Частотная компенсация понижающего преобразователя
Пн сен 26, 2022 18:03:43
Всем здавия.
Последние несколько месяцев работал над методикой расчета частотной компенсации понижающего ИИП.
Имеющиеся в аппоунтах методики не позволяют рассчитать компенсацию по заданным частоте кроссовера и запасу по фазе (ну или я плохо искал).
Такой способ реализует программа biricha, но она в бесплатной версии ограничена.
Собственно методом мозгового штурма я воспроизвел эту методику пока для третьего типа компенсации, на мой взгляд на сегодня она самая актуальная т.к. Low ESR кондеры сейчас очень доступны.
Выходной фильтр двухтактных (мост, полумост, пуш-пул) и однотактных прямоходов можно свести к понижающему преобразователю и так же пользоваться этой методикой, единственное нужно взять больше запас по фазе если драйвер и транзисторы имею значительную, относительно частоты кроссовера, задержку. Учет этой задержки будет в методике для цифрового регулятора (см. ниже).
При расчете требуется задавать запас по фазе не менее 45 градусов, максимум обычно 70-75 градусов. Чем выше запас по фазе тем менее колебательный отклик.
Частоту кроссовера выбирают в диапазоне частоты шим/5-20. Так же есть методики выбора частоты кроссовера по заданному провалу напряжения при набросе нагрузки.
Чем выше частота кроссовера тем быстрее отклик скомпенсированного БП. Физический смысл частоты кроссовера - выше нее перестает работать обратная связь.
Я планировал на эту тему цикл видео на своем ютуб канале, максимально доступно , чтобы и новичек мог разобраться, но по понятным причинам не уверен что смогу это сделать т.к. прежде чем дойти до темы устойчивости я планировал раскрыть более простые вопросы, а это около 5-6 видео. И вообще сейчас плохо дается такая работа.
Поэтому выкладываю как есть тут, надеюсь тем кто в теме материал будет полезен. Сам я честно в теме устойчивости не очень, в инсте много лет назад все это проходил, но успешно забыл, поэтому могут быть какие-то неточности. Но я сверял с программной biricha и все совпало.
Так же есть расчет для реализации компенсации в цифровом виде на микроконтроллере, ее надеюсь выложить в ближайшее время.
Совсем новичкам рекомендую найти и почитать документ slup340_ru.pdf . В принципе можно просто подставив нужные данные получить значения компонентов компенсации.
Всем добра!
PS пояснения к исходным данным в файле.
Vramp - это напряжение размаха "пилы" в ШИМ контроллере, обычно приводится в даташите
RL - сопротивление катушки, Rn - сопротивление нагрузки, Fsw - частота ШИМ. Остальное вроде очевидно
Последние несколько месяцев работал над методикой расчета частотной компенсации понижающего ИИП.
Имеющиеся в аппоунтах методики не позволяют рассчитать компенсацию по заданным частоте кроссовера и запасу по фазе (ну или я плохо искал).
Такой способ реализует программа biricha, но она в бесплатной версии ограничена.
Собственно методом мозгового штурма я воспроизвел эту методику пока для третьего типа компенсации, на мой взгляд на сегодня она самая актуальная т.к. Low ESR кондеры сейчас очень доступны.
Выходной фильтр двухтактных (мост, полумост, пуш-пул) и однотактных прямоходов можно свести к понижающему преобразователю и так же пользоваться этой методикой, единственное нужно взять больше запас по фазе если драйвер и транзисторы имею значительную, относительно частоты кроссовера, задержку. Учет этой задержки будет в методике для цифрового регулятора (см. ниже).
При расчете требуется задавать запас по фазе не менее 45 градусов, максимум обычно 70-75 градусов. Чем выше запас по фазе тем менее колебательный отклик.
Частоту кроссовера выбирают в диапазоне частоты шим/5-20. Так же есть методики выбора частоты кроссовера по заданному провалу напряжения при набросе нагрузки.
Чем выше частота кроссовера тем быстрее отклик скомпенсированного БП. Физический смысл частоты кроссовера - выше нее перестает работать обратная связь.
Я планировал на эту тему цикл видео на своем ютуб канале, максимально доступно , чтобы и новичек мог разобраться, но по понятным причинам не уверен что смогу это сделать т.к. прежде чем дойти до темы устойчивости я планировал раскрыть более простые вопросы, а это около 5-6 видео. И вообще сейчас плохо дается такая работа.
Поэтому выкладываю как есть тут, надеюсь тем кто в теме материал будет полезен. Сам я честно в теме устойчивости не очень, в инсте много лет назад все это проходил, но успешно забыл, поэтому могут быть какие-то неточности. Но я сверял с программной biricha и все совпало.
Так же есть расчет для реализации компенсации в цифровом виде на микроконтроллере, ее надеюсь выложить в ближайшее время.
Совсем новичкам рекомендую найти и почитать документ slup340_ru.pdf . В принципе можно просто подставив нужные данные получить значения компонентов компенсации.
Всем добра!
PS пояснения к исходным данным в файле.
Vramp - это напряжение размаха "пилы" в ШИМ контроллере, обычно приводится в даташите
RL - сопротивление катушки, Rn - сопротивление нагрузки, Fsw - частота ШИМ. Остальное вроде очевидно
- Вложения
-
- Расчет_компенсации_чист.xmcd.pdf
- (107.03 KiB) Скачиваний: 47
Re: Частотная компенсация понижающего преобразователя
Вт сен 27, 2022 18:25:44
Тот же расчет, но для реализации регулятора в цифровом виде.
Расчет по сути тот же, отличия в том, что учитывается задержка от АЦП и расчета регулятора и на выходе не резисторы/кондеры, а коэффициенты для формулы.
Учет задержки можно использовать для аналогового регулятора если значительная задержка прохождения сигнала через драйвер ШИМ и на время открывания транзистора,
особенно актуально для изолированных БП.
Позже еще планирую выложить соображения для аналогового регулятора когда в цепи ООС есть ОУ.
Расчет по сути тот же, отличия в том, что учитывается задержка от АЦП и расчета регулятора и на выходе не резисторы/кондеры, а коэффициенты для формулы.
Учет задержки можно использовать для аналогового регулятора если значительная задержка прохождения сигнала через драйвер ШИМ и на время открывания транзистора,
особенно актуально для изолированных БП.
Позже еще планирую выложить соображения для аналогового регулятора когда в цепи ООС есть ОУ.
- Вложения
-
- Mathcad - тест_расчет_компенсации_лачх_цифр_чист.xmcd.pdf
- (118.73 KiB) Скачиваний: 35
Re: Частотная компенсация понижающего преобразователя
Пн окт 03, 2022 19:01:39
Очень интересная тема, подписался, занес в закладки.
Отсутствие комментариев не нужно интерпретировать как ненужность темы - просто разработкой занимается не такое большое количество людей, как допустим ремонтом, не всем интересно так глубоко копать и не у всех есть достаточно для этого времени.
И тем ценнее предоставленные материалы.
Я вот подумывал спроектировать анализатор, который смог бы АЧХ/ФЧХ строить, хотя бы до 100кГц. Большей частью из спортивного интереса. Если кому-то будет интересно такое - подписывайте, сообщайте )
Отсутствие комментариев не нужно интерпретировать как ненужность темы - просто разработкой занимается не такое большое количество людей, как допустим ремонтом, не всем интересно так глубоко копать и не у всех есть достаточно для этого времени.
И тем ценнее предоставленные материалы.
Я вот подумывал спроектировать анализатор, который смог бы АЧХ/ФЧХ строить, хотя бы до 100кГц. Большей частью из спортивного интереса. Если кому-то будет интересно такое - подписывайте, сообщайте )
Re: Частотная компенсация понижающего преобразователя
Вт окт 04, 2022 06:15:15
pavel2000, да тема очень спефичная и непростая, поэтому информации по ней немного, а нормальных методик и вовсе не удалось найти.
Во всех аппоунтах по паре страниц пишут о важности выбора частоты кроссовера, о важности запаса по фазе при этом по факту методики расчета их никак не учитывают.
Я сам еще в начале пути.
Тут еще такой момент у керамики и ТТ кондеров ESR зависит от частоты, особенно у керамики, поэтому если частота кроссовера относительно низкая (5-7кГц), то нужно учитывать ESR на этой пониженной частоте.
Я для этих целей прикупил LCR метер 4091C, но правда оказалось что на высоких частотах даже 100мкФ он измерить не умеет.
Касательно анализатора (типа BODE 100) да штука полезная, но самому такую я думаю не осилить. Я уже думал об этом. На мой взгляд проще сделать плату генератора DDS на AD9833 или подобном, чтобы она формировала еще и синхросигнал. Далее простенький софт для ПК, который задает диапазон частоты (хотя можно и интерфейс на ЖКИ сделать) . Большинство осцилов умеет сохранять записи в *.csv формате, т.е. можно использовать его как АЦП и такими кусочками прогнать диапазон. Если память большая у осцила, то количество кусочков будет меньше. у меня gwinstek gds-71102b с 10МБ и даже у него через ПК можно данные вычитывать спец прогой, но пока ее найти не удалось.
Да так менее удобно чем та же bode 100, но сильно дешевле.
Можно еще через LabView подключить готовый генератор и осцил и в нем все сделать, но я эту прогу пока не освоил.
Во всех аппоунтах по паре страниц пишут о важности выбора частоты кроссовера, о важности запаса по фазе при этом по факту методики расчета их никак не учитывают.
Я сам еще в начале пути.
Тут еще такой момент у керамики и ТТ кондеров ESR зависит от частоты, особенно у керамики, поэтому если частота кроссовера относительно низкая (5-7кГц), то нужно учитывать ESR на этой пониженной частоте.
Я для этих целей прикупил LCR метер 4091C, но правда оказалось что на высоких частотах даже 100мкФ он измерить не умеет.
Касательно анализатора (типа BODE 100) да штука полезная, но самому такую я думаю не осилить. Я уже думал об этом. На мой взгляд проще сделать плату генератора DDS на AD9833 или подобном, чтобы она формировала еще и синхросигнал. Далее простенький софт для ПК, который задает диапазон частоты (хотя можно и интерфейс на ЖКИ сделать) . Большинство осцилов умеет сохранять записи в *.csv формате, т.е. можно использовать его как АЦП и такими кусочками прогнать диапазон. Если память большая у осцила, то количество кусочков будет меньше. у меня gwinstek gds-71102b с 10МБ и даже у него через ПК можно данные вычитывать спец прогой, но пока ее найти не удалось.
Да так менее удобно чем та же bode 100, но сильно дешевле.
Можно еще через LabView подключить готовый генератор и осцил и в нем все сделать, но я эту прогу пока не освоил.
Re: Частотная компенсация понижающего преобразователя
Вт окт 04, 2022 08:38:00
AD9833 - да, весьма интересно, просто и недорого, я по незнанию такого варианта смотрел в сторону MAX038.
Не очень понял как именно можно задействовать цифровой осциллограф в автоматизированном режиме.
файл .csv будет сохраняться при поступлении триггерного сигнала?
В целом принцип именно такой и предполагался - какой-то относительно простой микроконтроллер,
компараторы для детектирования перехода через ноль, далее измерение периода/фазы на таймере.
Допустим это будет STM32 blue pill - тактовая 72Мгц, период счета 13.8 нс - кажется вполне возможно измерить фазу до градуса, на частоте до 100кГц.
Не очень ясно, что делать с измерением амплитуды. Проблемы:
- как измерять в одинаковых точках (на пике), чтобы сделать адекватное сравнение сигналов, сдвинутых по фазе.
- диапазон АЦП - вероятно потребуется динамически переключать коэффициент усиления (вероятно это потребуется и для адекватной работы компаратора измерения фазы?)
ну и далее после окончания измерения либо на комп картинка выгружается, либо на точечный экран рисуется.
Но пока это всё только теоретические измышления.
Конечно, надо начинать с DDS и осциллографа, пощупать руками, посмотреть реальные сигналы, а затем уже по-возможности автоматизировать.
Не очень понял как именно можно задействовать цифровой осциллограф в автоматизированном режиме.
файл .csv будет сохраняться при поступлении триггерного сигнала?
В целом принцип именно такой и предполагался - какой-то относительно простой микроконтроллер,
компараторы для детектирования перехода через ноль, далее измерение периода/фазы на таймере.
Допустим это будет STM32 blue pill - тактовая 72Мгц, период счета 13.8 нс - кажется вполне возможно измерить фазу до градуса, на частоте до 100кГц.
Не очень ясно, что делать с измерением амплитуды. Проблемы:
- как измерять в одинаковых точках (на пике), чтобы сделать адекватное сравнение сигналов, сдвинутых по фазе.
- диапазон АЦП - вероятно потребуется динамически переключать коэффициент усиления (вероятно это потребуется и для адекватной работы компаратора измерения фазы?)
ну и далее после окончания измерения либо на комп картинка выгружается, либо на точечный экран рисуется.
Но пока это всё только теоретические измышления.
Конечно, надо начинать с DDS и осциллографа, пощупать руками, посмотреть реальные сигналы, а затем уже по-возможности автоматизировать.
Re: Частотная компенсация понижающего преобразователя
Вт окт 04, 2022 13:11:52
moLCHec, этот аппарат умеет общаться с внешним миром при помощи SCPI интерфейса через USB или 232 в зависимости от комплектации. Может быть даже не придётся с файлами бегать, а получится получать массив выборок автоматизированно. Результаты измерений с такого получал, а массив выборок не пробовал.
Re: Частотная компенсация понижающего преобразователя
Вт окт 04, 2022 18:36:51
pavel2000, csv кидаем на флешку и затем суем в любой мат. пакет. Понятно что неудобно, но зато дешево. Ну и подобный анализ не нужен каждый день это же разовая работа для конкретного девайса.
А триггер чтобы стартовая частота в начале координат осцила была.
>TEHb<, спасибо гляну. я с ним в этом направлении еще толком не разбирался, весной только купил.
Вообще связка генератор + осцил + внешний мат пакет это так больше мысли, в жизни я пока не вижу прям жесткой необходимости в таком анализаторе, на мой взгляд он больше игрушка. Что цифровой что аналоговый БП можно промоделировать в мат пакете.
Гораздо важнее потратить время и раскурить частотную компенсацию "повышающих" схем (к ним же относятся flyback, apfc и пр.), там она совсем по другому считается + есть варианты токовое управление (с компенсацией наклона и без) и управление по напряжению.
Добавлено after 54 minutes 37 seconds:
Очередная порция материала.
Расчет компенсации с аналоговым регулятором, но с ОУ в обратной связи т.е. на вход усилителя ошибки приходит не выходное напряжение, а деленное выходное напряжение см. ris1.
В этом случае меняется расчет основного полюса (ну это я так решил сделать), коэффициент деления учитывается в его расчете, аналогично происходит и для цифрового регулятора (делитель АЦП), но там этот коэффициент сразу входит в уравнение разомкнутой системы. Можно сделать и так и так.
Здесь я встретился с непонятным явлением.
Изначально я рассчитал систему без ОУ в обратной связи, с классическим делителем по входу усилителя ошибки, посмотрел переходной процесс - все в порядке.
При введении ОУ и пересчете номиналов по уточненной методике появляется перерегулирование.
Было две версии:
1 из-за достаточно большого Ку регулятора уже сказываются частотные свойства ОУ усилителя ошибки
2 ОУ в цепи ООС вносит запаздывание, уменьшая запас по фазе.
Но обе эти версии полностью подтвердить не удалось т.к. пробовал ставить в модели идеальные ОУ с очень большой частой единичного усиления и скоростью нарастания сигнала, картина переходного процесса не меняется. Может это глюк Мультисима. Мои знания пока не позволяют однозначно понять в чем дело. Железо покажет.
Проблема решается цепочкой R11C3, которую я подобрал методом тыка. С ней переходной процесс становится как в варианте без ОУ (по крайней мере визуально, 1 к 1 я не сравнивал).
На ris2 красный переходной процесс без RC цепочки, синий с RC цепочкой.
В приложении расчет компенсации с учетом делителя, это расчет для реального проекта. Схема модели и переходной процесс. Обращаю внимание что переходной процесс всего примерно 300мкс, что для ИИП, причем высоковольтного , очень хороший результат. В выходном фильтре предполагается использовать полимерные кондеры 180uf 63v серии UPL, 6 штук.
На этом пока все. Надеюсь получится сделать видеоматериалы по этой теме ну и воплотить проект о котором упоминал выше, сравнить расчет и железо.
Всем добра. Здоровья вам и вашим близким.
А триггер чтобы стартовая частота в начале координат осцила была.
>TEHb<, спасибо гляну. я с ним в этом направлении еще толком не разбирался, весной только купил.
Вообще связка генератор + осцил + внешний мат пакет это так больше мысли, в жизни я пока не вижу прям жесткой необходимости в таком анализаторе, на мой взгляд он больше игрушка. Что цифровой что аналоговый БП можно промоделировать в мат пакете.
Гораздо важнее потратить время и раскурить частотную компенсацию "повышающих" схем (к ним же относятся flyback, apfc и пр.), там она совсем по другому считается + есть варианты токовое управление (с компенсацией наклона и без) и управление по напряжению.
Добавлено after 54 minutes 37 seconds:
Очередная порция материала.
Расчет компенсации с аналоговым регулятором, но с ОУ в обратной связи т.е. на вход усилителя ошибки приходит не выходное напряжение, а деленное выходное напряжение см. ris1.
В этом случае меняется расчет основного полюса (ну это я так решил сделать), коэффициент деления учитывается в его расчете, аналогично происходит и для цифрового регулятора (делитель АЦП), но там этот коэффициент сразу входит в уравнение разомкнутой системы. Можно сделать и так и так.
Здесь я встретился с непонятным явлением.
Изначально я рассчитал систему без ОУ в обратной связи, с классическим делителем по входу усилителя ошибки, посмотрел переходной процесс - все в порядке.
При введении ОУ и пересчете номиналов по уточненной методике появляется перерегулирование.
Было две версии:
1 из-за достаточно большого Ку регулятора уже сказываются частотные свойства ОУ усилителя ошибки
2 ОУ в цепи ООС вносит запаздывание, уменьшая запас по фазе.
Но обе эти версии полностью подтвердить не удалось т.к. пробовал ставить в модели идеальные ОУ с очень большой частой единичного усиления и скоростью нарастания сигнала, картина переходного процесса не меняется. Может это глюк Мультисима. Мои знания пока не позволяют однозначно понять в чем дело. Железо покажет.
Проблема решается цепочкой R11C3, которую я подобрал методом тыка. С ней переходной процесс становится как в варианте без ОУ (по крайней мере визуально, 1 к 1 я не сравнивал).
На ris2 красный переходной процесс без RC цепочки, синий с RC цепочкой.
В приложении расчет компенсации с учетом делителя, это расчет для реального проекта. Схема модели и переходной процесс. Обращаю внимание что переходной процесс всего примерно 300мкс, что для ИИП, причем высоковольтного , очень хороший результат. В выходном фильтре предполагается использовать полимерные кондеры 180uf 63v серии UPL, 6 штук.
На этом пока все. Надеюсь получится сделать видеоматериалы по этой теме ну и воплотить проект о котором упоминал выше, сравнить расчет и железо.
Всем добра. Здоровья вам и вашим близким.
- Вложения
-
- Mathcad - расчет_компенсации_6020_tl494_лачх_kd_чист.xmcd.pdf
- (125.14 KiB) Скачиваний: 19