Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 2
Przykładowy system zasilania telefonu komórkowego
najbardziej wymagającyblok pod względem zaburzeń
PMU = Power Management Unit
pośredni stopień impulsowy konieczny gdyż Uout > Uin(min)
blok wymagający niskiego poziomu zaburzeń, stopień impulsowy niekonieczny gdyż Uout < Uin(min)
∗ liniowy stabilizator napięcia, gdyż wymagane małe zaburzenia∗ układ o niskim spadku napięcia (LDO – Low Drop-Out), gdyż w urządzeniu mobilnym wymagana minimalizacja strat mocy
przetwornica impulsowa gdyż Uout > Uin(min)
przetwornica impulsowa, gdyż duża różnica Uout−Uin; w takim przypadku straty mocy dużo mniejsze niż w układzie liniowym
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 3
Przykładowe podzespoły elektroniki mocyw systemie zasilania
Sterownik LED – podświetlanie
Przetwornica zaporowa – zasilacz sieciowy ładowarki
Jednostka zarządzania energią (PMU)Układ nadzorowania akumulatora – zabezpieczenie
i pomiar zapasu ładunku (fuel gauge)
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 4
Podsystem sterujący zasilaniem oświetlenia LED
4 diody szeregowo wymagają U > Uin, dlatego przetwornica impulsowa podwyższająca (scalony
sterownik+tranzystor)sterowanie
jasnością – bufor sterowany
sygnałem PWM
systemem zarządza prosty mikrokontroler
akumulator Li
konieczne bufory wysterowujące, gdyżza mała obciążalność wyjść MCU
przycisk wielobarwny (3-5)
lampa błyskowa (A1)
podświetlenie klawiatury (2)
podświetlenie ekranu (A2)
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 5
System zasilaniakomputera przenośnego
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 6
Małe obciążenie / brak obciążenia(light load / no load)
● Przetwornica wchodzi w tryb DCM● Istnieje minimalny czas, na jaki tranzystor może zostać załączony
tymczasem w trybie DCM współczynnik wypełnienia musi być jeszcze mniejszy, niż byłby w trybie CCM dla uzyskania tego samego Uo
● Przez ten czas na wyjście może być dostarczana energia większa niż odbierana
● Charakterystyki zależne od obciążenia, a więc także współczynnik wypełnienia wytwarzany przez sprzężenie zwrotne
● Losowe pomijanie impulsów● Zmienna częstotliwość przełączania● Dezorientacja sprzężenia prądowego, które polega na pomiarze prądu
tranzystora oraz generuje opadające zbocze kompensujące● Nieprzewidywalne widmo zaburzeń● Można włączyć opornik równolegle do wyjścia ⇒ stale niższa sprawność
(również przy dużym obciążeniu)
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 7
Pomijanie impulsów (pulse skipping)
● Straty statyczne małe, gdyż mały prąd● Dominują straty dynamiczne● Jeżeli czas przewodzenia wynikający ze sprzężenia zwrotnego jest bardzo
krótki, to bardziej opłaca się załączać na dłużej z proporcjonalnie dłuższym okresem
● Możliwa znacząca poprawa sprawności
● Jedna z technik: sterowanie ze stałym czasem załączenia (constant on-time control)
ton = const; aby zmienić D, sterownik modyfikuje Ts
● Skutkuje przejściem od PWM do PFM (praca ze zmienną częstotliwością przełączania)
Przetwornica obniżająca na MAX8632
bez pomijania impulsów
z pomijaniem impulsów
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 8
Problemy
● Pomijanie impulsów zwiększa sprawność● ale zmiana częstotliwości przełączania jest
też źródłem problemów emisja dźwięku w paśmie słyszalnym,
o zmiennej częstotliwości trudna filtracja zaburzeń – zmienna
częstotliwość w bardzo szerokim paśmie gorsza filtracja i regulacja Uo
● dodatkowy skutek zmiany trybu pracy pogorszona odpowiedź dynamiczna na
zmiany obciążenia na granicy trybów● MAX8632: wejście SKIP wyłącza pomijanie
przy małym obciążeniu sterownik umożliwia bardzo małe D przy fs ≈ const
tryb FCCM umożliwia pracę z większym D (niż DCM) oraz poprawia dynamikę
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 9
Tryb grupowy (burst mode) – sterowanie paczkami impulsów
● Składniki mocy strat – większość proporcjonalna do częstotliwości przełączania
tranzystor (straty dynamiczne) układy scalone obwodu
sterowania mostek diodowy (w tym
układzie – w.cz.) tłumik przepięć transformator
● Bramkowanie zegara ⇒ impulsy o podstawowej częstotliwości przełączania pojawiają się w paczkach
● Paczki są rozdzielone długimi okresami bez przełączania (wyłączony tranzystor), w wyniku czego efektywna częstotliwość spada do ~1 kHz
● Wysoka częstotliwość jest nadal określona – łatwiej filtrować
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 10
Tryb grupowy w sterowniku ze zintegrowanym MOSFETem FSD210
Kluczowym elementem jest komparator z histerezą, blokujący sterownik bramki (wymuszający stan niski na jego wyjściu) gdy VFB < 0,58 V i załączający go gdy VFB > 0,64 V
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 11
Realizacja z użyciem standardowego sterownika
Sprzężenie napięciowe jest zdezaktywowane (pin 10 VFB do masy) ⇒ współczynnik wypełnienia jest ograniczony do 50% lub przez sprzężenie prądowe.W miarę jak UC6 rośnie powyżej UZ,D3, V11 → VCC (pin 3). Próg aktywacji wewnętrznego komparatora 1,6 V zostaje przekroczony i sterownik wyłącza wewnętrzny tranzystor (pin 16 PSD – dren) aż UC6 spadnie poniżej progu dezaktywacji komparatora (posiada on histerezę).Sprzężenie prądowe pozwala ograniczyć prąd uzwojenia, co redukuje magnetostrykcyjną emisję dźwięku w trybie grupowym (załączanie na krótki czas z niską f). Wymaga to jednak zwiększenia Lpri lub fs.
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 12
Współdzielenie obciążenia (load sharing)
● Równoległe połączenie przekształtników
zwykle przetwornic, bo łatwiej zrealizować w układach DC
● Redundancja (nadmiarowość) niezawodność systemu
● Rozproszone wydzielanie mocy mniejsza gęstość mocy mniejsza moc strat całkowita
w części proporcjonalnej do i 2
● Konieczny równy podział prądu między moduły
● Pożądana możliwość przy-/odłączania pod napięciem
hot swap – kiedy na szynie panuje niezerowe napięcie
moduł zasilający musi posiadaćwejście pomiaru napięcia (SENSE)
lub dostępny z zewnątrz obwód sprzężenia zwrotnego
szyna napięcia wejściowego
szyna wyjściowa
szyna podziału prądu
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 13
Podstawowa zasada działania sterownika podziału obciążenia (load share controller) LTC4350
ISUPPLY
➘
➘
➘
➘
Napięcie w tym punkcie odzwierciedla prąd wyjściowy danego modułu ISUPPLY
(płynący z wyjścia OUT+ do szyny wyjściowej)
Napięcie w tym punkcie (napięcie szyny SHARE) odzwierciedla prąd odniesienia
potrzebny do tego, by napięcie wyjściowe VOUT (przeskalowane) było równe VREF
➚
Wzmacniacz w konfiguracji przetwornika napięcie/prąd, przetwarza napięcie VCOMP2 na prąd IADJ
➘
Wzmacniacz różnicowy transkonduktancyjny (prąd
wyjściowy proporcjonalny do wejściowej różnicy napięć)
Wymusza, by VSUPPLY=VSB, a więc by prąd wyjściowy modułu był równy prądowi odniesienia ISUPPLY=IREF
Bocznik pomiarowy prądu
➚
VSENSE = VOUT − ROUT×IADJ
(TO OUTPUT BUS)
(FROM SUPPLYMODULE)
(TO SUPPLYMODULE)
„Oszukanej” przetwornicy wyda się, że wytwarza zbyt małe napięcie wyjściowe ⇒ jej wewnętrzne sprzężenie zwrotne zwiększy D ⇒ VOUT ↗ ⇒ ISUPPLY ↗
VOUT
➚
➚
VSUPPLY I∝ SUPPLY
VSB I∝ REF
Opornik przetwarza prąd IADJ na napięcie, które odejmuje się od napięcia wyjściowego VOUT.W ten sposób wytwarza sztuczne (nieprawdziwe) napięcie wyjściowe, które podawane jest na wejście pomiarowe przetwornicy
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 14
Jednoczesna regulacja napięcia wyjściowego
(TO OUTPUT BUS)
(FROM SUPPLYMODULE)
(TO SUPPLYMODULE)
Za dokładną regulację napięcia szyny wyjściowej
odpowiedzialny jest wzmacniacz E/A1 sterownika, a nie wewnętrzne sprzężenie
zwrotne przetwornicy (modułu)
≈VOUT
VOUT
VFB V∝ OUTVSB=VCOMP1−VF
VFB ≤ VREFWyjście E/A1 wysterowane, poprzez
diodę trafia na wejście E/A2.Zamknięte w ten sposób sprzężenie
zwrotne ustala poprzez E/A1 i E/A2 taką wartość VSB (a więc ISUPPLY),
by VFB = VREF
VFB > VREFVCOMP1=0 ⇒ dioda rozwarta.Sprzężenie zwrotne wymusza tylko ISUPPLY=IREF
VSB (IREF)
VFB ≤ VREF wystąpi w tym sterowniku, który ma najwyższe VREF. On stanie się urządzeniem nadrzędnym (master), które narzuca napięcie szyny VSB. Pozostałe sterowniki będą pracować jako urządzenia podrzędne (slave).
Aby sprzężenie „prądowe” mogło działać, napięcia odniesienia
modułów muszą być ustawione na niższe niż pożądane VOUT. Przetwornice będą je bowiem
porównywać z VSENSE, które musi być mniejsze od VOUT o spadek
na ROUT
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 15
Rozruch pod napięciem wyjściowym
rozruch przy zerowym napięciu szyny wyjściowej
rozruch przy niezerowym napięciu szyny wyjściowejz użyciem odpowiedniego
sterownika
typowy rozruch przy niezerowym napięciu szyny wyjściowej
z użyciem nieprzystosowanego sterownika
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 16
Przełączanie modułu pod napięciem z użyciem LTC4350
● Realizowane poprzez 2 zewnętrzne tranzystory MOSFET o niskiej RDS(on)
prąd płynie przez kanał jednego tranzystora i diodę podłożową drugiego dwukierunkowe przewodzenie i blokowanie w zależności od VG
● Podłączanie modułu do systemu pin GATE jest wyjściem źródła prądowego 10 µA, które ładuje CG napięcie na bramce narasta łagodnie ⇒ pozwala powolne przejście
tranzystorów ze stanu rozwarcia do zwarcia kondensatory przetwornicy (szczególnie Cout) ładują się bez przetężenia przetwornica powoli włącza się we współdzielenie obciążenia brak destabilizacji sprzężenia zwrotnego przetwornicy
VOUT
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 17
Zastosowanie sterownika LTC4350
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 18
Sekwenser zasilania odbiorników (power sequencer) LM3880
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 19
Sekwenser zasilania: wyłączanie
● Załączanie zawsze w kolejności 1-2-3 – dla uzyskania pożądanego działania należy odpowiednio przyporządkować obciążenia do wyjść
● Wyłączanie w dowolnej z 6 możliwych sekwencji
0
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 20
Sekwenser zasilania: opcje układu
Dla zamawiających większe ilości, producent oferuje możliwość
zaprogramowania praktycznie dowolnych sekwencji i opóźnień
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 21
Sekwenser zasilania LM3881
● Sztywna sekwencja wyłączania odwrotna do załączania (1-2-3 / 3-2-1)
● Regulacja opóźnienia zmiana częstotliwości wewnętrznego
oscylatora – wartość CADJ
● INV=VCC odwraca polaryzację wyjść
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 22
Zasilanie urządzeń przenośnych typu PDA
● Szybko rosnące złożoność systemów
zasilania pobór energii
w stosunku do dostępnych magazynów (akumulatorów)
● wymuszają większy nacisk na bardziej
efektywne i tańsze zarządzanie energią
● Rozwiązaniem są scalone PMU
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 23
Scalony układ zarządzania energią (Power Management Integrated Circuit) LP3970
Układ dedykowany dla procesorów aplikacyjnych
o architekturze ARM stosowanych w urządzeniach mobilnych (np. PXA27x Intela)
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 24
Zastosowanie układu LP3970
działanie modułów zasilających konfigurowane programowo przez I2C
pojedyncze wejścia/wyjścia sterujące: 6 o sztywnej funkcji + 4 wyjścia ogólnego przeznaczenia
podtrzymanie zasilania LDO_RTC – wbudowana ładowarka Li-ion / LiMn programowana przez I2C
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 25
Impulsowe przetwornice obniżające
● Cechy 2 tranzystory wewnątrz elementy L, C, (D) zewnętrzne sterowanie napięciowe +
sprzężenie w przód Dmax=100% umożliwia Uo≈Ui
● Układ impulsowy mała moc strat nawet przy dużej
różnicy Ui−Uo (przeciwnie LDO) małe ∆T, η ≥ 90% zasilanie dużych obciążeń
● Funkcje łagodny rozruch (krokowy wzrost
ograniczenia prądu tranzystora) tryb małego obciążenia zabezpieczenie prądowe
i temperaturowe
● Dynamiczne zarządzanie napięciem (DVM)
zmiana napięcia w trybie ciągłym podczas pracy mikroprocesora
optymalizacja poboru mocy poprzez zmianę częstotliwości zegara i napięcia zasilania (PXA27x – 6 trybów)
szerokie granice duża dokładność
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 26
Implementacja trybu grupowego
W trybie grupowym tętnienie VOUT będzie z zasady większe skoro kondensator jest
rzadziej doładowywany
VOUT
Granicą jest stan BCM, w którym przetwornica pozostaje
w trybie grupowym
Dolna granica napięcia w trybie małego obciążenia jest wyższa niż napięcie docelowe w trybie dużego obciążenia.
Dzięki temu nieuchronny zapad VOUT w chwili wzrostu obciążenia nie będzie groźny dla zasilanego urządzenia.
Dodatkowo można prosto wykryć wzrost obciążenia poprzez detekcję wynikłego znaczącego spadku napięcia
VOUT < VLow2 = Vout pożądane
W czasie wyłączenia tranzystora pobór mocy
= zaledwie 16 µA
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 27
Sygnały sterujące i aktywacja modułów zasilających
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 28
Sekwencyjny rozruch (zimny)
1. Przyłączenie akumulatora podtrzymującego – na odpowiednim pinie pojawia się napięcie. Sterownik uruchamia LDO_RTC, który zasila pin VCC_BATT procesora, co przy wystawionym RSTO powoduje startowy reset procesora.
2. Po ~50 ms sterownik zdejmuje RSTO.3. Procesor czeka na zdjęcie BATT_FLT.4. Przyłączenie akumulatora głównego –
pojawia się napięcie na pinach VIN. Sterownik zdejmuje BATT_FLT.
5. Procesor wystawia SYS_EN, co uaktywnia moduły zasilania wyższego napięcia.
6. Po 125 ms wystawia PWR_EN, co uaktywnia moduły zasilania niższego napięcia.
7. Po uruchomieniu wszystkich modułów, sterownik zdejmuje VDD_FLT, co powoduje, że procesor zaczyna kontynuować rozruch, uruchamiając swój oscylator i pętle fazowe.
8. Procesor rozpoczyna wykonywanie kodu.
Odrębna sekwencja jest realizowana podczas sprzętowego resetu.
Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, lato 2011/12 29
Możliwości programowej konfiguracji
Aktywacja modułów
Wyjścia ogólnego przeznaczenia
Moduły LDO
Moduły DVM
Akumulatory
EN=0/1 – wyjście w stan niski/wysoki; nHZ=0 – wyjście w stan wysokiej impedancji (HZ)
VOUT – bity kodujące wartość napięcia wyjściowego
BAT_FLT – napięcie progowe rozładowania akumulatora głównego; BU_Bat – prąd ładowania akumulatora podtrzymującego; nBU_Bat_EN, nBat_FLT_EN, nBU_Bat_Charger – aktywacja przełączania i ładowania akumulatorów
VOUT – wartość napięcie wyjściowe; Ext_clk – synchronizacja przełączania zegarem zewnętrznym (pin SYNC / SYS_CLK); nStep_EN – aktywacja łagodnego rozruchu