بعد كتابة مقال حول مبادئ
محولات DC / AC ، سأل الكثير من الناس في التعليقات عن مثال على تنفيذ هذه الفكرة في الأجهزة. لقد وعدت ، إذا أمكن ، بإرضائهم بشيء مثير للاهتمام ، وقد أتيحت لي هذه الفرصة. لذلك ، هذه المقالة مخصصة في المقام الأول للأشخاص الذين يرغبون في "الحديد".
قبل بضعة أسابيع ، علم أحد أصدقائي أنني أحب إلكترونيات الطاقة ، وأرسل لي رسالة تفيد بوجود رابط إعلاني من شركة STMicroelectronics. تحدث هذا الرابط عن حل جديد من ST في مجال إلكترونيات الطاقة -
PWD13F60 . يرتبط مفهومي "إلكترونيات الطاقة" في المقام الأول بـ TI و Infineon و Linear ، ولكن ليس مع ST. تراجعت وجهة نظري عن ST كشركة مصنعة "للطاقة" لأول مرة عندما ظهرت وحدة تحكم كبيرة - STSPIN32F0. المرة الثانية التي نظرت فيها الآن.
PWD13F60 عبارة عن شريحة في حالة مشابهة لـ QFN ، والتي تحتوي بالفعل على جسر كامل ، أي 4 Mosfet ذات الجهد العالي ، وكذلك السائقين لهم. الفكرة الأولى ، عندما تعرفت على ورقة البيانات: "أوه ، هذا كيلووات في جيبك!" ، ومن هنا جاء اسم المقال. أنا لا أحب العديد من لوحات التصحيح ويفضل القيام ببعض المشاريع "القتالية" على الفور. استنادًا إلى بطل هذه المقالة ، تقرر عمل عاكس DC / AC.
قررت تقسيم المقالة إلى قسمين: الدوائر والكود. اليوم سأتحدث عن حل الدوائر الإلكترونية ، وأشارك المكتبات والتصميم والانطباعات الأولى. في الجزء الثاني ، نقوم بتطبيق مبادئ الإدارة التي تم وصفها في مقالتي الأولى.
المواصفات الفنية PWD13F60
أول شيء تنتبه إليه عند التعرف على هذه الوحدة هو أنها ذات جهد عالي. لا يوجد العديد من الحلول المدمجة والمدمجة حقًا للعمل مع جهد شبكة أحادي الطور (220 فولت تيار متردد / 310 فولت تيار مستمر). لقد حصلت على الحل من TI استنادًا إلى ترانزستورات GaN - LMG3410 ، لقد أحببته حقًا ، ولكن للأسف لم يتم الوصول إلى البيع الرسمي حتى الآن وكان يزن في مرحلة "المعاينة" لمدة عام تقريبًا. نعم ، الحل من TI أفضل من جميع النواحي ، ولكن ما فائدة ذلك إذا لم تتمكن من شراء وحدات؟ للأسف وآه ... لذلك ، كنت مهتما للغاية في الوحدة النمطية من ST! نعم ، إنه على السليكون العادي ، نعم يحتوي على تيار أقل قليلاً ، ونعم عند 1+ ميغاهيرتز من الصعب بناء شيء عليه ، ولكنه ليس مخيفًا جدًا بل بالأحرى. تتطابق الموسفات الحديثة على السيليكون بشكل وثيق مع GaN ، وترددات 1+ MHz واضحة حتى الآن غريبة: مكلفة وبالكاد تحتاج إليها.
دعونا نفتح
ورقة البيانات على PWD13F60 والتعرف على خصائصها الرئيسية:
- جهد مصدر الصرف: 600 فولت
- مقاومة القناة المفتوحة: 0.32 أوم
- أقصى تيار للقناة (عند 25 درجة مئوية): 8 أمبير
- الحد الأقصى الحالي للقناة (عند 100 درجة مئوية): 6.9A
- الحد الأقصى الحالي للتيار: 32A
- إدارة مستوى المنطق: 3.3 و 5 فولت
- تهمة مصراع: 26 nC
- وقت استعادة الصمام الثنائي الداخلي: 93 ns
بالنظر إلى بيانات TTX ، يمكن استخلاص عدة استنتاجات. أولاً ، يسمح لك جهد 600 فولت بتنفيذ معظم الهياكل: الجسر الكامل ، نصف الجسر ، نصف الجسر ذات المسؤولية المحدودة ، الجسر المتحرك للمراحل وغيرها. ثانيًا ، يسمح لك الحد الأقصى الحالي لقناة 8 أمبير ببناء محول بقوة مقدرة 1000 واط. ثالثًا ، تعد مقاومة القناة البالغة 320 مللي أوم مؤشرًا جيدًا ، على الرغم من أنه يمكن أن يكون أفضل. رابعاً ، إن سعة البوابة وسرعة الصمام الثنائي التكنولوجي تجعل من الممكن الوصول إلى نطاق 200-300 كيلو هرتز حتى بدون استخدام طوبولوجيا الرنين. خامسا ، يمكنك التحكم في الوحدة مباشرة من محطات MK ، وهي مريحة للغاية وتبسط الدائرة.
اتضح أن لدينا وحدة جيدة للغاية تسمح لك بحل العديد من المشاكل. يجب أن يكون مفهوما أن 1000 واط يمكن تحقيقه لمحول DC / AC ، إذا كنت تريد جسر DC / DC مع نطاق عالمي من 85-265V ، فلن تحصل على هذه القوة. وبمدخل 85 فولت ، يمكنك ببساطة الوصول إلى الحد الأقصى للتيار وتبريد البلورة. يمكنك بالتأكيد بناء مصدر طاقة بقدرة 300 واط مع إدخال عالمي وأبعاد صغيرة للغاية.
دارة
قبل الشروع في النظر في دوائر لوحة الاختبار الخاصة بي ، أود أن أنقذ الأشخاص الذين سيستخدمون هذه الوحدة في المستقبل من ألم هائل ، أي من إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد وأثر. أقوم بتطبيق مكونات المكتبة التي قمت بإنشائها أثناء عملية تصميم اللوحة - يتم فحصها في قطعة حقيقية من الأجهزة ولا تحتوي على أخطاء:
- PWD13F60 الإسكان وحدة في الأعمال الصلبة والخطوة - هنا
- البصمة لمصمم Altium - هنا
تبدو الحالة كما يلي:
الآن لا توجد عوائق أمامك لبدء استخدام هذه الوحدة. ننتقل إلى الدوائر. جميع العقد الرئيسية التي قد تسبب مشاكل للمطور "مخفية" بالفعل داخل العلبة و "معدة" بشكل صحيح ، عليك فقط تنفيذ التحكم. بالمناسبة ، هذه الوحدة لا تسمح فقط بإنشاء محولات الجهد ، ولكن أيضًا التحكم في المحركات - وهذا مجال آخر من مجالات التطبيق ، أعتقد أن محبي أدوات آلة التصنيع باستخدام الحاسب الآلي والروبوتات سيجدونها مفيدة جدًا.
الحد الأدنى للتجليد المطلوب للبدء: زوج من مكثفات الطاقة ، زوج من مكثفات محرك bootstep ووحدة تحكم PWM ، في حالتي هو STM32F410. يبدو أن كل شيء بسيط ، ولكن في رأيي هناك ناقص واحد مهم للغاية - لا توجد دوائر حماية ماس كهربائى داخل الوحدة! إنهم ليسوا شيئًا ليس كذلك ، ولكن لم يتم توفير إخراج توقف طارئ للسائقين. بالمناسبة ، لم يكن لدى وحدة TI حماية ماس كهربائى أيضًا. بالنسبة لي ، إنه لغز لماذا كان من المستحيل دفع مقارنين آخرين إلى البلورة ، والذي سيقيس التيار على التحويلات الخارجية ويوقف السائق ...
هذا العيب لا يسمح لنا بتحقيق أسرع حماية ممكنة للأجهزة ضد ماس كهربائى. في أي حال ، سيتعين علينا إعطاء إشارة حول التيار الزائد إلى وحدة تحكم PWM وإيقاف العملية بدقة عن طريق توليد PWM. هذا يزيد بشكل كبير من وقت استجابة الدفاع ، وعند استخدام DSP أو MK عند "تعليق" أو تأخير بسيط سيكون هناك برودات فورية.
هنا يمكنك الذهاب بطريقتين - للاعتماد على الكود الذكي الخاص بك أو لوضع مخزن مؤقت منطقي بين وحدة تحكم PWM ووحدة الطاقة ، مما سيؤدي إلى تعطيل الحماية. الخيار الثاني أفضل ، لكنه يعقد الدائرة ولا يزال يقدم تأخيرًا إضافيًا ، على الرغم من أنه أقل بكثير من العمل من خلال DSP / MK. من المفترض أنني اخترت الخيار السيئ وآمل بسذاجة في الحصول على رمز "مثالي". أولاً ، إنها مجرد لوحة تصحيح للتلاعب بها ، لذلك لا يعتمد عليها ولا يمكنك السماح لنفسك بهذه الحريات. ثانيًا ، سيكون لدي أبسط كود داخل MK (PI controller + sine الجيل) ، حتى أتمكن من تتبع جميع العقد الحرجة بسهولة. من غير المحتمل أنه سيكون من الممكن القيام بنفس الشيء في مشروع كبير وكامل ، على الرغم من أنه يعتمد على مؤهلات المطور ، لكنني بالتأكيد لا أفعل ذلك.
لقد اتبعت المسار القياسي لحماية المبنى: التحويلة + op-amp + repeater. استخدمت القناة الثانية لمضخم الصوت الخاص بي كمكرر. هنا ، بالمناسبة ، هناك ناقص آخر - إذا كانت مهمتك هي إنشاء حل مضغوط للغاية ، فستشغل عقد الحماية الحالية مساحة ثمينة. ونتيجة لذلك ، حصلت على مثل هذا المخطط البسيط (أنصحك بمشاهدة PDF ، الصورة قابلة للنقر):
- تنسيق PDF - هنا
- ورقة لمصمم Altium - هنا
نظرًا لأن الجهاز تم تصنيعه حصريًا لاختبار هذه الوحدة ، فإن الرسم التخطيطي ضئيل تمامًا: وحدة التحكم الدقيقة STM32F410 + PWD13F60 + DC / DC لتشغيل الجزء الرقمي + مرشح LC من المحرِّض و 2.2 فيلم ميكروفيلم + الحماية الحالية + جهد نظام التشغيل. هذا كل شئ. يطبق هذا المخطط التحويل ، على سبيل المثال ، 310 فولت من شبكة تصحيحها ، إلى 220 فولت. إذا كنت مطورًا مبتدئًا أو لست هاويًا ذا خبرة كبيرة ، فأنا أنصحك بشدة بتشغيل جميع الخوارزميات عند 12-40 فولت ثم النقر فقط على المقبس. سيسمح لك ذلك بعدم كسر الوحدات المحترقة وربما البقاء على قيد الحياة.
يتم تنفيذ الحماية الحالية على
مضخمات التشغيل المزدوجة D2 و D3 -
OPA2337 . فهي سريعة وتتيح لك تحقيق التشغيل الكامل لدائرة نظام التشغيل بترددات تصل إلى 400-600 كيلو هرتز. يضخم النصف الأول من مضخم المرجع الإشارة من التحويلة ، ويعمل النصف الثاني كمتابع للجهد.
لوحة الدوائر
كما هو الحال في الدائرة - تصميم لوحة الدوائر المطبوعة مفتوح ومتاح للمراجعة. يمكنك تنزيل ملف PCB لمصمم Altium
هنا . لا يدعي أنه تحفة خاصة ، لأنه تم تصميمه في بضع ساعات ، ولكن تم إجراء الحسابات الحرارية والنمذجة في الشكل الأساسي في Comsol - لن يكون هناك سخونة زائدة ، ولكن لا تزال بحاجة إلى وضع مبرد صغير من الألمنيوم على الوحدة إذا كنت ستقوم بإزالة التيار بأكثر من 4-5A. كما أجرى الحسابات الأساسية ونمذجة الحث الطفيلية مع التحسين اللاحق لتقليلها. تحولت أبعاد لوحة الدوائر المطبوعة إلى
100 × 45 مم ، وهو أمر جيد جدًا لمحول 1000 واط ، خاصة عندما تفكر في أنه لا توجد حيل وترددات عالية مطلوبة هنا.
اللوحة عبارة عن طبقتين من الشاشة الحريرية ومكونات على الطبقة العليا فقط. لقد طلبت لوحات الدوائر المطبوعة على
PCBway وتكلف 14 دولارًا مقابل 10 قطع بالبريد:
لن أقول كم خرجت المكونات ، لأن لقد طلبت العديد من المشاريع المختلفة ، ولكن شيئًا يتراوح من 20 إلى 25
دولارًا أمريكيًا ، تكلف 9 دولارات منها وحدة PWD13F60 نفسها . أعتقد أنك قمت بالفعل بحساب تكلفة 4 mosfets و 2 سائقين لها وأدركت أن هذه الوحدة هي حل مربح للغاية.
لقد طلبت جميع المكونات باستخدام Mouser عبر
PM Electronics ، وهم يحملونها بسرعة وبدون غش ، ويتم توصيل البريد السريع إلى الشقة مجانًا ، لذلك أوصي بذلك. المهتم بمكونات محددة - في الملف الذي يحتوي على الرسم التخطيطي ، يحتوي كل مكون على رقم جزء ورابط (قم بتمرير الماوس فوق المكونات واضغط على F1 ، يتم فتحه).
بشكل منفصل ، سأقول للتثبيت. كنت قلقا قليلا بشأن حالة PWD13F60 ، لأن البصمة نفسها لم تندثر واحتمال وجود عيب لحام محرج. قررت اللحيم ليس مع مجفف شعر ، ولكن من أجل التأكد - في الموقد. قام Ersa Flux ولصق جيد من الصين بعملهما - حتى مع التثبيت غير الدقيق للغاية ، تم تركيز الشريحة نفسها بسبب قوى التوتر السطحي ، ولحسن الحظ ، جعل الرجال من ST الحالة متناظرة تمامًا ، وإن كانت ذات شكل معقد. منذ أن كنت أقوم بالتجربة ، لم أبدأ في لحام كل شيء في الفرن ، لذلك في حالة قتل اللوحة ، لن أضطر إلى لحام كل شيء - لقد قمت بلحام PWD13F60 و STM32F410 والاختناق لـ dc / dc 12-3.3V في الفرن. كان الباقي ملحومًا بالفعل بمكواة لحام واتضح على النحو التالي:
هنا مثل هذه الوحدة. للتحقق ، نقوم بتزويد 12V من مصدر خارجي ، على سبيل المثال ، مصدر طاقة من جهاز توجيه - الموصل هناك قياسي لدبوس 2.1 ملم. بعد ذلك ، إلى إدخال الطاقة ، كبداية ، يمكنك تطبيق حوالي 20-30 فولت من مختبر PSU وكتابة أبسط كود لـ STM ، قم بتغيير الجسر ومعرفة ما هو الإخراج. إذا كان كل شيء في حالة خمول بارد - جيد. نقوم بتوصيل الحمل من المقاومات بالإخراج ، بحيث يكون الاستهلاك الحالي 1A وننظر إلى التسخين - يجب أن تكون الوحدة دافئة قليلاً ، ولا ترتفع درجة حرارتها أكثر من 5 درجات. إذا كان هذا هو الحال ، فإننا نكتب الرمز لتوليد الجيب ، ونتحقق منه مرة أخرى عند 20-30 فولت ، وعندئذ فقط يمكن تطبيق جهد التيار الكهربائي المعدل. أنصحك أولاً بتطبيق الجهد من خلال مصباح متوهج 40 واط على فجوة + VIN ، إذا كان كل شيء على ما يرام في وضع الخمول ، ثم أضف نفس المصباح 40 واط إلى الإخراج - هل يعمل؟ ثم نزيل المصباح من المدخل. نحن سعداء بالعاكس العامل.
بالمناسبة ، بالنسبة لأولئك الذين لا يريدون كتابة الرمز ، يمكنني شراء شريحة EG8010 على علي ، شريحة ، وليس وحدة ، والحصول على نفس العاكس دون الحاجة إلى كتابة رمز لـ STM32. أعتقد أن الكثير من محبي الطاقة البديلة سيكونون سعداء بلا شك ، لأن لا يستطيع الجميع وليس الجميع يريد كتابة التعليمات البرمجية على وحدات التحكم الدقيقة.
الملخص
هنا وحدة مثيرة للاهتمام مصنوعة في ST. أعتقد أن الكثيرين سيكونون مهتمين بها ، لأن يخفف من العديد من المشاكل التي تنشأ في تصميم إلكترونيات الطاقة ويسمح لنا بالحصول على أبعاد صغيرة جدًا للمحول.
تم اختبار التصميم المقترح للوحة بالفعل ، ولم يتم تحديد أي مشاكل ، كل شيء على ما يرام مع المعلمات الزائفة ، لذلك فإن أي شخص مهتم بدراسة هذه الوحدة وإلكترونيات الطاقة ككل ، أوصي بأن تتعرف عليها على الأقل ، وربما تكررها دون تغييرات. بالمناسبة ، أرفق الأرشيف بالمشروع في Altium Designer -
هنا .
في المقالة التالية ، أقوم بتكييف الشفرة من المقالة الأولى ونقوم بتطبيق عاكس كامل DC / AC ، والذي يمكن استخدامه حتى من حيث المبدأ عند بناء العاكس للعمل مع الألواح الشمسية أو مولد الرياح.