Płytki PCB do sterowania i napędu obciążeń wysokonapięciowych z GreenPAK

Jednym z największych wyzwań w projektowaniu płytek PCB wysokiego napięcia jest przełączanie i sterowanie wysokim napięciem doprowadzanym do obciążenia. Projekty wysokonapięciowe wiążą się zarówno z kwestiami bezpieczeństwa, jak i z wyzwaniami EMC związanymi z charakterystyką przełączania. Zasilacze impulsowe, układy sterowania silnikami oraz płyty sterujące wysokiego napięcia wymagają kontrolowanego przełączania, a także często bezpośrednich pomiarów prądu i napięcia na obciążeniu.

Funkcje te są zazwyczaj podzielone między sterowniki bramek, wzmacniacze pomiaru prądu oraz mikrokontroler. Programowalny procesor mixed-signal może skonsolidować generowanie PWM, synchronizację czasową, logikę pomiarową i obsługę stanów awaryjnych w jednym urządzeniu sterującym. Pozwala to oddzielić stopień przełączania wysokiego napięcia od niskonapięciowej domeny sterowania, a jednocześnie zmniejszyć ilość pomocniczej logiki sterującej.

Architektura sterownika obciążenia wysokiego napięcia

Praktyczny sterownik umieszcza procesor mixed-signal pomiędzy kontrolerem systemowym a sterownikiem bramki. Procesor generuje polecenia przełączania, monitoruje sprzężenie zwrotne i określa, kiedy stopień mocy powinien zostać włączony lub wyłączony. Sterownik bramki nadal zapewnia jednak napięcie bramki, prąd źródłowy i sink, izolację lub przesunięcie poziomu wymagane przez elementy przełączające.

Sterowanie bramką dla obciążeń wysokiego napięcia

Nowoczesne wysokonapięciowe stopnie mocy są zwykle budowane z krzemowych tranzystorów MOSFET, chociaż w nowszych projektach coraz częściej stosuje się tranzystory SiC lub GaN FET, szczególnie przy wysokich napięciach. Procesor mixed-signal steruje momentem przełączania tych elementów, ale zazwyczaj nie steruje ich bramkami bezpośrednio. Pomiędzy logiką sterującą a tranzystorami mocy FET wymagany jest dedykowany sterownik bramki.

Sterownik musi być dobrany do elementu przełączającego i topologii. Napięcie bramki, szczytowy prąd sterujący, wymagania dotyczące izolacji oraz odporność na stany przejściowe common-mode mogą wpływać na charakterystykę przełączania. Logika sterowania ustala przebiegi czasowe, natomiast sterownik i sieć bramki określają, jak szybko element rzeczywiście się włącza i wyłącza.

Generowanie PWM i sterowanie przełączaniem

Generowanie PWM bardzo dobrze nadaje się do realizacji w programowalnym sprzęcie, ponieważ częstotliwość przełączania, współczynnik wypełnienia, moment aktywacji i sekwencjonowanie impulsów mogą być realizowane za pomocą logiki deterministycznej. Liczniki, oscylatory, komparatory i konfigurowalna logika mogą generować przebieg przełączający bez polegania na stale wykonywanej pętli firmware.

Ta sama logika może również wymuszać warunki rozruchu przed włączeniem PWM. Przełączanie może pozostać zablokowane do czasu, aż zasilanie sterownika bramki będzie prawidłowe, napięcie magistrali będzie mieścić się w zakresie, a żadne wejścia błędów nie będą aktywne. Timery lub kontrolowane sekwencje aktywacji mogą również zapobiegać natychmiastowemu przejściu stopnia mocy do końcowego stanu pracy.

Zachowania te powinny być projektowane z uwzględnieniem stopnia mocy. Nieregularny rozruch, asynchroniczne sygnały aktywacji lub źle kontrolowane sekwencje restartu mogą powodować duże stany przejściowe prądu i nieprzewidywalne zdarzenia przełączania.

Synchronizacja czasowa, pomiary i ochrona przed uszkodzeniami

Stopnie półmostkowe i pełnomostkowe wymagają niepokrywających się sygnałów bramkowych. Programowalne opóźnienia mogą ustalać czas martwy tak, aby jeden element był całkowicie wyłączony, zanim przeciwległy element się włączy. Wymagana wartość musi uwzględniać opóźnienie sterownika bramki, czas przełączania, rezystancję bramki oraz zmienność komponentów.

Ten sam procesor może monitorować prąd obciążenia, napięcie magistrali, temperaturę i wyjścia sygnalizacji błędu sterownika bramki. Wiele funkcji ochronnych wymaga jedynie decyzji progowej, co sprawia, że komparator analogowy jest korzystniejszy niż pełny pomiar ADC, gdy głównym ograniczeniem jest czas reakcji.

Typowe sprzętowe wejścia błędów obejmują:

• Wykrywanie przetężenia lub zwarcia
• Przepięcie lub zbyt niskie napięcie magistrali DC
• Wykrywanie przegrzania
• Wyjścia sygnalizacji błędu sterownika bramki

Sygnały te mogą być podawane bezpośrednio na ścieżkę wyłączenia PWM lub zatrzask błędu. Pozwala to uniknąć opóźnień związanych z akwizycją ADC, przerwaniem i procedurą firmware. Po wyłączeniu logika sterująca może utrzymywać stan zatrzaśniętego wyłączenia lub wykonać ponowną próbę po określonym czasie, zależnie od dopuszczalnych obciążeń tranzystorów FET, obciążenia i źródła zasilania.

Sterowanie przełączaniem z uwzględnieniem EMI

Wysokonapięciowe stopnie przełączające mogą generować EMI przewodzone i promieniowane wskutek dużych zmian dv/dt i di/dt. Krzemowe tranzystory MOSFET mogą powodować oscylacje drenu oraz prąd odwrotnego odzyskiwania podczas twardej komutacji. Tranzystory SiC MOSFET zwiększają dv/dt, co może wymuszać prąd common-mode przez pojemności pasożytnicze. Stopnie GaN przełączają się jeszcze szybciej, przez co nawet niewielkie indukcyjności pętli bramki i pętli komutacyjnej mogą powodować przeregulowanie i oscylacje wysokiej częstotliwości.

Krawędź przełączania jest więc główną zmienną sterującą. Szybsze przejścia zmniejszają straty przełączania, ale jednocześnie zwiększają prąd przejściowy, przeregulowanie napięcia i pasmo emisji. Szybkość narastania zbocza należy traktować jako strojony parametr projektowy, a nie wartość ustawioną na najszybszy tryb dostępny w sterowniku bramki.

Programowalny procesor mixed-signal może sterować kilkoma praktycznymi metodami regulacji szybkości zbocza:

• Wybór pomiędzy wieloma rezystorami bramkowymi za pomocą przełączników analogowych lub małych tranzystorów FET.
• Sterowanie siłą sterownika bramki lub pinami trybu slew-rate.
• Wybór oddzielnych ścieżek rezystancji dla włączania i wyłączania.
• Stosowanie etapowych poleceń sterowania bramką, gdy sterownik obsługuje wiele poziomów prądu.

Takie mechanizmy pozwalają zmieniać charakterystykę przełączania zależnie od warunków pracy. Końcowe ustawienia należy zweryfikować przy bramce i w węźle przełączającym, ponieważ pasożyty PCB, zachowanie sterownika i charakterystyki elementów określają rzeczywiste dV/dt i dI/dt.

Wykorzystaj GreenPAK do sterowania obciążeniem wysokiego napięcia

Renesas GreenPAK upraszcza sterowanie obciążeniem wysokiego napięcia poprzez integrację generowania PWM, monitorowania analogowego, synchronizacji czasowej i logiki zabezpieczeń w jednym programowalnym urządzeniu. Wbudowane komparatory, źródła napięcia odniesienia, liczniki i konfigurowalna logika mogą obsługiwać progi prądowe, monitorowanie napięcia magistrali, warunki rozruchu i wykrywanie błędów bez konieczności stosowania oddzielnych układów scalonych sterowania dla każdej funkcji.

Konfigurowalne LUT, przerzutniki, elementy opóźniające i liczniki mogą generować sekwencje przełączania, czas martwy, zachowanie wyłączenia i logikę kontrolowanego restartu bezpośrednio w krzemie. Bez dodatkowego firmware do utrzymania i bez opóźnień czasu rozruchu GreenPAK zapewnia deterministyczne rozwiązanie sterujące, które może zmniejszyć powierzchnię płytki i uprościć niskonapięciowy obwód sterowania wokół sterownika bramki.

Narzędzia deweloperskie Go Configure dają projektantom możliwość opracowywania w pełni niestandardowej logiki przełączania i ochrony, która może również sterować aktywacją sterownika bramki, wyborem slew-rate lub programowalnymi ustawieniami sterowania bramką. Te programowalne procesory mixed-signal pozwalają wysokonapięciowym stopniom mocy łączyć pomiary, synchronizację czasową, ochronę i sterowanie przełączaniem w mniejszej architekturze sterowania.

Aby dowiedzieć się więcej, zapoznaj się z komponentami GreenPAK i przykładami referencyjnymi.

• Dowiedz się więcej o komponentach GreenPAK
• Zobacz rozwiązania GreenPAK dla timerów wake-sleep

Niezależnie od tego, czy chcesz tworzyć niezawodną energoelektronikę, czy zaawansowane systemy cyfrowe, wykorzystaj kompletny zestaw funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzia CAD oferowane przez Altium do realizacji swoich rozwiązań GreenPAK. Altium zapewnia najlepszą na świecie platformę do opracowywania produktów elektronicznych, wyposażoną w najlepsze w branży narzędzia do projektowania PCB oraz funkcje współpracy międzydyscyplinarnej dla zaawansowanych zespołów projektowych. Skontaktuj się z ekspertem Altium już dziś!