrolerze. Próbując uprościć mój układ pod względem układowym i programistycznym zdecydowałem się na użycie małego 8 bitowego mikrokontrolera. Świadomie dokonałem tego wyboru kosztem trochę gorszych parametrów pracy jak czas reakcji i precyzja. W przedstawionej wersji zdecydowałem się na użycie mikrokontrolera Attiny1616 ze względu na rozbudowane peryferia w prostej i małej obudowie. Poniżej przedstawiam diagram uproszczonej konstrukcji przetwornicy.
    Eksperymentalna przetwornica dwukierunkowa
    Tak jak opisałem w poprzednim rozdziale, za kontrolę prądu cewki i oscylacje jest odpowiedzialny komparator z histerezą. Zastosowanie wbudowanego komparatora pozwala na programową zmianę częstotliwości pracy poprzez zmianę histerezy, jak również łagodne włączenie i wyłączenie przetwornicy z poziomu programu. Za wstrzykiwanie offsetu powodującego przepływ prądu w cewce odpowiedzialny jest 8 bitowy przetwornik cyfrowo analogowy. Za pomiar napięcia na wejściu i wyjściu odpowiedzialne są dwa 10 bitowe przetworniki analogowo cyfrowe pracujące z częstotliwością 96 kHz. Z tą częstotliwością obsługiwany jest też kod głównego sprzężenia zwrotnego przetwornicy. W takiej wersji wykonałem pierwszy prototyp który działał poprawnie, jednak jego głównym mankamentem był sposób pomiaru prądu cewki.

    Pomiar prądu cewki
    Krytycznym elementem przedstawionej przetwornicy jest metoda pomiar prądu cewki. Głównym wyzwaniem tego fragmentu układu jest presja, aby spadki napięcia na rezystorze bocznikującym były jak najmniejsze aby zredukować straty mocy, natomiast pasmo sygnału, którym jesteśmy zainteresowani, może sięgać do 500 kHz. Dodatkowo napięcie współbieżne jest bardzo szerokie i mocno zakłócone. Zdecydowałem się nie wykorzystywać wzmacniaczy operacyjnych ze względy na większe skomplikowanie i trudności z zasilaniem ich. Spróbuję pokrótce przedstawić rozwiązania układowe, które wypróbowałem, i rozważyć ich dodatnie i ujemne strony.
    Eksperymentalna przetwornica dwukierunkowa
    Pierwszym rozwiązaniem jest użycie dzielników napięcia, co prawda pozwalają one na zwiększenie napięcia przetwornicy ponad napięcie zasilania mikrokontrolera, jednak redukują one też sygnał spadku napięcia na rezystorze bocznikującym. To rozwiązanie jest proste i spisuje się przy małych napięciach i mocach. Problemem w tym rozwiązaniu jest też wstrzykiwanie offsetu w potencjał, który zależy od napięcia współbieżnego.
    Moim drugim pomysłem było użycie lustra prądowego, to rozwiązanie nie działało, gdyż napięcie na wyjściu miało duży offset i za małe pasmo. Na schemacie, który załączę na końcu, niestety nadal widnieje to nieudane rozwiązanie.
    Trzecie rozwiązanie to użycie dwóch tranzystorów PNP jako wzmacniaczy ze wspólną bazą i zbiasowanie ich czerwoną diodą LED. Te rozwiązanie działało z napięciem współbieżnym od 3 do 20 V, choć napięcie wyjściowe lekko zmieniało się z napięciem współbieżnym (zmienny spadek napięcia na diodzie). To rozwiązanie bezproblemowo przenosi/kopiuje spadek napięcia rezystora pomiarowego do potencjału masy, jednak nie przynosi żadnego wzmocnienia.
    Czwartym rozwiązaniem jest ulepszenie poprzedniego rozwiązania wykorzystując dodatkowy tranzystor NPN do aktywnego biasowania tranzystorów PNP. Dzięki temu układ jest odporny na temperaturowe zmiany napięcia baza-emiter we tranzystorach PNP, co pozwala na zmniejszenie rezystorów emiterowych i wygenerowanie wzmocnienia. Niestety w tym rozwiązaniu zmuszony byłem do wstrzykiwania offsetu do przeciwnej gałęzi wzmacniacza, co zredukowało wzmocnienie do około dwóch. To rozwiązanie jest wykorzystywane w przedstawionym projekcie.
    Ostatnim rozwiązaniem, które jest jeszcze w fazie pomysłu, jest zbudowanie kopii oscyloskopowej sondy prądowej. Użycie elementu Hall’a do pomiaru prądu i dedykowania oscylacji przetwornicy i uzwojenia o dużej przekładni do wstrzykiwania offsetu. Nie jestem pewien jak taki układ się zachowa, gdyż z tego co wiem w normalnej sondzie prądowej to cewka jest odpowiedzialna za pomiar prądów zmiennych a element Hall’a za prądy stałe a ja planuję zamienić ich role. Może ktoś wie, czy element Hall’a będzie miał wystarczające pasmo przenoszenia? Nie wiem też na ile ciężkie będzie zdobycie rdzenia z wystarczającą szczeliną lub przecięcie pełnego.
    Ciekaw jestem też waszych opinii i pomysłów jak najlepiej można by rozwiązać ten fragment układu.

    Cyfrowe sprzężenie zwrotne napięcia
    Skonstruowanie pierwszej pętli sprzężenia zwrotnego jako prądowej pozwala na zmodelowanie tego fragmentu przetwornicy jako źródła prądowego zasilającego kondensator i zmienny rezystor obciążający. Taki model nie posiada „inercji”, przez co jego odpowiedź jest opisana tylko pochodną pierwszego rzędu. To pozwala na zastosowanie prostego sterownika typu włącz-wyłącz. Oczywiście można by się pokusić o jakieś bardziej wyrafinowane rozwiązanie, ale wolałem postawić na szybki czas reakcji kosztem lekkiego uchybu i gorszej regulacji. Poniżej zamieszczam pseudo kod sterownika.
    Code:
    if((NapięcieWyjsciowe<12.0V)&&(NapiecieBaterii>5.6V)) //Tryb zasilania
    
                    WymusMaksymalnyPrad();
    else if((NapiecieWujsciowe>13.0V)&&(NapiecieBaterii<8.4V)) //Tryb ładowania
                    PobierzMaksymalnyPrad();
    else
                    UtrzymajZerowyPrad();

    Nawet ten prosty fragment wykonywany 96 kHz wykorzystuje ok 45% mocy obliczeniowej mikrokontrolera. Ta implementacja pozwala za podłączenie dwóch ogniw Litowych (5.6 V-8.4 V) do szyny 12 V. Kiedy napięcie spada poniżej 12 V układ zaczyna oddawać energię, a gdy napięcia jest powyżej 13 V układ zaczyna odbierać energię. Dodatkowo bateria jest zabezpieczona przed za dużym rozładowaniem i naładowaniem jak również za dużym prądem. Można by się spodziewać, że takie sprężenie zwrotne będzie miało bardzo skokową odpowiedź, jednak trzeba zauważyć, że sam przetwornik ADC wstrzykuje szum, który „rozrzedzają” impulsy prądowe a dodatkowy kondensator na wyjściu przetwornika DAC lekko wygładza odpowiedź systemu.

    Konstrukcja układu
    Pod koniec załączam schemat i projekt płytki, jednak część elementów nie ma wartości a sam układ pomiaru prądu został przerobiony na pająka SMD. Tu postaram się przybliżyć wartości głównych elementów. Myślę, że koszty elementów w zależności od źródła dało by się zmieścić w 100 zł.
    Cewka: Rdzeń MICROMETALS T106-52, 6 zwojów 64x0.2 mm, ~3 µH ~2 mΩ
    Kondensatory VL: 4x2200 µF_25 V, 3x2.2 µF_X7R_50 V, 3x100 nF_X7R_50 V
    Kondensatory VH: 4x1000 µF_35 V, 3x2.2 µF_X7R_50 V, 3x100 nF_X7R_50 V
    Mosfety: 3xBUK7Y12-40E, 2xBUK7M12-60E
    Rezystory pomiarowe: 2x10 mΩ
    Sterownik Mosfetów: MIC4102YM
    Mikrokontroler: Attiny1616
    Układy pomocnicze: 1x napięcie odniesienia dla ADC REF3020, 2x czujniki prądu/napięcia/mocy INA219, wyświetlacz OLED SSD1306 128x64

    Rezultaty
    Układ samoczynnie oscyluje w częstotliwości 200-400 kHz. Jest w stanie utrzymać napięcie z precyzją ~0.2 V. Bezproblemowo ogranicza maksymalny prąd baterii. Jest w stanie automatycznie się przełączyć pomiędzy odbieraniem a oddawaniem energii. Głównym ograniczeniem w mocy maksymalnej jest nagrzewanie spowodowane stratami energii. Układu używam z chłodzeniem pasywnym i pomiary temperatury wykonuję niestety tylko organoleptycznie. Układ jest w stanie pracować ciągle z prądem ok 13 A po stronie niskiego napięcia, co daje około 90 W i chwilowo (5 min) z prądem do 20 A (140 W), zakładając napięcie baterii 7.2 V. W teorii przy większych napięciach i tym samym prądzie byłby w stanie przekazać więcej mocy, choć tego nie testowałem. Straty mocy mieszczą się w przedziale od 2 W do 7 W w zależności od oddanej mocy. W idealnym punkcie sprawność sięga 96%, ale przeważnie jest raczej koło 90% a nawet 80% przy małych mocach. W sprawności uwzględniam też zasilanie mikrokontrolera, wyświetlacza i wszystkich układów pomocniczych. Jedynym mankamentem jest to, że układ nie jest wstanie wystartować samoczynnie gdyż sterownik mosfetów potrzebuje wyższego napięcia niż to z baterii, aby się obudzić. Dlatego też układ trzeba zastartować napięciem 12 V, po czym kontynuuje on pracę samoczynnie. Oto kilka zdjęć z pracy przetwornicy, wszystkie pomiary zrobione sondą X1.
    Poniżej przedstawiam zdjęcia oscyloskopu z napięciem i prądem cewki przy normalnej oscylacji (200 kHz).
    Eksperymentalna przetwornica dwukierunkowa
    Tutaj przedstawiam parametry pracy na wyświetlaczu i szumy na wejściu i wyjściu podczas odbierania energii (ładowanie baterii).
    Eksperymentalna przetwornica dwukierunkowa
    Tutaj przedstawiam parametry pracy na wyświetlaczu i szumy na wejściu i wyjściu podczas oddawania energii.
    Eksperymentalna przetwornica dwukierunkowa
    Ostatnim zdjęciem jest pomiar zmian zapięcia na wyjściu 12 V podczas zmian obciążenia od 0 do 4 A.
    Eksperymentalna przetwornica dwukierunkowa

    Podsumowanie
    Jestem zadowolony z uzyskanych efektów. Nie byłem pewny czy taki układ zadziała i jakie będą jego parametry. Spędziłem trochę czasu nad dopracowaniem układu pomiaru prądu. Rzadko kiedy ma się okazję popracować nad wzmacniaczami na pojedynczych tranzystorach. Jestem zadowolony z efektów, ale nadal planuję wypróbować pomysł z sondą prądową. Trochę nie doceniłem problemów z przekazywaniem wysokich prądów (20 A) płytką drukowaną. Zrobiłem na płytce izolacje termiczne do łatwiejszego lutowania elementów a w większości zalałem je cyną dla poprawy przewodności i oddawania ciepła.
    Myślę, że taka przetwornica jest dość prosta i pozwala na łatwe wdrożenie się do świata cyfrowych przetwornic napięcia. Nic nie stoi na przeszkodzie aby używać takiej topologi jako przetwornicy jednokierunkowej, ale sterowanej cyfrowo. Choć przetwornica taka nie jest w stanie bardzo precyzyjne utrzymać napięcia wyjściowego, to jest bardzo dobra w szybkim ograniczaniu prądu.
    Warto zauważyć, że taki układ upraszcza i izoluje zachowanie baterii, co pozwala na podłączenie wielu różnych baterii do tej samej szyny zasilania. Rozważam nawet zbudowanie małej przydomowej niskonapięciowej, zdecentralizowanej sieci energetycznej.
    Na koniec dodaję zdjęcie płytki i załącznik z projektem w eaglu i kodem do µC.
    Eksperymentalna przetwornica dwukierunkowa

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    piotrek_bogdan
    Level 11  
    Offline 
    piotrek_bogdan wrote 16 posts with rating 216, helped 0 times. Live in city Kraków. Been with us since 2008 year.
  • IGE-XAO
  • #2
    ADI-mistrzu
    Level 30  
    @piotrek_bogdan, fajny projekt, dawno takiego nie było na elektrodzie.

    W kwestii pomiaru prądu, pomyśl o gotowych układach z izolowanym pomiarem jak:
    https://www.allegromicro.com/en/products/sens...-to-fifty-amp-integrated-conductor-sensor-ics

    Np.: ACS730, tani nie jest niestety, ale chodzi o ideę, pewnie znajdziesz innych producentów z podobną technologią.

    Odnośnie start-up, jak masz jeszcze wolny kanał PWM, to może pokusić się o dorobienie pompy ładunkowej, aby na chwilę podnieść napięcie?

    Możesz zamieścić schemat w PDF? Nie mam Eagle.
  • IGE-XAO
  • #4
    ADI-mistrzu
    Level 30  
    @piotrek_bogdan, jeśli mogę, to mam propozycję:

    1. Mógłbyś zastosować driver do mosfetów, który pracuje przy niższym napięciu, wtedy po zrobieniu "by-pass" z diody Schotkiego z lini 5 V do VCC drivera możesz uruchamiać system "na zimno". Tranzystory masz dobrane, które przy 5 V już są nieźle otwarte.
    Np. wstawić taki driver jak MIC4600:
    https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/MIC4600-Data-Sheet-20005584B.pdf
    Ma wbudowany regulator LDO i oddzielną linię do zasilania drivera. Wtedy nie dość, że masz zimny start, to i jeden komponent z PCB Ci wypada.

    2. Zmiana tranzystora na PSMN2R0-30YLD być może pozwoliła by na wyeliminowanie pozostałych, które są równolegle (czyli zamiast 6 miały być dwa). Co prawda ma większy Qg, ale uwzględniając że masz w układzie po 3 sztuki, w sumie różnica robi się niewielka. Rezystancja cieplna tego tranzystora jest także 5x lepsza, więc mniejsze ryzyko usterki od przegrzania struktury.
  • #5
    atek000
    Level 17  
    Widziałem już taki projekt i nawet pracowałem z inżynierami projektującymi takie urządzenie dużej mocy. Na papierze miało to być wysokiej sprawności, z założenia 95% i wyżej. Niestety inżynierowie tuż po studiach bez najmniejszego doświadczenia praktycznego, finansowanie jeszcze z Unii Europejskiej, więc tylko marnowanie niezłych kwot. Po pięciu latach finansowanie się skończyło więc upadek, firmę przejmuje inna, która ma dofinansowanie a w zarządzie siedzą te same "mordy" - i tak już chyba piąty raz.
    Idea i projekt bardzo tajny przez poufny - wystarczy wpisać w google "split-pi". Urządzenie podnoszące i obniżające napięcie w obie strony. Działało od 1.2 V do 60 V.
    Właścicielem patentu był Tim Crocker, ale już nie jest, teraz jest firma ETA Green Power Ltd. o ile nie zastawili w jakimś banku.
  • #6
    piotrek_bogdan
    Level 11  
    ADI-mistrzu wrote:
    W kwestii pomiaru prądu, pomyśl o gotowych układach z izolowanym pomiarem jak:
    https://www.allegromicro.com/en/products/sens...-to-fifty-amp-integrated-conductor-sensor-ics
    Np.: ACS730, tani nie jest niestety, ale chodzi o ideę, pewnie znajdziesz innych producentów z podobną technologią.

    Właśnie też myślałem o tego typu zintegrowanych czujnikach, jednak ciężko było mi znaleźć coś z wystarczającym pasmem. Jestem zaskoczony, że ten ACS730 ma pasmo do 1 MHz, jednak producent podaje też znaczące przesunięcia fazy, 400 kHz ma już 40 stopni. A może to właśnie lepiej, może to być swego rodzaju ograniczeniem maksymalnej częstotliwości. Myślę, że musiałbym przetestować taki czujnik i zobaczyć jak zadziała. Dzięki za pozostałe podpowiedzi. Ten driver ciekawy, tylko trochę w upierdliwej obudowie. A ten MOSFET to potwór, super by pasował.

    atek000 wrote:
    Idea i projekt bardzo tajny przez poufny - wystarczy wpisać w google "split-pi". Urządzenie podnoszące i obniżające napięcie w obie strony. Działało od 1.2 V do 60 V.

    Ten wspomniany „Split-pi” to w sumie połączenie dwóch takich przetwornic jak przedstawiłem. Wydaje mi się, że takie projekty już są właśnie bardziej w sferze teoretycznych rozważań. Jak coś jest do wszystkich napięć, to równocześnie jest nieopłacalne do jednego konkretnego zastosowania. I tak jak wspomniałeś, „darmowe” pieniądze niestety korumpują.
    piterek-23 wrote:
    Ciekawy projekt, aż miło się ogląda takie konstrukcje na elektroda.pl, a nie wszędzie tylko Arduino na kabelkach.

    Dzięki, trzeba się postarać, aby nie oddać tego forum barbarzyńcom spod znaku Arduino. A tak na serio, to takie upublicznienie zabaw z µC sprzyja trochę dostępności części, np. wyświetlacz OLED który użyłem, kosztował parę groszy prawdopodobnie tylko dlatego, że ma bibliotekę pod Arduino. Podobnie z IN219.
  • #7
    Wertyuud
    Level 21  
    W nowym wydaniu "sztuki elektroniki" jest opis podobnego układu. Zawartość rozdziału z projektem można podejrzeć tu.
  • #8
    ADI-mistrzu
    Level 30  
    piotrek_bogdan wrote:
    driver ciekawy tylko trochę w upierdliwej obudowie.


    Nie jest zła, raczej kwestia odpowiedniego przygotowania PCB i układu oraz dobry topnik :)
    W warunkach domowych radzę sobie z BGA w rastrze 0.5 mm i jak na razie zawsze mam 100% poprawnie przylutowanych układów (największy miał 400 kulek).

    Mikroskop przy lutowaniu tak małych elementów się przydaje, ale kiedyś przy QFN radziłem sobie z inspekcją poprzez robienie zdjęć aparatem cyfrowym w trybie bliskich obiektów (chyba makro się ten tryb nazywa). Udawało się wtedy zobaczyć, czy któryś punkt lutowniczy jest niedolutowany.
    Można także kupić kamerkę na USB (najlepiej w postaci rurki) i dostawić soczewkę, aby ogniskowa była blisko niej. Wtedy na komputerze widzimy ładnie punkty lutownicze.
    Niestety, nie da się przy tym lutować, ale przynajmniej widzimy jakość spoiny.
  • #9
    atom1477
    Level 43  
    Tak tylko sprostuję:
    piotrek_bogdan wrote:
    Układ w takiej konfiguracji pozwala na przekazywanie energii w obu kierunkach pomimo różnicy potencjałów na wejściach.

    Nie pomimo, ale właśnie dzięki różnicy.
    Dzięki różnicy napięć, w jedną stronę przetwornica jest przetwornicą BUCK, a w drugą BOOST. I dzięki temu jest dwukierunkowa.
    Bez różnicy napięć, albo z różnicą w złą stronę, nie mogło by to działać.

    No, ale projekt jest spoko.
  • #10
    piotrek_bogdan
    Level 11  
    Wertyuud wrote:
    W nowym wydaniu "sztuki elektroniki" jest opis podobnego układu. Zawartość rozdziału z projektem można podejrzeć tu.

    Ciekawy link, też zastanawiałem się nad zastosowaniem stałego wypełnienia sygnału sterującego jako "przekładni" przetwornicy, i myślę że to jest dobre podejście jeśli chodzi nam tylko o zmianę napięcia, jednak mi zależało też na kontroli prądu, co trochę komplikuję sprawę.