Безмостовой корректор коэффициента мощности Xiaohua (Huada) на базе микроконтроллера HC32F334

Корректор коэффициента мощности (ККМ) на основе микроконтроллера HC32F334 представляет собой готовое встраиваемое решение от компании Xiaohua Semiconductor (Huada).

Корректор построен по безмостовой топологии «Totem-Pole PFC» с синхронным выпрямлением, работает в режиме неразрывных токов (CCM) и использует чередование двух повышающих фаз. Благодаря такому сочетанию характеристик устройство имеет крайне низкий уровень электромагнитных помех, упрощенную конструкцию входного фильтра ЭМП и более синусоидальную форму потребляемого тока, что крайне важно при разработке серверных источников питания. Максимальная выходная мощность ККМ составляет 2000 Вт, номинальное выходное напряжение равно 400 В. Коэффициенты гармонических искажений и мощности корректора полностью соответствуют новому более строгому стандарту M-CRPS, в том числе и в области малых нагрузок. В этой статье мы подробно рассмотрим основные аспекты, а также разберем особенности работы данного модуля.

Основные принципы работы ККМ

В условиях стремительного развития информационных технологий нового поколения, таких как облачные вычисления и искусственный интеллект, постоянно растет спрос на качественные и надежные источники питания для серверов. При этом потребление энергии центральными и графическими процессорами за два десятка лет увеличилось в разы: если в начале XXI-го века типовая выходная мощность серверного блока питания составляла примерно 200…300 Вт, то в настоящее время эта цифра выросла до 800…2000 Вт (прогнозируется 3000…5500 Вт), а в ряде случаев превышает 8000 Вт. Отметим, что при таких мощностях достаточно важными параметрами источника питания являются не только его эффективность (КПД), но и различные факторы, негативно влияющие на энергосистему, к которой подключен преобразователь. К таким факторам обычно относят долю полной потребленной энергии, которую источник способен преобразовать в полезную работу, а также степень искажений, вносимых блоком питания в синусоидальную форму тока в энергосистеме.

Первый фактор количественно характеризуется коэффициентом мощности (Power Factor, PF) и вычисляется по формуле:

где P, Вт – активная мощность, потраченная источником на полезную работу, а S, В*А – полная мощность, потребленная им из сети.

Чем ниже коэффициент мощности у блока питания, тем больше он нагружает провода и источник энергии энергосистемы, поскольку помимо «полезной» активной мощности, расходуемой на формирование выходного напряжения, он потребляет реактивную, которая просто возвращается по проводам обратно.

Обратите внимание на то, что понятие «активная мощность» уже включает в себя КПД блока питания, то есть значение cos(φ) отражает влияние исключительно реактивной составляющей потребленной мощности.

Для численного определения второго фактора используется коэффициент гармонических искажений формы тока в сети - iTHD (Total Harmonic Distortion of Current):

где i₁ – ток основной гармоники, а i_n – токи высших гармоник. Таким образом, iTHD – это отношение суммарного гармонического тока к току основной гармоники, обычно выраженное в процентах.

Наличие приведенных выше негативных факторов обусловлено тем, что в простейших импульсных источниках питания для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное используется связка «диодный мост + накопительный конденсатор». При этом выпрямительная цепь потребляет из сети ток только в те моменты, когда сетевое напряжение выше напряжения на накопительном конденсаторе. В результате потребляемый ток имеет импульсную форму, то есть содержит высокие гармоники, приводящие к появлению реактивной составляющей в потребленной мощности.

Для уменьшения этих негативных эффектов в современной импульсной технике используются узлы, построенные на управляемых элементах – активные корректоры коэффициента мощности (ККМ или PFC – Power Factor Corrector). Их основная задача – придание току, потребляемому из сети, синусоидальной формы в целях снижения коэффициента iTHD. Кроме того, активные ККМ осуществляют коммутацию управляемых элементов таким образом, чтобы ток, потребляемый источником, совпадал по фазе с сетевым напряжением, тем самым снижая реактивную составляющую потребленной мощности, а следовательно, и увеличивая значение cos(φ). В результате активные ККМ позволяют существенно повысить долю энергии, преобразуемой источником питания в полезную работу, а также минимизировать гармонические искажения тока в питающей сети.

Как следует из рисунка выше, для возможности прогнозируемого управления потребляемым током необходимо, чтобы напряжение на накопительном конденсаторе всегда было выше сетевого. В противном случае не удастся исключить токовые импульсы, возникающие при недостаточном заряде накопительной емкости. В связи с этим все активные корректоры коэффициента мощности являются повышающими преобразователями энергии, типовое выходное напряжение которых составляет 400…425 В. В простейшем случае схема данного узла выглядит как обычный конвертер типа «Step-Up», синхронизованный с сетевым напряжением при помощи делителя R1R2 (цепь R3R4 осуществляет традиционную обратную связь по выходу).

Контроллер ККМ реализует управление транзистором Q1 таким образом, что средний ток через дроссель L, а значит, и ток, потребляемый всем источником питания, является синусоидальным и совпадающим по фазе с напряжением в сети (напомним, что это основная задача корректора коэффициента мощности). При этом мгновенный ток в индуктивности, фактически заряжающий накопительный конденсатор, будет треугольным, а конкретная форма будет зависеть от режима работы дросселя.

В настоящее время в активных ККМ обычно используются режим прерывистого тока, непрерывного или критической проводимости. Их осциллограммы и сравнительные характеристики приведены ниже (красным цветом показан средний ток через индуктивность, синим – мгновенный).

Выбор конкретного режима работы дросселя зависит от требований, предъявляемых к разрабатываемому источнику питания. При этом ряд контроллеров ККМ допускает работу сразу в нескольких режимах.

Отметим, что улучшить электромагнитную совместимость и уменьшить стоимость входного фильтра преобразователя можно не только при помощи перехода на режим CCM, но и путем использования в корректоре двух цепей, поочередно подзаряжающих накопительную емкость.

В данной схеме выходы контроллера ККМ обычно работают в противофазе со сдвигом на 180°, поэтому ток через каждый дроссель, транзистор и диод снижается вдвое. Таким образом, метод чередования повышающих фаз позволяет либо обеспечить больший рабочий ток корректора коэффициента мощности при тех же компонентах, либо использовать более дешевые элементы, рассчитанные на меньший ток. Однако главное преимущество этого метода состоит в том, что он дает возможность сделать входной фильтр источника менее громоздким и дорогим. В связи с этим чередование повышающих фаз часто применяется в мощных блоках питания, где выигрыш от снижения габаритов и стоимости фильтра ЭМП на входе блока позволяет с лихвой компенсировать затраты на дополнительные силовые и управляющие элементы. Кроме того, при наличии соответствующего контроллера ККМ количество повышающих цепей (фаз) может стать еще больше, что даст дополнительный выигрыш в плане электромагнитных помех.

Следует отметить, что на приведенных выше схемах выпрямление сетевого напряжения осуществляется традиционным методом: при помощи диодного моста. Такой способ хорошо работает в маломощных источниках питания с небольшими токами потребления, поскольку в этом случае потери на диодах будут незначительными. Однако в мощных преобразователях они могут достигать десятков Вт, что не только пагубно сказывается на КПД источника, но и заставляет решать проблемы с отводом тепла от диодного моста. В связи с этим при выходных мощностях более 1 кВт все чаще используются топологии с заменой диодов на полевые транзисторы, несмотря на то, что они требуют более сложной схемы управления.

В настоящее время наиболее эффективной из них является безмостовая топология с синхронным выпрямлением (на рисунке выше обозначенная как «Synchronous FET»), поскольку в ней полностью отсутствуют неуправляемые активные элементы. Таким образом, здесь исключается прямое падение напряжения на диодах моста, и остаются только потери проводимости в полевых транзисторах, как правило, имеющих сравнительно небольшое сопротивление открытого канала.

Отметим, что в отличие от схем, приведенных выше, обычно в англоязычной литературе под фразой «Totem-Pole» понимается двухтактных каскад на ключах разной проводимости, поэтому дальше по тексту мы не будем использовать этот термин, чтобы не вносить дополнительную путаницу.

Особенности модуля, предлагаемого Xiaohua Semiconductor

Топология и режим работы

Чтобы серверные блоки питания отвечали современным критериям энергосбережения, минимизации выбросов, а также сокращения материальных затрат при построении масштабных центров обработки данных, вводятся различные отраслевые стандарты. Например, в настоящее время широко распространен стандарт M-CRPS, пришедший на смену спецификации CPRS2.2 и предъявляющий более строгие требования к коэффициенту гармонических искажений формы тока в сети (iTHD) и коэффициенту мощности (Power Factor). В качестве иллюстрации большей строгости нового стандарта на рисунке показана разница в требованиях спецификаций M-CRPS и CRPS2.2 к гармоническим искажениям.

 

Из этого рисунка видно, что при половинной выходной мощности коэффициент iTHD должен быть на 30% ниже чем ранее, а при небольшой нагрузке на выход – более чем в два раза. В связи с этим при разработке рассматриваемого модуля ККМ производства компании Xiaohua (Huada) были приняты следующие предпроектные решения:

• используется безмостовая топология с синхронным выпрямлением. Данный выбор существенно повышает КПД корректора, что продиктовано требованиями к эффективности и компактности серверных блоков питания;
• индуктор работает в режиме непрерывного тока (CCM), который обеспечивает наименьшее изменение формы потребляемой энергии, что благотворно скажется на коэффициенте гармонических искажений, а также снизит долю реактивной мощности. Кроме того, режим CCM характеризуется минимальными электромагнитными помехами, это позволит лучше соответствовать требованиям стандарта к ЭМС, а также упростить входной фильтр источника;
• также в этом модуле применен метод чередования повышающих фаз (N = 2), позволяющий дополнительно улучшить электромагнитную совместимость блока питания и сделать ЭМП-фильтр на его входе еще более экономичным и компактным.

 

Схема и принцип действия

Рассмотрим блок-схему модуля ККМ на базе микроконтроллера HC32F334.

Как говорилось ранее, данное решение представляет собой безмостовой корректор коэффициента мощности с синхронным выпрямлением, использующим чередование повышающих фаз. Синхронный выпрямитель выполнен на базе транзисторов Q5 и Q6, повышающие фазы – на элементах L1, Q1, Q2 и L2, Q3, Q4. Работа силовой части корректора проиллюстрирована на следующем рисунке (показаны процессы в фазе L1Q1Q2, в фазе L2Q3Q4 они будут аналогичными).

Стрелками на данном рисунке показан путь, по которому протекает силовой ток в корректоре мощности: красный цвет соответствует положительной полуволне, синий – отрицательной. Основные принципы здесь будут такими же, как и в обычном повышающем преобразователе с диодным мостом. На положительной полуволне сетевого напряжения транзистор Q6 открыт постоянно (аналог диодов моста), и все силовые токи текут через него. Транзистор Q2 здесь выступает в роли ключа повышающего преобразователя, через который происходит накопление энергии в индуктивности L1, а транзистор Q1 – в качестве диода, через который накопленная энергия поступает в нагрузку и накопительный конденсатор C1. Соответственно, во время накопления энергии ключ Q2 открыт, а Q1 закрыт, во время ее отдачи картина противоположная: Q1 открыт, Q2 закрыт. На отрицательной полуволне в качестве диодов моста выступает транзистор Q5 – он открыт постоянно, а транзистор Q6 постоянно заперт. При этом функции ключей Q1 и Q2 меняются местами: через первый производится накопление энергии в индуктивности, через второй – ее отдача в нагрузку. Таким образом, во время заряда дросселя транзистор Q1 удерживается в открытом состоянии, а транзистор Q2 – в закрытом, во время разряда индуктивности Q1 закрывается, а Q2 становится открытым.

Обратите внимание, что на обеих полуволнах сетевого напряжения ток в нагрузке течет в одну и ту же сторону.

Управление силовой частью, а также обработка вспомогательных сигналов в рассматриваемом модуле осуществляется при помощи микроконтроллера (МК) HC32F334, производимого компанией Xiaohua (Huada). Отметим, что в данном случае на вход МК поступают не только традиционные сигналы обратной связи по напряжению и синхронизации с сетью, но и данные с токовых сенсоров, установленных в каждой повышающей фазе ККМ. Каждый из них представляет собой быстродействующий датчик Холла и предназначен для измерения тока через дроссели L1 и L2, что необходимо для реализации некоторого дополнительного функционала, поддерживаемого модулем (эти функции будут подробнее рассмотрены далее). В целях обеспечения согласования уровней коммутирующих сигналов и достижения малого времени включения/выключения силовых транзисторов для управления ими используется специальный драйвер.

Основные характеристики

Модуль ККМ производства компании Xiaohua (Huada) имеет следующие основные параметры:

Для сравнения ниже приведены требования спецификации M-CRPS к таким параметрам, как коэффициент мощности (Power Factor, PF) и коэффициент гармонических искажений (iTHD).

Как следует из приведенных данных, рассматриваемый модуль ККМ с запасом отвечает требованиям нового стандарта. Более детальную информацию по зависимости коэффициента мощности модуля от нагрузки, его гармонических искажений и КПД можно получить из следующих графиков:

На рисунке ниже приведены осциллограммы входного тока модуля ККМ при номинальном сетевом напряжении и полной нагрузке: синим цветом показано входное напряжение, голубым – полный ток через корректор, сиреневым и зеленым – токи через дроссели L1 и L2, соответственно.

Здесь можно отметить синфазность входного напряжения и потребляемого тока, а также близость формы последнего к синусоиде. Обратите внимание на то, что максимальные искажения тока наблюдаются в районе его перехода через ноль. Это является общей проблемой большинства активных корректоров коэффициента мощности, для решения которой модуль Xiaohua (Huada) имеет специальные возможности. Для сравнения ниже приведены осциллограммы потребляемого тока, полученные с контроллерами ККМ других производителей.

Из этого рисунка хорошо видно, что применение специальных алгоритмов обработки сигналов с токовых датчиков позволяет свести к минимуму искажения входного тока источника питания, причем не только на пиках или при пересечении нуля, но и в целом. Далее эти алгоритмы будут рассмотрены более подробно.

 

Снижение помех при оцифровке токового сигнала

Корректоры коэффициента мощности, собранные на базе микроконтроллеров, обычно имеют цепь обратной связи по току (напомним, что в модуле от Xiaohua в этой цепи задействованы быстродействующие датчики Холла). При этом для оцифровки токового сигнала используется АЦП МК, а выборка чаще всего производится в четком соответствии с состоянием силового ключа, управляющего индуктивностью корректора. Обычно в качестве момента выборки используют либо середину интервала T_ON, на котором ключ открыт (фиолетовые стрелки на рисунке ниже), либо середину интервала T_OFF, где ключ закрыт (зеленые стрелки).

Результат в обоих случаях будет одинаковым: на выходе АЦП мы получим среднее значение тока индуктора. При этом именно середина интервалов T_ON и T_OFF используется для того, чтобы избежать влияния коммутационных помех (выбросов, звона и так далее), которые неминуемо будут присутствовать в моменты включения и выключения транзистора. Однако при приближении коэффициента заполнения DC к предельным значениям (0% и 100%) помехоустойчивость токовых выборок начнет снижаться из-за того что в соответствующий интервал будет постепенно попадать все больше и больше паразитных эффектов, вызванных коммутацией ключа. При использовании первого способа снижение помехоустойчивости будет наблюдаться при DC → 0%, то есть при переходе токового сигнала через ноль, а при использовании второго – при DC → 100%, то есть в максимумах потребляемого тока.

В рассматриваемом модуле ККМ для выбора моментов оцифровки сигнала с датчиков Холла используется смешанный алгоритм (так называемый «попеременный метод»). Выглядит он как сумма рассмотренных выше способов: если коэффициент заполнения напряжения, управляющего силовым ключом, меньше 50%, АЦП производит выборку сигнала в середине спадающего участка тока через индуктор, в противном случае – в середине нарастающего.

При этом время начала выборки T_D относительно переднего фронта импульса, управляющего силовым ключом, вычисляется по следующим формулам:

где T_S – период управляющих импульсов.

Такой подход позволяет с гарантией исключить влияние коммутационных помех на оцифровываемый сигнал, повышая надежность работы всей системы в целом.

 

Регулировка параметров контура обратной связи

Для изготовления силовых дросселей, устанавливающихся в модуль ККМ от Xiaohua (Huada), используются сердечники из порошковых материалов. Магнитная проницаемость такого сердечника, а следовательно, и индуктивность дросселя, намотанного на нем, снижается при протекании через обмотку достаточно больших токов.

Это ведет к изменению передаточной функции контура обратной связи (ОС) по току, поэтому если параметры соответствующего ПИ-регулятора являются фиксированными, полоса пропускания и запас по фазе этого контура будут разными при различных нагрузках. Это может привести к нестабильной работе ККМ, поэтому в рассматриваемом модуле реализована возможность изменения пропорционального (K_p) и интегрального (K_i) коэффициентов токовой петли ОС непосредственно в процессе эксплуатации устройства.

Для устойчивой работы корректора коэффициента мощности контур обратной связи по току необходимо настроить так, чтобы его частота среза составляла примерно 4 кГц, а запас по фазе был не менее 35…40⁰. Если обеспечить эти требования на малом токе нагрузки, то с его увеличением частота среза петли ОС будет расти, а запас по фазе снижаться, что повлечет за собой ухудшение устойчивости всей системы. На рисунке ниже приведены диаграммы Боде для контура, параметры которого настроены на 4 кГц, 40° для нагрузки 100 Вт и не изменяются в процессе работы устройства.

Здесь малой нагрузке (100 Вт) соответствуют синие кривые и синие стрелки. При этом графики полностью отвечают вышеуказанным требованиям. Однако при полной нагрузке (1000 Вт, красные кривые и красные стрелки) частота среза петли ОС увеличивается до 8,2 кГц, а запас по фазе на данной частоте составляет всего 1⁰. Также отметим, что оптимизация контура под максимальную выходную мощность в случае фиксированных значений коэффициентов K_p и K_i может привести к нестабильной работе ККМ на малой нагрузке, то есть это тоже не дает гарантированного решения проблемы. Поэтому единственным надежным способом обеспечения устойчивости системы является использование в ПИ-регуляторе параметров, значения которых корректируются в зависимости от текущей нагрузки устройства.

Для этого производитель рассматриваемого ККМ рекомендует использовать корректирующий коэффициент K_f, значение которого в процессе работы модуля постоянно пересчитывается под текущую нагрузку, а затем используется для вычисления актуальных параметров ПИ-регулятора:

где K_p и K_i – коэффициенты контура, оптимизированного под минимальный выходной ток. Значение K_f обратно пропорционально нагрузке на выходе корректора, причем зависимость данного коэффициента от тока линейна.

Например, если в контуре обратной связи, рассмотренном выше, при максимальной нагрузке использовать корректирующий коэффициент K_{f_min} = 0,5, а при минимальной K_{f_max} = 1, то нам удастся добиться требуемого запаса по фазе во всем диапазоне нагрузок модуля:

Влияние способа определения параметров ПИ-регулятора на коэффициент гармонических искажений формы тока в сети будет рассмотрено в разделе «Источники улучшения iTHD».

 

Корректировка тока индуктора в прерывистом режиме

Как говорилось выше, силовые индукторы рассматриваемого модуля ККМ предназначены для работы в режиме непрерывного тока (CCM), поэтому имеют увеличенную индуктивность. При этом проектирование любого магнитного элемента – это поиск компромисса между его характеристиками и стоимостью. В нашем случае основным будет следующий критерий: чем больше индуктивность дросселя, тем меньше в нем будет размах токовых пульсаций, и тем дольше дроссель не перейдет в режим прерывистого тока при снижении нагрузки.

Однако, стремление работать в режиме CCM как можно дольше потребует чрезмерного увеличения индуктивности, что приведет не только к удорожанию индуктора, но и к росту его массогабаритных показателей. Поэтому в модуле ККМ от Xiaohua (Huada) размах токовых пульсаций принят равным 60%. Как показывает практика, для относительно мощных импульсных преобразователей это обеспечивает разумный компромисс между вышеперечисленными параметрами. При этом очевидно, что при токах нагрузки меньше ≈ 0,3 × I_MAX устройство начнет переходить в прерывистый режим, работа в котором имеет некоторые особенности.

Основным нюансом здесь будет несоответствие значения тока, считанного контроллером с датчика Холла (i_sence), и фактического значения среднего тока, протекающего через дроссель (I_in). Данная специфика обусловлена особенностями оцифровки токового сигнала в рассматриваемом модуле ККМ, а именно тем, что выборки привязаны к интервалам, связанными с силовым ключом, а не непосредственно с дросселем, о чем было сказано ранее. Такой подход хорошо работает при условии непрерывности тока в индукторе, однако после перехода устройства в прерывистый режим значение i_sence, считанное АЦП микроконтроллера, будет больше фактического значения I_in.

Данное несоответствие приводит к увеличению искажений формы потребляемого тока в области малых нагрузок, а следовательно, и к росту значения коэффициента iTHD. Поэтому когда ККМ работает в прерывистом режиме, значение тока, считанное с датчика Холла контроллером HC32F334, должно быть скорректировано при помощи коэффициента I_COMP, который рассчитывается по формуле:

Исходя из этого ток, считанный контроллером HC32F334 с датчика Холла, корректируется следующим образом:

где D = DC/100% – коэффициент заполнения сигнала, управляющего силовым ключом. Влияние корректировки считанного значения тока на коэффициент гармонических искажений при малой нагрузке будет подробно рассмотрено в разделе «Источники улучшения iTHD».

 

Особенности пакетного режима работы

При крайне малых значениях нагрузки, а также на холостом ходу мощные импульсные преобразователи энергии обычно переводятся в пакетный режим работы (Burst Mode), предназначенный для снижения токопотребления преобразователя. В данном режиме контроллер формирует управляющие сигналы для силовых ключей не постоянно, а периодически - небольшими пачками (пакетами). Во время подачи импульсов преобразователь подзаряжает выходной конденсатор, после чего мощность на нагрузке поддерживается исключительно за счет этого конденсатора, поскольку силовая часть источника выключается для снижения энергопотребления системы. В общем случае момент начала пакета выбирается условно произвольно, однако в случае корректора коэффициента мощности такой подход приводит к увеличению гармонических искажений формы потребляемого тока. Чтобы этого избежать, в рассматриваемый модуль ККМ внедрен алгоритм, позволяющий начинать и заканчивать пакеты управляющих импульсов строго в момент перехода сетевого напряжения через ноль.

Результат работы данного алгоритма представлен на следующем рисунке, где показана форма тока, проходящего через дроссель рассматриваемого ККМ в пакетном режиме работы.

Обратите внимание, что средний ток в индукторе не содержит «обрезанных» полуволн синуса, что крайне благоприятно сказывается на коэффициенте гармонических искажений (iTHD). Следует отметить, что в области крайне малых нагрузок именно применение специального алгоритма работы в пакетном режиме позволило соответствовать жестким требованиям стандартов M-CRPS и CRPS2.2. Рассмотрим влияние данного алгоритма на значение коэффициента iTHD.

 

Источники улучшения iTHD

Мы разобрали некоторые особенности модуля ККМ производства компании Xiaohua (Huada), позволяющие улучшить его коэффициенты гармонических искажений (iTHD) и мощности (PF). К данным особенностям относятся: возможность изменения параметров петли обратной связи по току прямо в процессе работы, корректировка считанного значения тока при малых нагрузках и начало/завершение пачки управляющих импульсов в пакетном режиме только при переходе сетевого напряжения через ноль. На рисунках ниже показан вклад каждой из этих особенностей в коэффициенты гармонических искажений и мощности, а также проиллюстрировано, насколько каждый из используемых алгоритмов приближает характеристики изделия к требованиям стандартов M-CRPS и CRPS2.2.

Из приведенных данных хорошо видно, что применение каждого из указанных способов ведет к постепенному улучшению характеристик модуля, особенно в области малых нагрузок. Например, при применении корректора коэффициента мощности без оптимизации он будет соответствовать требованиям стандарта M-CRPS только при нагрузках больше 20% от максимальной, а стандарту CRPS2.2 – при нагрузках больше 10%. Использование автоматической коррекции коэффициентов ПИ-регулятора в целом существенно снижает iTHD при сохранении устойчивой работы устройства во всем диапазоне нагрузок, однако ситуация с соответствием модуля стандартам от этого не сильно меняется.

Значительно улучшает картину применение корректировки считанного тока индуктора в прерывистом режиме – после этого ККМ начинает соответствовать как M-CRPS, так и CRPS2.2, кроме участка с крайне малыми значениями нагрузки. Это удается исправить при помощи специального алгоритма, формирующего пачки управляющих импульсов в пакетном режиме – его использование делает рассматриваемый модуль совместимым с обоими стандартами даже на холостом ходу.

Однако, следует иметь в виду, что каждая ступень улучшения достигается не каким-то конкретным способом оптимизации, а в том числе и совокупностью всех способов, примененных ранее, например, коррекция тока в прерывистом режиме не будет так эффективна без автоматического изменения параметров ПИ-регулятора.

Контроллер ККМ

Современные мощные ККМ представляют собой довольно сложные устройства, поскольку они обеспечивают поддержку множества дополнительных функций, необходимых для улучшения характеристик изделия. Например, в рассматриваемом модуле к традиционному контуру обратной связи по напряжению добавляются два токовых контура, каждый из которых требует дополнительных расчетов параметров ПИ-регулятора в реальном времени. Кроме того, сравнительно сложная математика используется для коррекции данных, считанных с датчиков Холла в режиме прерывистого тока, а также для работы режекторного фильтра во внешней цепи обратной связи по напряжению и для системы фазовой автоподстройки частоты. Для этих расчетов применяются вычисления, использующие числа с плавающей точкой одинарной точности (float), что вкупе с довольно высокой частотой коммутации силовых ключей предъявляет достаточно жесткие требования к быстродействию и вычислительным мощностям управляющего контроллера, которые не могут быть обеспечены при помощи МК общего применения.

В связи с этим при разработке модуля компания Xiaohua (Huada) приняла решение: в качестве контроллера ККМ использовать микроконтроллер HC32F334 собственного производства, специализирующийся на работе в импульсных системах питания. Данная микросхема представляет собой высокопроизводительный 32-битный МК с сокращенным набором команд (RISC), построенный на базе ядра ARM® Cortex®-M4, максимальная частота работы которого составляет 120 МГц. В состав ядра HC32F334 входит модуль FPU (Floating Point Unit) для выполнения арифметических операций над числами с плавающей точкой, что совместно с поддержкой DSP-инструкций позволяет проводить с необходимой скоростью все вычисления, требуемые для нормальной работы рассматриваемого изделия. Кроме того, ядро включает в себя блок защиты памяти MPU (Memory Protection Unit) и специализированный микропроцессор DMAC, ограничивающие доступ программ к различным областям памяти и обеспечивающие безопасную работу системы.

Наличие модуля HRPWM (High Resolution PWM) позволяет формировать ШИМ-сигналы с минимальным джиттером и стабильностью фазы, также обладающие достаточно высоким разрешением (130 пс), чтобы дискретность их изменения была незаметна в процессе работы корректора коэффициента мощности. При этом верхние (Q1, Q3) и нижние (Q2, Q4) транзисторы повышающих фаз ККМ управляются раздельно при помощи четырех разных регистров сравнения (HRGCMBR, HRGCMAR, HRGCMFR и HRGCMER), что дает возможность плавной регулировки коэффициента заполнения от 0% до 100% независимо для верхнего и нижнего плеча. Также имеется возможность вре́менной блокировки токовой защиты при помощи регистров EEFOFFSETAR и EEFWINAR для предотвращения ложных срабатываний данной защиты на передних фронтах управляющих импульсов (аналог традиционного RC-фильтра).

Отметим, что формирование управляющих ШИМ-сигналов для двух высокоскоростных цепей требует обновления достаточно большого количества регистров в каждом цикле во время процедуры обработки прерывания. Это делает традиционные микроконтроллеры склонными либо к периодическому пропаданию сигнала, либо к установке постоянного напряжения на ШИМ-выходе, что влечет за собой неправильную работу преобразователя. Модуль HRPWM в микроконтроллере HC32F334 специально оптимизирован для решения этой проблемы за счет добавления функции буферизации и флага ее завершения, что гарантирует корректность управляющего сигнала после обновления регистров. Совокупность приведенных выше возможностей позволяет реализовать полноценное управление корректором коэффициента мощности, отвечающее требованиям стандартов M-CRPS и CRPS2.2, на уровне лишь одного кристалла без использования дополнительных управляющих и обрабатывающих схем.

 

Перспективы применения модуля от Xiaohua (Huada)

На сегодняшний день в современной энергетике все шире применяются возобновляемые источники энергии, а системы с их использованием характеризуются двунаправленным потоком мощности. В связи с этим все более популярными становятся топологии, позволяющие передавать энергию как со входа на выход, так и обратно. Безмостовой корректор коэффициента мощности с синхронным выпрямлением может выступать в качестве двунаправленной топологии, то есть аппаратная часть модуля ККМ от компании Xiaohua (Huada) способна обеспечивать преобразование как переменного тока в постоянный, так и постоянного тока в переменный. Для реализации этой возможности требуется всего лишь соответствующее изменение программного обеспечения управляющего контроллера HC32F334, чтобы корректор коэффициента мощности мог работать в режиме инвертора. Блок-схема данной системы имеет следующую структуру:

Примечание: в режиме ККМ напряжение Vfb = Vbus, в режиме инвертора Vfb = Vac

Компания Xiaohua Semiconductor (Huada) приглашает всех заинтересованных лиц к изучению и развитию данной концепции.

Вся линейка продукции Xiaohua (Huada) представлена в каталоге ЮниРЭК:  

Cortex-M0+
Cortex-M4

На дополнительные вопросы ответят специалисты ЮниРЭК:

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ, ЗАКАЗ ОБРАЗЦОВ, УСЛОВИЯ ПОСТАВКИ, ПОДБОР АНАЛОГОВ

или свяжитесь: info@unirec.ru; 8 (800) 511-65-20