Módulo de control del convertidor de potencia: desarrollo y montaje

No es ningún secreto que los sofisticados convertidores modernos, por ejemplo, UPS en línea, operan bajo el control de DSP / MK o ASIC. Los principales proveedores de DSP para electrónica de potencia son dos compañías: Texas Instruments e Infineon, pero hoy nos centraremos en los productos STMicroelectronics, la serie STM32F334. Esta línea MK está diseñada para controlar el accionamiento eléctrico y construir convertidores de potencia: PFC, inversores, fuentes de alimentación conmutadas, UPS y otros.

Por supuesto, la serie F334 no puede soportar el "poder" de soluciones tan populares como TMS320F28335 y otras, pero tiene una ventaja importante: el costo. La piedra más antigua STM32F334R8T6 cuesta $ 5, tiene a bordo el conjunto necesario de periféricos (HRPWM, ADC, comparadores) y rendimiento para construir convertidores suficientemente potentes (decenas de kW) con buena confiabilidad y resistencia a fallas.

Para el desarrollador de electrónica, el ecosistema alrededor del DSP / MK con el que trabaja es importante: documentación, herramientas de depuración, ejemplos de código y hardware. TI tiene todo esto, sí, es caro, sí, es difícil de comprar, pero esa es exactamente la razón por la cual la mayoría de las soluciones modernas en el campo de la transmisión eléctrica y la energía cuestan TMS320. Por alguna razón, la compañía ST ignoró la serie F334, aunque hay documentación de buena calidad como en cualquier STM32, pero no hay ejemplos de hardware con un código completo y placas de depuración (no se considera el juguete F3348-Disco). Bueno, corregiremos este defecto.

En mi último artículo, hablé sobre mi proyecto "kit de desarrollador" e incluso demostré uno de los componentes: el módulo de alimentación. Hoy hablaré sobre el segundo módulo (habrá 3 en total), que le permite implementar cualquier topología de convertidor y al mismo tiempo cuesta varias veces más barato que los competidores. El proyecto, por supuesto, está abierto y todos los códigos fuente se pueden encontrar al final de este artículo.

Idea

Estoy lejos de ser el primero en pensar en usar un módulo universal sobre la base del cual pueda construir varios convertidores con diferentes variantes de topología. Este enfoque le permite tener una placa para todas las ocasiones, y lo más importante, para reducir la cantidad de código, porque el módulo es el mismo, una vez configurado y olvidado.

Veamos ahora un par de ejemplos de cómo otras personas / empresas ya han implementado esta idea. Solo daré dos ejemplos:

• Tarjeta de control TMS320F28379D - cuesta $ 160. El ecosistema es excelente, existen complejos de depuración, pero el precio ... ¿Es pequeño si trabaja en un próspero centro de I + D y si decide construir un UPS para usted o trabajar en una empresa más fácilmente? Sí, y el módulo por $ 160 para quemar, me parece, todos lo lamentarán;
• VectorCARD K1921VK01T es una solución excelente, y las personas en el instituto de investigación y el complejo industrial militar se regocijan en la piedra doméstica, hay un complejo de depuración en forma de chastotnik, un análogo (pin a pin) con un módulo de ti, pero el precio es de 19,000 rublos. Para el duro complejo industrial doméstico y militar-industrial es barato, pero no tanto para el resto.

Y entonces, ¿qué quería hacer como resultado? ... Un módulo que se pueda usar como herramienta de depuración y como componente en una serie pequeña. A partir de aquí hay una serie de requisitos que he acumulado:

• La presencia de HRPWM y ADC rápido
• RS-485 a bordo
• UART con salida al conector de pantalla (compatible con Nextion)
• Implementación de protección de hardware en lógica
• Alimentación de 12 V para utilizar un módulo de CA / CC a 12 V tanto para el "cerebro" como para los controladores de la sección de alimentación
• El costo es al menos 3 veces menor que el costo de la tarjeta de control TMS320F28379D, es decir, $ 50 máximo
• Sensor de temperatura de entrada para radiador
• Un par de GPIO, por ejemplo, un relevo
• Entrada y salida de señales de sincronización para que varios dispositivos puedan trabajar en paralelo

Como resultado, obtuvimos un diagrama estructural de este tipo:



Cabe señalar de inmediato que también logré reducir significativamente el costo del módulo. Pedí componentes para 5 placas, donde los componentes cuestan alrededor de $ 70, es decir $ 14 / módulo. Aquí la verdad es un truco: este es el costo de todos los componentes, pero sin una placa de circuito impreso. La aritmética es simple: ordenar 5 tableros en 4 capas cuesta $ 80-100, es decir, otros $ 14-20 por cada módulo, ¿está de acuerdo no humanamente? Con la cantidad de 100 piezas, el costo del tablero ya es de $ 1.5 / pieza, por lo que en el futuro previsible planeo ordenar 100-200 tableros (veré cómo resultará más barato) y aquellos que lo deseen tendrán la oportunidad de comprar tableros muchas veces más baratos que $ 14. Aquellos que necesitan 20-30 tableros o $ 100 no te molestan, ya puedes pedirlos tú mismo, ya que también habrá gerberas preparadas.

Desarrollo

No hay nada complicado e incomprensible en los circuitos del módulo, para empezar le sugiero que abra el diagrama del circuito para que entienda de qué se trata y hablaré sobre cómo el diagrama de bloques anterior se convirtió en una solución preparada. Puede descargar el diagrama aquí - PDF .

• El módulo tiene 1 "conector principal", donde la fuente de alimentación de 12 V, un par de GPIO, un UART adicional (de repente desea sujetar el ESP), RS-485 y entrada / salida para dispositivos de sincronización están conectados a 12 pines;
• Hay 5 canales, todos son exactamente iguales. Un par PWM de alto resultado (HRPWM) complementario, que le permite controlar el medio puente, se emite a cada canal. También hay 2 canales ADC para implementar retroalimentación de corriente y voltaje y una guinda en el pastel: una entrada de error (falla). Por ejemplo, si tiene un cortocircuito en la unidad de alimentación, el comparador detectó un exceso de corriente y emitió un registro. 1 como señal de un accidente, por lo que alimentar "1" a esta entrada interrumpe el funcionamiento del dispositivo;
• La señal de error de la entrada de falla va a 2 lugares: a la entrada BKIN del microcontrolador y a través del inversor a la entrada del elemento lógico AND. La entrada BKIN también es una protección de hardware y apagará la generación PWM incluso si el MK se cuelga, pero quería ir a lo seguro y agregué más lógica para que definitivamente rompa la señal;
• En el módulo, un conector CWF-4 separado muestra la interfaz SWD para una depuración conveniente, así como UART y alimentación para conectar la pantalla o la comunicación con otros módulos al segundo conector. Las pantallas Nextion ahora son populares, por lo que el conector para ellas está diseñado y también hago mi panel HMI con un método de comunicación similar (UART, + 5D, GND);
• La placa contiene PHY para la interfaz RS485 con resistencia terminal y protección ESD. La elección recayó en esta interfaz porque está en cualquier lugar, porque es un estándar de la industria. Por ejemplo, desea combinar su inversor de voltaje con un motor diésel y será conveniente enviar / recibir comandos. Sí, y en cualquier PLC también tiene RS485;
• También instalé una pequeña memoria no volátil para almacenar configuraciones u otra cosa útil.

Este diagrama de circuito finalmente se convirtió en una placa de circuito impreso de 4 capas que mide 115x40 mm. En principio, puede reproducir su versión en 2 capas, pero las dimensiones crecerán. Para mí era importante obtener un ancho de no más de 40 mm, de modo que después de la instalación en los conectores PBD, la altura total fuera de 47-50 mm; el tamaño de los condensadores electrolíticos era de 35x50 mm. El tablero tiene el siguiente aspecto:



Desafortunadamente, cuando ordené los tableros, en lugar de una máscara negra, indiqué una verde, el fiasco principal de esta revisión)) ¿Quién no entendió cómo se inserta el módulo? Sugiero mirar aquí:




En la primera imagen, también puede observar cierta placa con un montón de conectores y especialmente sin componentes. Esto es algo así como una "placa base" para la creación de prototipos más conveniente. Los conectores BH-10 (IDC-10) distribuyen los mismos 5 canales de control + las interfaces de comunicación se muestran en los bloques de terminales y se instala un conector de alimentación. Todo esto le permite no cultivar colectivamente un montón de cables. Las "placas base" se ordenaron por separado, por lo que vendrán un poco más tarde y después de la verificación habrá fuentes disponibles.

Asamblea

En cuanto al módulo anterior, los PCB se ordenaron a PCBway , los chicos recibieron placas gratuitas y otra plantilla. Este último simplificó significativamente mi vida y ahorró tiempo, se ensamblaron 5 tableros con más de 200 componentes en 1 hora. 2 semanas después de ordenar, los correos me trajeron un encanto:




Sí, no cambié la máscara en el formulario de pedido, pero aparentemente sintiendo que estaba dorado, el mango estaba cubierto con oro de inmersión para que no me entristeciera. Esto no es crítico para mi tarea, pero debido a la excelente planaridad de los contactos, la pasta de soldadura se aplica de manera más uniforme y los componentes no conducen a los lados, incluso si el perfil térmico del horno no es muy óptimo.

La plantilla fue ordenada con un marco de perfil de aluminio, como Tengo una impresora de pantalla, pero sin marco no se puede arreglar allí. Si no tiene una impresora, ordene sin marco: puede aplicar pegar (tomar un par de minutos más) y al mismo tiempo ahorrar dinero, porque una plantilla sin marco pesa aproximadamente 400 g, y con un marco de 1.8 kg. Debido a este peso, lo recibirá de inmediato por mensajería, ya que el correo no lleva más de 2 kg, solo EMS y tendrá que pagar $ 30-40 más, así que tenga en cuenta. La plantilla en sí se ve así:



Ahora necesita instalar la placa en la impresora y aplicar la pasta. Aquí hay un par de consejos. En primer lugar, si toma pasta en aliexpress, solo latas de 500 g, es de la mejor calidad (aparentemente la almacenan correctamente). En segundo lugar, mantenga la pasta en el refrigerador. En tercer lugar, después de usar la plantilla, asegúrese de lavarla de la pasta, una esponja común y una gota de detergente (las hadas son las mejores) harán maravillas, luego seque la plantilla y envuélvala en una película adhesiva después de secarla si no la ha usado durante más de una semana. Pon la pasta en el tablero:



Después de la aplicación, obtenemos la siguiente pieza de trabajo:



En esta etapa, juego a lo seguro: elimino la pasta para el chasis LQFP-64 bajo el microcontrolador STM32F334R8T6. El hecho es que podría estropear el sistema de alimentación en algún lugar y existe la posibilidad de que + 12V llegue al MK y lo queme, pero no quisiera destruir piedras por $ 5. Por lo tanto, sueldo todo en esta etapa, excepto el microcontrolador, los conectores y el zumbador. Ya los instalaré manualmente después de verificar los voltajes + 3.3V y + 5V. Ahora la etapa más aburrida es instalar los componentes, pero estoy planeando comprar una máquina de lugar de recogida pronto, y solo tomaré café))



Los componentes están instalados y ahora los enviamos al horno:



Ahora queda verificar los niveles de voltaje en la salida de CC / CC y si todo es normal, luego suelde los componentes restantes con un soldador / secador de pelo, vaya a lavar la placa de los residuos de flujo y obtenga este resultado:



Conectamos un programador, por ejemplo, un st-link de silbato chino, pero le recomiendo que compre un st-link v.2-ISOL firme con aislamiento galvánico. Todo es como los administradores con copias de seguridad: "Algunos ya quemaron una computadora portátil y comenzaron a usar aisladores, mientras que otros aún no comenzaron a usar aisladores" . Si el precio en el enlace st nativo lo asusta, es decir, la opción de comprar junto con el silbato chino y el módulo aislante en Ali, generalmente se implementan en ADuM-ah. Para no ser atormentado con el pin al conectar el depurador, hice un cable para conectar estos módulos particulares, ahora definitivamente no puedo cometer un error al conectar:



Queda por comprobar si el módulo está listo para funcionar, si se lee MK, para que pueda comenzar a escribir código de forma segura. Para hacer esto, puede instalar la utilidad STM32CubeProgrammer . Lo abrimos, su depurador debe estar definido, si vio su identificación en la esquina superior derecha, luego haga clic en Conectar y si todo está montado correctamente, entonces veremos la identificación del microcontrolador, el núcleo, una serie de MK (tengo F334):



Eso es todo! El módulo está listo para la operación y el desarrollo de varios convertidores.

Código fuente

• Diagrama de circuito - PDF
• Lista de componentes (BOM) - Excel
• PCB Gerber Files - RAR
• Proyecto con pinout para STM32CubeMX - IOC

Conclusión

Ahora hay 2 módulos para el desarrollo, esto es suficiente para ensamblar el convertidor. Por supuesto, habrá un tercer módulo, pero sin HMI puede vivir, y aquellos que lo deseen pueden comprar Nextion en su bolsillo. En el próximo artículo, ya será posible ensamblar un convertidor completo para realizar los reguladores P y PI que tan ansiosamente solicitaron en los comentarios. Para la obviedad de los resultados, los artículos posteriores se referirán a topologías específicas: su análisis, cálculos, creación de prototipos, código, y lo más probable es que comience con las topologías buck e boost, como las más simples y más comunes.

También me gustaría agradecer a los chicos de PCBway que ayudan con tableros de cualquier complejidad de excelente calidad. Gracias a ellos, el proyecto se está moviendo bastante activamente y en un par de meses logré hacer lo que era demasiado flojo para implementar los dos años anteriores.



Espero que el artículo haya sido interesante para usted, si tiene alguna pregunta por adelantado sobre la topología del dólar, puede expresarla en los comentarios o PM, y cuando escriba el siguiente artículo, trataré de responderlos y, por lo tanto, hacer que el material sea más útil.