Część 6 Zarządzanie energią elektryczną - DMCSneo.dmcs.p.lodz.pl/~starzak/pub/spe/spe_wykl_14a.pdf · MOSFETem FSD210 Kluczowym elementem jest komparator z histerezą, blokujący

Część 6

Zarządzanie energią elektryczną

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


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)


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)


System zasilaniakomputera przenośnego


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)


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


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


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


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


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.


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


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


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


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


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


Zastosowanie sterownika LTC4350


Sekwenser zasilania odbiorników (power sequencer) LM3880


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


Sekwenser zasilania: opcje układu

Dla zamawiających większe ilości, producent oferuje możliwość

zaprogramowania praktycznie dowolnych sekwencji i opóźnień


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


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


Scalony układ zarządzania energią (Power Management Integrated Circuit) LP3970

Układ dedykowany dla procesorów aplikacyjnych

o architekturze ARM stosowanych w urządzeniach mobilnych (np. PXA27x Intela)


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


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


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


Sygnały sterujące i aktywacja modułów zasilających


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.


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

Documents

Część 6 Zarządzanie energią elektryczną - DMCSneo.dmcs.p.lodz.pl/~starzak/pub/spe/spe_wykl_14a.pdf · MOSFETem FSD210 Kluczowym elementem jest komparator z histerezą, blokujący