Автор: Dzinn
Введение
Так уж сложилось, что интересная тема в вузе потребовала собрать интересный импульсный блок питания. До этого момента, автор уже много раз собирал однотактные преобразователи: прямоходовые и обратноходовые, на основе микроконтроллеров STM32F031 и STM32F103 и собственных печатных плат. Но тут встал вопрос с двухтактными преобразователями, которые требуют принципиально другого управления, что первоначально поставило в тупик. Решение ряда проблем, с которыми столкнулся автор приведено в данной статье.
Железо
Так уж случилось, что силовые платы разводить приходится с завидным постоянством, поэтому немного думая, использую компоненты, которых было навалом от старых проектов, была собрана простенькая отладочная плата для проверки расчетов и подготовке к «большому проекту». Схема предоставлена на рис.1, разводка платы на рис.2, и получившийся внешний вид на рис.3.
Рис.1. Схемотехническое описание отладочной платы
Рис.2. Разводка печатной отладочной платы
Рис.3. Трёхмерная модель отладочной платы
Плата была изготовлена методом ЛУТ. В ней нет ничего сложного и необычного, кроме, пожалуй, рабочих частот: фронт сигнала в менее 0.3 мкс при рабочей частоте в 24 кГц. Для импульсного блока питания это крошечная величина, но автору вполне хватало. Радиаторы для полевых транзисторов IRFZ44N так и не потребовались, так как в схеме будут значительно быстрее перегреваться диоды.
Честно признаюсь, что данная плата у меня сгорела при нагрузке всего 80 Вт. Так что если захотите до мелочей повторить со своими разработками, то будьте аккуратнее. А на самом деле предельный ток в данном устройстве в 10 ампер потребовал наличия небольшого радиатора на транзисторах, впрочем как и снижения частоты (нагрузка на диоды).
Управляющий контроллер
Подключалось это всё к собственной отладочной плате на базе STM32F103C8T6. Конечно, можно использовать китайские аналоги, но так как я много работаю на данных чипах, потребовалась плата для отточки схемотехники подключения данного чипа + требовалась приличная разводка аналоговой части, которой обычно лишены китайские братья. Внешний вид платы приведён на рис.4.
Рис.4. Отладочная плата на базе STM32F103 собственной разработки
Силовая часть подключалась к РВ0 и РВ1, которые являются выводами 3-го таймера. Это таймер общего назначения. Самый обычный таймер. Выбран был просто из-за удобства расположения на плате. То, что описано далее можно с лёгкостью провернуть на любом другом таймере, вплоть до TIM1 (Advanced-control timer).
Программирование
Для начала пришлось разогнать контроллер до 48 МГц. Это делалось следующим куском кода:
void Rcc_INIT_new()
{
//PLL
RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLSRC;
RCC->CR &= ~RCC_CR_PLLON;
RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_SW;;
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;
RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLMULL;
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMULL12;
RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;
while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY)==0) {}
}
Конечно, можно расписать, что значит каждая приведённая строчка, но этим просто завалены отечественные сайты, уделим время более уникальным вещам. Заметим, для тех кому лень лезть по форумам и «обучающим сайтам», что основная регулировка производится настройкой RCC_CFGR_PLLMULL(Х).
Далее встала следующая, и собственно основная проблема, довольно слабо описанная в отечественном интернете: создание импульсов формы, показанной на Рис.5.
Рис.5. Требуемая форма импульсов для push-pull преобразователя.
Все описания работы с таймерами имеют существенный косяк: они начинают(заканчивают) фронт сигнала синхронно с нулём работы таймера. В данном типе преобразователей(двухтактные), это совершенно не допустимо. В результате:
- Делать ногодрыг для управления силовой частью не хотелось (подразумевается повесить на контроллер неплохую математику для обработки параметров)
- Общественные примеры использования таймеров в режиме PWM делать нужные формы импульсов не позволяют, если конечно каждый раз не перенастраивать таймер.
В результате открыли manual по PWM, и нашли следующую чудесную вещь: синхронизация импульсов PWM центру. Это ровно то, что нужно, так как позволяет делать импульсы следующим образом + регулировка производится очень удобно (см рис.6). При правильной настройке правда придётся держать две настройки PWM каналов, так как один канал должен быть прямым, а другой инверсным. Это конечно потребует памяти, но немного.
Рис.6. Форма импульсов при синхронизации по центру импульса. Заштрихованы области, которые добавляются при увеличении времени импульса.
Как легко заметить, остаётся важное правило: половина периода между началами импульсов в линиях. Аналогичный принцип работает с любыми двухтактными преобразователями: полумост и мост.
Реализация
Вся реализация разбилась на две функции и константы:
- Две выделенных константы типа TIM_OCInitTypeDef и TIM_OCInitTypeDef2.
- Инициализация со стоповыми параметрами. Это делается для того, чтобы после инициализации блок питания блок питания не начал работать. Запуск инициируется установкой функции на нужное значение скважности.
- Функция регулировки скважности. Важно, чтобы значение скважности были ниже, чем 0.45.
Всё реализовано с помощью библиотек SPL. У меня конечно в планах переписать потом под CMSIS, но пока по старинке решил набросать под SPL.
Инициализация с комментариями:
void PWM_Out()
{
GPIO_InitTypeDef port;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
//Port init for working with PWM
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
port.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
port.GPIO_Pin = (GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7);
port.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &port);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
port.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
port.GPIO_Pin = (GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1);
port.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &port);
// Global TIM Init
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_CenterAligned1;
//this is the main string. It configures TIM3 for synchronization signal center
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000; // this if durty cykle. It must be less then 0.45
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
//Init LINE 1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Reset;
//------start value of PWM---------------
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse= 0;
TIM_OC4Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
//Init LINE 1
TIM_OCInitStructure2.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure2.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure2.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;
TIM_OCInitStructure2.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;
TIM_OCInitStructure2.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_Low;
TIM_OCInitStructure2.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;
TIM_OCInitStructure2.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Reset;
TIM_OCInitStructure2.TIM_Pulse= 1000;
TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure2);
TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure2);
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure2);
/* TIM3 counter enable */
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
/* TIM3 Main Output Enable */
TIM_CtrlPWMOutputs(TIM3, ENABLE);
}И простенькая функция регулировки:
void set_pwm(int pwm) //till 1000
{
TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = pwm;
TIM_OCInitStructure2.TIM_Pulse = 1000 - pwm;
TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure2);
TIM_OC4Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}Конечно можно добавить защиту от превышения 0.45 от максимального значения, но если рассматривать в общем случае, то данного кода вполне достаточно. Конечно, в готовом блоке питания необходимо в той или иной мере это предусмотреть.
Результаты
Фотографии силового модуля:
Плата силового модуля, вид сверху
Модуль в сборе с трансформатором
В результате получилось запустить Push-Pull преобразователь с приличным коэффициентом регулирования по напряжению(100 уровней). В настоящее время планируется:
- Разработка блока питания с 500-ми уровнями напряжения.
- Разработка и сборка приличной платы с возможностью создания блока питания мощностью до 1000Вт по данной схеме, с питанием по первичке 400В.
- Борьба с самим трансформатором и компонентами выходной схемы. Дело в том, что трансформатор на выходе выдаёт максимальное напряжение в 800В. Это накладывает кучу ограничений и желаний уменьшить обмотки, увеличив частоту. Но это будет отдельная статья.
- Разработка 1 МГц блока питания по схеме Push-pull с низковольтным питанием.
Через какое-то время данные задачи будут решены, а пока у вас появился пример кода для программирования двухтактного преобразователя.
С уважением, Dzinn.
Свежие комментарии