Identificação de efeitos irregulares no design da malha de controle sem comprometimento do funcionamento dos conversores de potência

Sua tarefa

O design de um conversor de potência e sua estabilidade necessitam ser validados em todos os modos operacionais. Geralmente, os controladores de modulação por largura de pulso (PWM) oferecem várias funções, o que pode aumentar a complexidade e, portanto, exigir um processo de validação inteligente. Os exemplos incluem o controle de loop de feed-foward de linha e o controle de soft-start.

O controle de soft-start é um modo específico: quando o conversor é iniciado, o ciclo de trabalho positivo aumenta gradualmente para aumentar a tensão de saída de forma suave.

Durante esse período, o ciclo de trabalho varia de números muito baixos para um valor mais elevado até que a tensão de saída tenha atingido uma condição de estado estável. Quando a sequência é concluída, o loop de feedback de controle padrão regula a tensão de saída para o valor desejado. Além disso, um loop de feedback de linha pode estar ativo para otimizar a regulagem da tensão de saída enquanto a tensão de entrada se altera rapidamente. Os dois os mecanismos de controle coexistem, o que dificulta a detecção e a localização de operações inesperadas ou instáveis. O ruído existe naturalmente em designs de conversores de comutação e pode levar a uma regulação inadequada do loop. Os loops instáveis que aparecem de forma repentina podem ser detectados pelo triggering da variação de tensão ou, melhor ainda, pelo monitoramento da largura do ciclo de trabalho positivo, já que o ciclo de trabalho é usado para regular a central de energia a fim de manter a tensão de saída constante. Um recurso de triggering complexo é obrigatório para detectar qualquer evento irregular em um sistema de controle tão complexo.

A solução da Rohde & Schwarz

O osciloscópio R&S®MXO série 5 é perfeito para essa tarefa desafiadora porque é baseado na tecnologia de trigger digital. O trigger digital oferece um trigger sensível de 0,0001/div e uma resolução de até 18 bits no modo de alta definição. Como é essencial ter duas condições de trigger para encontrar variações do ciclo de trabalho positivo após o término do período de soft-start, também é possível definir condições de trigger complexas. Fig. 1 mostra as condições de trigger na inicialização do conversor.

A condição de trigger A é usada para detectar o fim da rampa de soft-start e é configurada como o trigger de janela, em que a tensão de saída deve estar em um intervalo definido. O tipo do trigger da condição B deve ser largura.

O trigger de largura detectará quaisquer valores que estejam fora de uma faixa definida do ciclo de trabalho positivo. Isso pode ocorrer facilmente devido a um design inadequado do filtro de controle de feed-forward de linha. No entanto, se o conversor estiver em um estado estável, não haverá variações significativas no ciclo de trabalho. Se o ciclo de trabalho positivo se desviar de um intervalo válido devido a qualquer evento inesperado, a condição B disparará e a aquisição será interrompida. Isso ajuda a isolar esse evento específico e o usuário pode descobrir a causa raiz desse evento de controle irregular.

Aplicação

Um conversor de comutação CC/CC em uma topologia de ponte completa com retificação síncrona é usado para mostrar a funcionalidade de trigger complexa. O conversor isolado opera em uma frequência de comutação de 100 kHz e converte uma tensão de entrada de 48 V em uma tensão de saída de 12 V. A corrente de saída é especificada como sendo de no máximo 8 A. O controlador digital usado nessa aplicação permite ao usuário ativar, desativar e modificar o controle de feed-forward de linha.

Configuração do dispositivo

• Para configurar um trigger complexo:
• Configure um canal adequado, incluindo a seleção correta da ponta de prova
• Ative uma sequência de trigger e defina um tempo limite de reinicialização adequado (veja a Fig. 2)
• Defina o trigger A como tipo « window », incluindo os níveis superior e inferior, para captar o fim da soft-start durante a inicialização (veja a Fig. 3)
• Ative a função de medição do ciclo de trabalho positivo e defina os níveis de referência (por exemplo, 20/50/80% da tensão)
• Defina o trigger B como tipo « largura » e configure a largura e o tempo delta (veja a Fig. 4)
• Ativar a função de medição do ciclo de trabalho, incluindo a função de rastreamento

Medição da carga transitória

Após ser configurada, o conversor inicia e o procedimento de soft-start é executado. Assim que o trigger detecta um trigger válido para a condição A, o instrumento aguarda por qualquer variação na medição do ciclo de trabalho. Considerando uma carga constante após a soft-start, o instrumento não disparará na condição B porque o ciclo de trabalho deve permanecer constante.

Para mostrar essa complexa sequência de trigger, a função de feed-forward de linha foi ativada dentro do controlador do conversor com um design de filtro digital inadequado. Como resultado, o instrumento também disparou na condição B. A medição registrada é mostrada na Fig. 5, onde a tensão de saída é medida no canal 1 e a tensão de entrada é medida no canal 3. O canal 2 mostra um sinal interno do controlador, que indica a tensão de entrada para o lado secundário. O canal M2 mostra o canal 2 filtrado por um filtro passa-baixo. Além disso, o sinal de controle modulação por largura de pulso PWM (canal 4) e a forma de onda do seguimento do ciclo de trabalho positivo são exibidos na janela inferior.

Após 3 milissegundos do término da sequência de soft-start, o instrumento dispara na condição B, pois o ciclo de trabalho mostra um passo positivo seguido de uma queda negativa. Essa variação do ciclo de trabalho está presente somente quando o feed-forward de linha está ativado. O próximo passo seria otimizar o extensão da aquisição, o que agora é possível devido à complexa sequência de trigger. O resultado é mostrado na Fig. 6.

Nesse caso, mais detalhes se tornam visíveis com uma precisão aumentada, proporcionando ao usuário um melhor entendimento do sistema. Agora, o usuário pode iniciar o processo e encontrar a causa raiz de maneira muito mais eficiente.

Resumo

O osciloscópio R&S®MXO série 5 é a escolha perfeita para identificar eventos irregulares na malha de controle dos conversores de potência. Sua tecnologia de trigger digital permite que o usuário defina eventos de trigger complexos para isolar a causa raiz de maneira mais eficiente. Além disso, a grande capacidade de memória permite que o usuário acrescente funções adicionais, tais como o rastreamento do ciclo de trabalho, no qual uma alta taxa de amostragem é necessária durante um longo período de aquisição. Os recursos do instrumento são idealmente adaptados para validar e compreender a operação do design de conversores de potência.