Источник тока для гальваники. Часть II - еще одна теория

Часть 1
Часть 2
Часть 3
Часть 4

Понятно, что многим (включая меня самого) не терпится добраться до готовой схемы, но прежде чем смотреть готовое решение я, все-таки, хочу описать почему было выбрано именно такое решение и какие вообще есть варианты. Так что снова, осторожно, многабукаф.

Начну более детальной формулировки задачи:
— Необходимо получить нужное напряжение, то есть взять его из внешнего источника и преобразовать к нужной величине.
— Необходимо стабилизировать ток, а значит его нужно, как минимум, померять с достаточной точностью.
— Необходимо переключать направление тока через нагрузку, то есть нужна схема реверса.

Некоторые возможные подходы к решению задачи


Учитывая необходимые токи, пожалуй сразу можно исключить варианты линейных стабилизаторов тока. Помимо того, что они потребуют источник питания способный отдать максимальный ток при максимальном выходном напряжении. Поскольку в основном используется только малая часть из этого, то остальное придется рассеять в виде тепла. Что, помимо совершенно не рационального использования электроэнергии, еще и весьма геморройно конструктивно. Так что дальше будут рассматриваться только импульсные преобразователи.

Вариант 1: Сетевой преобразователь наподобие компьютерного блока питания
Возможно это был бы оптимальный вариант, но в готовом придется переделывать слишком много, а от варианта делать с нуля меня пока останавливает необходимость мотать трансформаторы, ковыряться с высоким напряжением и разбираться с еще одной темой.
По поводу переделки готовых блоков: в большинстве типовых схем блоков питания в выпрямителе стоят диоды, что на больших токах приводит к необходимости рассеивать изрядную мощность (десятки ватт). Переделка выпрямителя под синхронный (на полевиках) позволяет решить эту проблему, но сама переделка становится гораздо сложнее.

Вариант 2: ШИМ-регулятор тока через нагрузку.
Вариант вполне возможный, разве что блок питания для него нужен способный выдать максимальный ток с максимальным напряжением. Не смертельно, но неприятно.

Вариант 3: Понижающий преобразователь
Понижающий преобразователь или, как их еще называют, buck converter. Если более конкретно — синхронный вариант этого преобразователя. Если кто не в курсе, именно такие преобразователи используются (помимо других применений) на материнках для питания процессора. Кстати, задача очень похожая — низкие выходные напряжения и большие токи.
Именно на этом варианте я и остановился, поэтому имеет смысл рассмотреть его подробнее. В некотором смысле его можно рассматривать как конвертер из одного сочетания ток/напряжение в другое сочетание ток/напряжение, причем напряжение на выходе ниже, чем на входе, а ток, соответственно, выше. Иначе говоря, мощность потребляемая из внешнего источника питания сохраняется (с поправкой на КПД, естественно). Из этих незамысловатых соображений непосредственно выплывает, что ток в нагрузке больше пропорционально отношению входного и выходного напряжений. То есть, например, из входных 12В х 15А можно получить, например, 4В х 45А (в идеальном случае) или 6В х 30А (в таком же идеальном случае). Учитывая типичные рабочие режимы описанные в предыдущей части, это позволяет использовать распространенные 12В блоки питания (хоть промышленные, хоть комповые) без переделок.
Другие соображения, которые привели к выбору этого варианта:
— Теория импульсных понижающих преобразователей весьма тщательно расписана, а информации море разливанное, от чистой математики до готовых программ позволяющих посчитать необходимые параметры схемы.
— Огромное, просто невероятное количество всевозможных компонентов для таких преобразователей, от качественных транзисторов и драйверов к ним до готовых микросхем (и даже готовых преобразователей с индуктивностью на борту). Чтобы оценить масштабы достаточно сказать, что в каталоге Digikey более 28 тысяч позиций одних только контроллеров и интегрированных преобразователей, большинство из которых — понижающие преобразователи того или иного вида. В силу специфики задачи подходящих под задачу компонентов значительно меньше, но, тем не менее, выбрать есть из чего.
Подробнее выбранные подходы к реализации я опишу ниже.

Реверс
Для варианта сетевого преобразователя и использованием синхронного выпрямления, видимо, самым разумным будет менять местами фазы открытия ключей в выпрямителе. Выпрямитель (вместе с соответствующими ему потерями) в этом решении все равно неизбежен, а замена фаз позволит реализовать реверс практически «на шару».

В случае понижающего преобразователя или ШИМ регулятора реверс можно реализовать двумя способами. Один вариант такой как у меня в предыдущих вариантах схемы. Второй — обычный полный мост.
Плюсы и минусы обоих вариантов:
— Вариант с полумостом для реверса:
Плюсы:
— простота схемы
— минимум транзисторов (а это не только цена, но и потери на канале открытого транзистора)
Минусы:
— необходимость инвертировать ШИМ при переключении в реверсный режим.
— транзисторы в преобразователе работают поочередно в разных режимах с противоречивыми требованиями, подобрать транзисторы способные работать в обоих режимах не так просто (о режимах транзисторов ниже)
— драйвер управляющий реверсом должен поддерживать статический режим переключения при полном размахе напряжения на выходе (либо нужно предусматривать внешнюю схему генерации повышенного напряжения для драйвера).
— необходимость в двуполярном датчике тока и, как следствие, сложность реализации автоматической (встроенной в силовую часть) стабилизации тока (хотя тут есть варианты).

— Вариант с полным мостом:
Плюсы:
— транзисторы преобразователя всегда работают в одном режиме, следовательно можно подбирать оптимальные под задачу транзисторы.
— датчик тока может быть униполярным, при необходимости можно мерять ток на датчике между мостом и землей, без больших синфазных сигналов.
— если не нужен полный размах напряжения на выходе, то драйвер моста можно питать просто входным напряжением.
— простота реализации схемы стабилизации тока.
Минусы:
— вдвое больше транзисторов и больше потери на открытом канале.

Пару слов о потерях на открытых транзисторах в схеме реверса: на первый взгляд кажется, что они не велики, но элементарный подсчет показывает, что при токе в 30А открытый транзистор с сопротивлением канала в 1мОм (а это очень хороший транзистор) будет рассеивать около одного ватта. В случае полного моста таких транзисторов два, то есть в сумме получается почти 2 ватта (1.8, если быть точным). Для сравнения, у самого преобразователя в этом же режиме расчетные потери тоже около 2-х Вт.

Измерение тока
Как всегда, вариантов много. Можно мерять ток через нагрузку (прямой метод), можно мерять ток потребления всей схемы и вычислять ток через нагрузку (косвенный). Поскольку у большинства вариантов собственный ток потребления тоже изменяется при изменении тока через нагрузку, косвенный метод представляется, как минимум, не очень удобным. Дальше, в зависимости от того, в каком виде в схеме можно найти искомый ток (однонаправленный или двунаправленный), понадобится униполярная или биполярная схема измерения тока. У сетевого преобразователя с реверсом на переключении фаз и в схемах с реверсом на полумосте ток через нагрузку в схеме есть только в двунаправленном виде. В схеме реверса на мосте полярность тока меняется самим мостом, а до моста ток присутствует в однонаправленном виде. Следующий этап — тип датчика и схема выделения сигнала тока. Для обсуждаемой задачи годятся два типа датчиков — резистивный или магнитный на эффекте Холла.
Резистивный датчик может быть как в виде, собственно, резистора, так в его качестве могут использоваться паразитные сопротивления, скажем, сопротивление открытого канала одного из ключей или внутреннее сопротивление индуктивности понижающего преобразователя. Паразитные сопротивления хороши тем, что они все равно есть и, раз уж они неизбежны, то пусть от них будет хоть какая-то польза. Плохи они тем, что «плывут» в зависимости от температуры, причем плывут сильно. Соответственно, для точного измерения тока понадобится еще и схема компенсации температурного дрейфа. Замечу, что там, где точное измерение тока не требуется (а, скажем, сигнал с датчика тока используется в схеме регулирования), паразитные сопротивления в качестве датчиков тока используется очень широко. Схема выделения (и усиления) сигнала с резистивного датчика это просто дифференциальный усилитель, либо специализированный, либо собранный на ОУ общего назначеения. В связи с этим есть немало заморочек — такие схемы работают с большими синфазными сигналами на входе, часто весьма шумными, сигнал с датчика весьма не велик по размаху (1мОм датчик на 30А даст всего 30мВ размаха сигнала, а амплитуда синфазной составляющей может достигать полного напряжения питания, то есть 12В). В нашем случае ситуация усугубляется тем, что мерять нужно достаточно точно, особенно малые токи.
Датчик на основе эффекта Холла в подавляющем большинстве случаев интегрируется со схемой выделения и усиления сигнала, которая минимизирует количество необходимых внешних компонентов и вообще здорово упрощает жизнь. Второй любопытный (хотя и не критичный в нашем случае) момент — такие датчики изолированы от цепи, в которой меряется ток. Поскольку меряется, по сути, магнитное поле вокруг проводника с током, то для нормальной работы таких датчиков нужно конструктивно обеспечить фиксированное (и весьма небольшое) расстояние между проводником и датчиком. К счастью есть датчики с интегрированным проводником, так что внешне они выглядят как самые обычные микросхемы (или как страшные крокозяблы).

Выбор

Как я уже писал выше, выбор пал на понижающий преобразователь. В основном из соображений (как мне тогда казалось) простоты. Потом оказалось, что все отнюдь не так просто, но это только подогрело интерес :)
Изначально для реверса использовался полумост, а датчик тока был биполярным. Поскольку для управления использовался внешний контроллер (а в качестве драйвера — HIP4081, у которого как раз два драйвера полумоста в одном корпусе), такое решение было вполне оправданным, а схема очень простой. Одна беда — ШИМ генерировался контроллером, а это ограничивало частоту. Ограничение по частоте было бы проблемой, если бы не большая величина необходимой индуктивности. Намотать такую индуктивность и при этом получить низкое внутреннее сопротивление не так просто, а внутреннее сопротивление приводило к большому нагреву самой индуктивности. Решить эту проблему можно уходя в верх по частоте (а для этого понадобился встроенный в силовую часть генератор PWM), но тут уже начинали перегреваться транзисторы. Стало понятно, что «на глазок» выбрать транзисторы не получится, нужно просчитывать потери и подбирать транзисторы и драйверы. Просчитывание схемы и внимательное чтение источников дало ответы на многие вопросы и показало, что первоначальный вариант реверса (с полумостом) оптимизировать не удастся — слишком разные требования к транзисторам в преобразователе (об этом подробнее чуть ниже).
Некоторое усложнение схемы, вызванное появлением генератора PWM на борту, подталкивало сделать следующий шаг — сделать стабилизацию тока и напряжения прямо на борту силовой части, слишком уж небольшими казались необходимые изменения (вот это предположение, кстати, оправдалось). В качестве бонуса это давало возможность сильно упростить задачи, которые должен решать контроллер.
Ну и, конечно же, всю схему хотелось сделать максимально простой с точки зрения схемотехники. С этой новой отправной точки и начался поиск вариантов решения.
И так, нужны следующие вещи:
— схема управления (собственно, стабилизатор)
— датчик тока
— переключение режимов стабилизации ток/напряжение
— реверс совместимый с первыми тремя.
— (крайне желательно) возможность изменять частоту преобразования

Схема управления
Вариантов, на самом деле, достаточно много:
— (1) Использовать интегральный контроллер понижающего преобразователя. Этот вариант имеет несколько подвариантов:
а) полный преобразователь, с ключами на борту (например, такой)
б) преобразователь с внешними ключами (примеров приводить не буду, их просто немерянное количество)
в) преобразователь с внешними ключами, но вместо ключей подать сгенерированный преобразователем ШИМ на отдельный драйвер с дискретными ключами
г) преобразователь с внешнммм ключами, но вместо ключей подать сгенерированный преобразователем ШИМ на отдельный драйвер с интегрированными ключами.

— (2) Воспользоваться интегральным усилителем класса D. Тут есть два подварианта в зависимости от того, какой драйвер и ключи используются.

— (3) Собрать все на рассыпухе. Пожалуй, этот вариант интересен только с академической точки зрения.

— (4) Использовать «полуготовые» чипы типа MCP1630V. Варианты с драйверами и ключами имеются и здесь.

Не сложно заметить, что вместе с подвариантами набегает изрядное количество возможных подходов и выбрать не так просто. Попробую описать плюсы/минусы/особенности некоторых подходов:
Вариант (1) предъявляет некоторые требования к контроллеру преобразователя, в частности, он должен поддерживать так называемый трекинг внешнего напряжения (используется в системах где важен порядок подачи питающих напряжений). В принципе, можна и без него, но схема усложнится, а, напомню, я стремился сделать схему простой. Второе требование — униполярный датчик тока. Это обусловлено тем, что все подобные контроллеры работают в «однополярном» режиме штатно (в режиме стабилизации напряжения). Третье требование (скорее пожелание) — возможность оперативно регулировать частоту преобразования.

Вариант (2) весьма любопытен поскольку «естественным образом» реализует реверс и оба режима стабилизации. Неприятных моментов два:
— Схема симметричная и в силу этого «прямой» и «реверсный» полумосты работают в одинаковом режиме, то есть переключаются на полной рабочей частоте, и, следовательно, рассеивают «по полной программе».
— Управляющее напряжение оказывается привязанным к половине питания. Это не то, чтобы проблема, скорее мелкое неудобство. Которое, к тому же, легко (хотя и не очень дешево) решается использованием интегральных переменных резисторов.
Да, у некоторых подобных усилителей (например, у этих) есть возможность синхронизироваться от внешнего генератора, что позволяет реализовать изменение частоты преобразования.

Вариант (3) слишком громоздко, да и не нужно, по большому счету.

Вариант (4) достаточно хорош во всем кроме одного — необходим внешний генератор коротких импульсов. В остальном это, пожалуй, самый удобный и гибкий вариант.

По итогам прорисовки множества вариантов схем и перерывания гор даташитов был выбран вариант 1в. Причин три: очень простая схема, возможность тюнинга (в смысле выбора компонентов, в частности, компонентов моста) именно под конкретную задачу и, наконец, минимальные потери.

Пожалуй, пока этого достаточно, чтобы представлять, какие есть направления для поиска. Дальше я опишу как и что я считал и как выбирал конкретные схемные решения.

P.S. для тех, кто (как и я) любит заглядывать в конец книжки, чтобы узнать, чем все закончилось, сразу скажу, что планируется еще одна статья посвященная расчетам, выбору компонентов и конкретных схемных решений. затем будет статья со схемой и описанием.
  • +10
  • 16 мая 2013, 15:57
  • evsi

Комментарии (19)

RSS свернуть / развернуть
Небольшой апдейт для нетерпеливых.
0
=) угадал я всё же
0
Я датчик тока (выбрал для своего проекта) обычный шунт последовательно с нагрузкой плюс дифференциальный ОУ со смещением на половину опоры, так можно однополярной схемой биполярный ток мерять. Да и в микроконтроллер подавать. В регистре АЦП сразу знаковое число получается.
0
Именно так себя ведут биполярные аллегровские датчики, та же ACS712, например — 0 тока соответствует ровно половине питания. Только из обвязки ей нужен, разве что, конденсатор по питанию (ну и конденсатор на специальную ногу можно повесить, если не нужны все 80-120кГц полосы). Однополярные чуть хитрее сделаны, при нуле тока у них на выходе 0.1 питания (то есть при 5В питания на выходе 0.5В). Это, по утверждению фирмы, сделано для того, что бы иметь возможность видеть таким датчиком небольшие отрицательные выбросы.

P.S. сколько я их уже переставил — несчесть, исключительно простые, удобные и надежные датчики.
0
Да, я читал про них, понравились, но для макета заказывать не решился пока. Проект подразумевает сложную механическую часть, только ее делаю не я. Когда опробуем все в сборе, определится ценовая политика, тогда будем выбирать элементную базу более детально. Может и однополярного хватит. А может будет два варианта.
0
Кстати, я тоже пришел к выводу, что стабилизацию тока (в моем случае — ограничение максимального тока, она же защита от КЗ) нужно сделать аппаратно в силовом модуле.
0
Еще, кстати, при питании 12В, ты можешь использовать детали со старой материнской платы компьютера. Есть варианты с внешними драйверами MOSFET
0
Нет уж, лучше я выберу сам то, что лучше подойдет, а не то, что удалось с материнки снять :)
0
Сами Вы страшные крокозабры. :) А датчики тока — обычные крокозябры :)
Я на ebay купил 2-е штуки на 50А. И даже сделал для диптрейса модельку для них.
P.S. Пока ждем остальные части, скажи, что использовал в силовой части и управлении. А то пока закажем, пока дойдет… А тут руки уже все из чесались :) Как там по украински это будет? Читал где-то здесь, не помню… ;)
0
Да. Любимые датчики evsi acs712, там тоже есть.
З.Ы. Вспомнил: кортячка. :)
З.З.Ы. Прошу прощения, если я показался слишком грубым или слишком ТЫкаю. :(
0
Да. Любимые датчики evsi acs712, там тоже есть.
А вот, как раз, их-то в схеме и нет :)
0
Пока ждем остальные части, скажи, что использовал в силовой части и управлении.
Там надо весь список приводить. Кроме, пожалуй, сопротивлений и мелких емкостей компоненты не из тех, что обычно валяются в загашниках. Экзотики нет, просто не самое распространенное (поскольку, в основном, новое по дате начала производства). Правда, схемы по рукой тоже нет, что бы список привести.
А тут руки уже все из чесались :) Как там по украински это будет? Читал где-то здесь, не помню… ;)
Когда руки изчесались, то это, обычно, сверблячка («зуд» на русском), а когда не хватает сил терпеть — нетерплячка :)

P.S. чуток терпения, на выходных должен закончить все части.
+1
А кортячка — это когда дикое, непреодолимое желание :))).
0
P.S. чуток терпения, на выходных должен закончить все части.
Хорошо. На след. неделе придет контейнер с вещами из Калининграда и дети подтянуться..., и как раз начнем шаманить :)
0
а почему первая часть в коллективных а вторая в личных?
0
  • avatar
  • xar
  • 17 мая 2013, 00:42
Я обе писал в личных, думаю потом DIHALT перенес.
0
как конвертер мозиз одного сочетания ток
Меджу дрочим, тут где-то всралась очепятка… :)

Огромно Вам спасибо за цикл статей, и за детальное раскрытие темы. С нетерпением ожидаем продолжения…
0
Спасибо, поправил.
0
О. Вот теперь я понял смысл того предложения. :)
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.