PCB điều khiển và dẫn động tải điện áp cao với GreenPAK

Một trong những thách thức lớn nhất trong PCB điện áp cao là chuyển mạch và điều khiển điện áp cao tới tải. Các thiết kế điện áp cao đi kèm với những lo ngại về an toàn cũng như các thách thức EMC liên quan đến hành vi chuyển mạch. Nguồn điện chuyển mạch, bộ điều khiển động cơ và các bo điều khiển điện áp cao đều yêu cầu chuyển mạch được kiểm soát, và chúng thường cần đo trực tiếp dòng điện và điện áp tại tải.

Các chức năng này thường được chia cho bộ điều khiển cổng, bộ khuếch đại cảm biến dòng và vi điều khiển. Bộ xử lý tín hiệu hỗn hợp có thể lập trình có thể hợp nhất việc tạo PWM, định thời, logic cảm biến và xử lý lỗi vào trong một thiết bị điều khiển duy nhất. Điều này giúp tách tầng chuyển mạch điện áp cao khỏi miền điều khiển điện áp thấp, đồng thời giảm lượng logic điều khiển phụ trợ.

Kiến trúc bộ điều khiển tải điện áp cao

Một bộ điều khiển thực tế sẽ đặt bộ xử lý tín hiệu hỗn hợp giữa bộ điều khiển hệ thống và bộ điều khiển cổng. Bộ xử lý tạo các lệnh chuyển mạch, giám sát tín hiệu phản hồi và quyết định khi nào tầng công suất nên được bật hoặc tắt. Bộ điều khiển cổng vẫn cung cấp điện áp cổng, dòng source và sink, cách ly hoặc dịch mức cần thiết cho các linh kiện chuyển mạch.

Điều khiển cổng cho tải điện áp cao

Các tầng công suất điện áp cao hiện đại thường được xây dựng bằng MOSFET silicon, mặc dù các thiết kế mới hơn ngày càng sử dụng FET SiC hoặc GaN, đặc biệt ở điện áp cao. Bộ xử lý tín hiệu hỗn hợp điều khiển thời điểm các linh kiện này chuyển mạch, nhưng thông thường không điều khiển trực tiếp các cổng của chúng. Cần có một bộ điều khiển cổng chuyên dụng giữa logic điều khiển và các FET công suất.

Bộ điều khiển phải được lựa chọn dựa trên linh kiện chuyển mạch và cấu trúc liên kết. Điện áp cổng, dòng điều khiển đỉnh, yêu cầu cách ly và khả năng miễn nhiễm quá độ chế độ chung đều có thể ảnh hưởng đến hành vi chuyển mạch. Logic điều khiển thiết lập định thời, trong khi bộ điều khiển và mạng cổng quyết định thiết bị thực sự bật và tắt nhanh đến mức nào.

Tạo PWM và điều khiển chuyển mạch

Việc tạo PWM rất phù hợp với phần cứng có thể lập trình vì tần số chuyển mạch, chu kỳ nhiệm vụ, thời điểm cho phép và trình tự xung đều có thể được triển khai bằng logic xác định. Bộ đếm, bộ dao động, bộ so sánh và logic cấu hình được có thể tạo ra dạng sóng chuyển mạch mà không cần phụ thuộc vào vòng lặp firmware chạy liên tục.

Chính logic này cũng có thể thực thi các điều kiện khởi động trước khi PWM được cho phép. Quá trình chuyển mạch có thể vẫn bị vô hiệu hóa cho đến khi nguồn cấp cho bộ điều khiển cổng hợp lệ, điện áp bus nằm trong phạm vi và không có đầu vào lỗi nào đang hoạt động. Bộ định thời hoặc trình tự kích hoạt có kiểm soát cũng có thể ngăn tầng công suất chuyển ngay lập tức sang điều kiện vận hành cuối cùng của nó.

Các hành vi này cần được thiết kế xoay quanh tầng công suất. Khởi động không đều, tín hiệu cho phép không đồng bộ hoặc trình tự khởi động lại được kiểm soát kém có thể tạo ra các xung dòng lớn và các sự kiện chuyển mạch khó dự đoán.

Định thời, cảm biến và bảo vệ lỗi

Các tầng half-bridge và full-bridge yêu cầu các tín hiệu cổng không chồng lấn. Các độ trễ có thể lập trình có thể thiết lập thời gian chết để một linh kiện tắt hoàn toàn trước khi linh kiện đối diện bật lên. Giá trị yêu cầu phải bao gồm độ trễ của bộ điều khiển cổng, thời gian chuyển mạch, điện trở cổng và sai lệch linh kiện.

Cùng bộ xử lý đó có thể giám sát dòng tải, điện áp bus, nhiệt độ và các đầu ra lỗi của bộ điều khiển cổng. Nhiều chức năng bảo vệ chỉ yêu cầu quyết định ngưỡng, khiến bộ so sánh tương tự phù hợp hơn phép đo ADC đầy đủ khi thời gian đáp ứng là ràng buộc chính.

Các đầu vào lỗi phần cứng điển hình bao gồm:

• Phát hiện quá dòng hoặc ngắn mạch
• Quá áp hoặc thấp áp DC bus
• Phát hiện quá nhiệt
• Các đầu ra lỗi của bộ điều khiển cổng

Các tín hiệu này có thể được đưa trực tiếp vào đường vô hiệu hóa PWM hoặc chốt lỗi. Điều này tránh được độ trễ liên quan đến việc lấy mẫu ADC, ngắt và quy trình firmware. Sau khi tắt, logic điều khiển có thể duy trì trạng thái tắt được chốt hoặc thực hiện thử lại theo thời gian tùy thuộc vào mức ứng suất cho phép của FET, tải và nguồn điện.

Điều khiển chuyển mạch có tính đến EMI

Các tầng chuyển mạch điện áp cao có thể tạo ra EMI dẫn truyền và bức xạ thông qua các sự kiện dv/dt và di/dt lớn. MOSFET silicon có thể tạo ra dao động ringing ở cực drain và dòng phục hồi ngược trong quá trình chuyển mạch cứng. MOSFET SiC làm tăng dv/dt, có thể gây ra dòng chế độ chung qua các điện dung ký sinh. Các tầng GaN chuyển mạch còn nhanh hơn nữa, khiến các điện cảm nhỏ trong vòng lặp cổng và vòng lặp chuyển mạch cũng có thể tạo ra vượt áp và dao động tần số cao.

Vì vậy, sườn chuyển mạch là biến điều khiển chính. Chuyển tiếp nhanh hơn làm giảm tổn hao chuyển mạch, nhưng cũng làm tăng dòng quá độ, vượt áp và băng thông phát xạ. Tốc độ sườn nên được xem là một tham số thiết kế có thể điều chỉnh thay vì cố định ở thiết lập nhanh nhất mà bộ điều khiển cổng hỗ trợ.

Bộ xử lý tín hiệu hỗn hợp có thể lập trình có thể điều khiển một số phương pháp điều chỉnh tốc độ sườn thực tế:

• Chọn giữa nhiều điện trở cổng bằng công tắc tương tự hoặc FET nhỏ.
• Điều khiển cường độ của bộ điều khiển cổng hoặc các chân chế độ slew-rate.
• Chọn các đường điện trở riêng cho bật và tắt.
• Áp dụng các lệnh điều khiển cổng theo từng giai đoạn khi bộ điều khiển hỗ trợ nhiều mức dòng.

Các điều khiển này cho phép hành vi chuyển mạch thay đổi theo điều kiện vận hành. Các thiết lập cuối cùng nên được xác minh tại cổng và nút chuyển mạch vì ký sinh PCB, hành vi của bộ điều khiển và đặc tính linh kiện quyết định dV/dt và dI/dt thực tế.

Sử dụng GreenPAK cho điều khiển tải điện áp cao

Renesas GreenPAK đơn giản hóa việc điều khiển tải điện áp cao bằng cách tích hợp tạo PWM, giám sát tương tự, định thời và logic bảo vệ vào một thiết bị lập trình duy nhất. Các bộ so sánh trên chip, điện áp tham chiếu, bộ đếm và logic cấu hình được có thể xử lý ngưỡng dòng, giám sát điện áp bus, điều kiện khởi động và phát hiện lỗi mà không cần các IC điều khiển riêng cho từng chức năng.

Các LUT, flip-flop, phần tử trễ và bộ đếm có thể cấu hình có thể tạo trực tiếp trong silicon các trình tự chuyển mạch, thời gian chết, hành vi tắt và logic khởi động lại có kiểm soát. Không cần firmware bổ sung để duy trì hay độ trễ thời gian khởi động, GreenPAK cung cấp giải pháp điều khiển xác định có thể giảm diện tích bo mạch và đơn giản hóa mạch điều khiển điện áp thấp xung quanh bộ điều khiển cổng.

Các công cụ phát triển Go Configure mang đến cho nhà thiết kế khả năng phát triển logic chuyển mạch và bảo vệ tùy chỉnh hoàn toàn, đồng thời cũng có thể điều khiển kích hoạt bộ điều khiển cổng, lựa chọn slew-rate hoặc các cài đặt điều khiển cổng có thể lập trình. Các bộ xử lý tín hiệu hỗn hợp có thể lập trình này cho phép các tầng công suất điện áp cao kết hợp cảm biến, định thời, bảo vệ và điều khiển chuyển mạch trong một kiến trúc điều khiển gọn hơn.

Để tìm hiểu thêm, hãy xem các linh kiện GreenPAK và các ví dụ tham chiếu.

• Tìm hiểu thêm về các linh kiện GreenPAK
• Xem các giải pháp bộ định thời thức-ngủ GreenPAK

Dù bạn cần xây dựng hệ thống điện tử công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB hoàn chỉnh và các công cụ CAD đẳng cấp thế giới do Altium cung cấp để triển khai các giải pháp GreenPAK của bạn. Altium cung cấp nền tảng phát triển sản phẩm điện tử hàng đầu thế giới, hoàn chỉnh với các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành và các tính năng cộng tác liên ngành cho các nhóm thiết kế tiên tiến. Liên hệ với chuyên gia của Altium ngay hôm nay!