NETCOM S.A. ΨΗΦΙΑΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΛΜΟΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ DIGITAL CONTROL OF SWITCHING POWER CONVERTERS

NETCOM S.A. ΨΗΦΙΑΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΑΛΜΟΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ DIGITAL CONTROL OF SWITCHING POWER CONVERTERS

Αρχή λειτουργίας των Αναλογικών και ψηφιακών Παλμομετατροπεων Ο παλμός οδήγησης ενός παλμομετατροπέα, με αναλογική Διαμόρφωση Εύρους παλμού (PWM), μεταβαίνει σε υψηλό επίπεδο κατά τη μετάβαση της ακμής των παλμών ενός ταλαντωτή και σε χαμηλό επίπεδο όταν το πλάτος μιας τριγωνικής κυματομορφής φτάσει ένα προκαθορισμένο επίπεδο τάσης το οποίο το παράγει ένας ενισχυτής που ενισχύει το σφάλμα της τάσεως εξόδου. Ένας παλμομετατροπέας με ψηφιακή Διαμόρφωση Εύρους παλμού (DPWM), διαβάζει την τιμή της τάσεως εξόδου μέσω ενός μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (A/D), υπολογίζει στην αρχή κάθε περιόδου τη χρονική διάρκεια παραμονής ανά περίοδο του παλμού οδήγησης σε υψηλό επίπεδο (Duty Cycle) και στη συνέχεια παράγει τον κατάλληλο παλμό.

Παλμομετατροπέας με αναλογικό PWM

Παλμομετατροπέας με Ψηφιακό PWM

Ανάλυση τάσεως εξόδου Ένας παλμομετατροπέας με αναλογικό PWM έχει πολύ υψηλή ανάλυση και η τάση εξόδου του μπορεί να ρυθμιστεί σε οποιαδήποτε τιμή. Η ρύθμιση περιορίζεται μόνο από το κέρδος του βρόχου ανάδρασης, τις θερμικές μεταβολές και το θόρυβο. Ένας παλμομετατροπέας με ψηφιακό PWM έχει περιορισμένη ανάλυση και η τάση εξόδου του μπορεί να ρυθμιστεί σε συγκεκριμένες τιμές. Αν n είναι ο αριθμός των bit που διαθέτει το ψηφιακό PWM τότε η ανάλυση της τάσεως εξόδου είναι V OUT(MAX) /2 n.

Κριτήριο ευστάθειας για το ψηφιακό PWM Η ανάλυση οπουδήποτε υποσυστήματος του ψηφιακού PWM πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ανάλυση του μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (A/D). Εάν δεν τηρείται το προηγούμενο κριτήριο τότε κάθε προσπάθεια διόρθωσης της τάσεως εξόδου θα προκαλεί μία μεταβολή στην τάση αυτή μεγαλύτερη από την ανάλυση του Α/D. Αυτό θα έχει σαν αποτέλεσμα η τάση εξόδου του συστήματος να ταλαντώνει γύρω από την επιθυμητή τιμή χωρίς να μπορεί να βρεθεί ποτέ μία σταθερή τιμή και να παράγονται στην έξοδο ανεπιθύμητες αρμονικές.

Λειτουργία PID συστήματος ελέγχου Το PID (Proportional Integral Derivative ) σύστημα ελέγχου έχει ως στόχο να ρυθμίζει την τάση εξόδου μεταβάλλοντας το Duty Cycle του παλμού οδήγησης ενώ ταυτόχρονα αντισταθμίζει το βρόχο ανάδρασης εξασφαλίζοντας το επιθυμητό περιθώριο κέρδους και περιθώριο φάσεως. Η διαφορά μεταξύ της τάσεως εξόδου και της τάσεως αναφοράς διαβάζεται από τον A/D με συχνότητα πολύ μεγαλύτερη από τη συχνότητα λειτουργίας του παλμομετατροπέα και αφού τροποποιηθεί κατάλληλα από το PID σύστημα ελέγχου μετατρέπεται σε συντελεστή τροποποίησης του Duty Cycle του παλμού οδήγησης για την επόμενη περίοδο λειτουργίας του παλμομετατροπέα.

Ανάλυση PID συστήματος ελέγχου Η λειτουργία του PID συστήματος ελέγχου περιγράφεται από την παρακάτω εξίσωση: D c (k+1) = K p D e (k) + K d [ D e (k) D e (k -1) ] + K i D i (k) + D ref (k) όπου: D c (k+1) (Το duty cycle της επόμενης περιόδου) D i (k) = D i (k 1) + D e (k) (Προηγούμενη τιμή + Σφάλμα) D e (k) = D ref (k) D out (k) (Σφάλμα)

Ανάλυση PID συστήματος ελέγχου Ο αναλογικός (proportional) συντελεστής Κp είναι ο συντελεστής του κέρδους και καθορίζει την ακρίβεια της ρύθμισης. Η αύξηση του βελτιώνει το χρόνο απόκρίσης σε μεταβατικές καταστάσεις, μειώνει το σφάλμα σε σταθερή κατάσταση λειτουργίας αλλά μειώνει την ευστάθεια. Ο ολοκληρωτικός (integral) συντελεστής Κi είναι ανάλογος με το χρόνο που διαρκεί το σφάλμα συντελεί στο να ελαχιστοποιηθεί αυτό το σφάλμα. Η αύξηση του μειώνει το σφάλμα αλλά μειώνει την ευστάθεια και αυξάνει το χρόνο μεταβατικής απόκρισης. Ο Διαφορικός (derivative) συντελεστής Κd αντισταθμίζει τις χρονικές καθυστερήσεις που δημιουργούνται στο βρόχου ανάδρασης. Έχει ανάλογη συμπεριφορά με την ανύψωση φάσης που προκαλεί ένα μηδενικό στο αναλογικό έλεγχο. Βελτιώνει την μεταβατική απόκριση του συστήματος σε βηματικό φορτίο.

Συνάρτηση μεταφοράς του PID ελέγχου Η Συνάρτηση μεταφοράς του PID ελέγχου γράφεται ως εξής: K p + K i /(1-z -1 )+K d (1-z -1 ) = [(K p + K i +K d ) (K p -2K d ) z -1 + K d z -2 ]/(1-z -1 ) Η συνάρτηση μεταφοράς περιέχει ένα πόλο και δύο μηδενικά. Οι τιμές των συντελεστών Κp, Ki και Kd καθορίζουν την απόκριση συχνότητας του συστήματος, γνωστά ως περιθώριο κέρδους και περιθώριο φάσεως στον αναλογικό έλεγχο.

Βελτίωση του συντελεστή απόδοσης Με τον ψηφιακό έλεγχο οι απώλειες λειτουργίας του παλμομετατροπέα μπορούν να μειωθούν εάν εφαρμοστούν κάποιες από τις παρακάτω τεχνικές: Παράληψη παλμών Διαμόρφωση συχνότητας των παλμών Μετάβαση από λειτουργία buck σε synchronous- buck και το αντίστροφο. Μετάβαση από λειτουργία συνεχούς αγωγής σε λειτουργία μη συνεχούς αγωγής και το αντίστροφο.

Ρύθμιση της ευστάθειας στον ψηφιακό έλεγχο Η ευστάθεια του συστήματος επιτυγχάνεται δίνοντας κατάλληλες τιμές στους συντελεστές Kp, Ki και Kd. Ο ψηφιακός έλεγχος είναι ακριβής και ανεξάρτητος από θερμοκρασιακή ολίσθηση, γήρανση και ανοχή των υλικών. Οι συντελεστές Kp, Ki και Kd μπορούν να αποθηκευτούν σε μία μνήμη και μπορούν να μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια λειτουργίας του παλμομετατροπέα και να τον αντισταθμίζουν κατάλληλα σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Εκτός του PID ελέγχου υπάρχει η δυνατότητα χρησιμοποίησης επιπλέον ψηφιακών φίλτρων για αύξηση των διαθέσιμων πόλων και μηδενικών.

Μη γραμμικός έλεγχος του βρόχου ανάδρασης Κατά τη διάρκεια μεταβατικών καταστάσεων ο ψηφιακός έλεγχος μπορεί να ανιχνεύσει την απότομη μεταβολή της τάσεως εξόδου και να μεταβάλει τους συντελεστές αυξάνοντας το κέρδος του βρόχου ανάδρασης και μειώνοντας έτσι την απόκλιση της τάσεως και το χρόνο επαναφοράς της. Μετά το πέρας του μεταβατικού φαινομένου οι συντελεστές επανέρχονται στις αρχικές τιμές τους.

Πλεονεκτήματα χρήσης ψηφιακού ελέγχου Μεγάλη ακρίβεια στη ρύθμιση της τάσεως εξόδου ανεξάρτητα από την ανοχή των υλικών λόγω ρυθμιζόμενης τάσεως αναφοράς. Λιγότερα υλικά- Μικρότερο μέγεθος και πολυπλοκότητα pcb. Προγραμματιζόμενοι χρόνοι στην οδήγηση των ημιαγώγιμων διακοπτών-ευελιξία στην ανάπτυξη. Προσαρμογή σε μεταβολή των συνθηκών λειτουργίας όπως οι περιβαλλοντολογικές μεταβολές. Αποθήκευση των παραμέτρων λειτουργίας- Δυνατότητα λειτουργίας ενός συστήματος με πολλαπλούς τρόπους.

Πλεονεκτήματα χρήσης ψηφιακού ελέγχου Δυνατότητα ύπαρξης επικοινωνίας μεταξύ δύο ή περισσότερων μετατροπέων μεταξύ τους, ή μεταξύ των μετατροπέων και ενός κεντρικού ελεγκτή μέσω μιας σειριακής θύρας. Με τον τρόπο αυτό μπορεί ο κεντρικός ελεγκτής να παρακολουθεί ή να μεταβάλει κάποιες παραμέτρους λειτουργίας του συστήματος. Εύκολη ρύθμιση, μέσω προγράμματος χωρίς τη χρήση υλικών, των προστατευτικών ορίων λειτουργίας όπως υπέρταση ή υπόταση στην είσοδο ή στην έξοδο του συστήματος.

Πλεονεκτήματα χρήσης ψηφιακού ελέγχου Εύκολος χειρισμός της αλληλουχίας των διαφόρων σημάτων και των χρονικών καθυστερήσεων μεταξύ τους. Υποστήριξη ομαλής εκκίνησης (soft start) και καταμερισμού ρεύματος (current sharing) μέσω προγράμματος. Δυνατότητα αυτοελέγχου της μονάδας. Απλούστερος έλεγχος Μικρότερος χρόνος ανάπτυξης. Μικρότερο κόστος Μεγαλύτερη αξιοπιστία.

Βιβλιογραφία SILICON LABORATORIES Designing with the Si825x digital power controller SILICON LABORATORIES Si825x digital power controller data sheet Bob Carroll (Primarion) New digital Delivery Architecture Geof Potter An introduction to digital control of switching power converters Ka Leung ;Optimizing system operation using a flexible digital PWM controller ZILKER LABS ZL2005 Digital control compensation