Proyecto: Diseño optimizado de una etapa Step Up

[Picuino]

La red snubber ha funcionado bien con el transistor, pero mal con la salida.
De todas formas el ruido es pequeño. Ya lo mejoraremos.

Por ahora no se calienta mucho.

?Ajustamos el lazo de regulación de tensión?

[micro_pepe]

La red snubber ha funcionado bien con el transistor, pero mal con la salida.
De todas formas el ruido es pequeño. Ya lo mejoraremos.

Por ahora no se calienta mucho.

?Ajustamos el lazo de regulación de tensión?

Sí, vamos a ello.

[Picuino]

Hay dos métodos para hacerlo.
El primer método, académico, consiste en identificar los polos y ceros del sistema y luego diseñar la compensación para que cumpla con un margen de fase y de ganancia.
Es instructivo porque permite conocer cuáles son los componentes que limitan la respuesta en frecuencia y cómo realizar un diseño que la mejore.
El problema es que es complejo y tiene una buena cantidad de teoría.

El segundo método, práctico, consiste en seguir las reglas de Ziegler-Nichols. No intenta identificar el sistema y se puede utilizar sin saber cómo está construida la fuente. Es menos teórico y da buenos resultados, aunque no te permite conocer cómo mejorar la fuente.

[Picuino]

Yo creo que podemos comenzar por el método de Ziegler-Nichols, compensar de forma sencilla la fuente y ver qué respuesta consigue.

A continuación podemos identificar de forma teórica los polos y los ceros de la fuente (de la forma más sencilla que se pueda) para saber cómo se podría mejorar más ese comportamiento y dónde están las mayores limitaciones.

[Picuino]

Para comenzar con el método de Ziegler-Nichols hay dos formas distintas de sintonizar el regulador PID (respuesta al escalón y ganancia crítica).
En este caso creo que se podrá manejar mejor con la ganancia crítica porque no veo una forma sencilla de manejar la fuente en lazo abierto para comprobar la respuesta al escalón.

Método de Ziegler-Nichols con la ganancia crítica:

1º. Ajustas la fuente a una salida de 24V y colocas una carga de 40W

2º. Con la fuente apagada, hay que colocar un cable desde R8 hasta la patilla 2 (VFB) y una resistencia variable de 10k desde la patilla 2 hasta la patilla 1 (COMP). No se coloca ningún otro componente, ni resistencias ni condensadores.

3º. Con la fuente encendida Aumentas poco a poco el valor de la resistencia variable hasta que la salida de tensión comience a oscilar de forma mantenida. Es posible que necesites una resistencia mayor de 10k, si es así coloca una de 100k

4º. Una vez conseguida la oscilación en la tensión de salida hay que medir dos parámetros:
El periodo de la oscilación (o su frecuencia)
El valor de la resistencia variable (con la fuente apagada)

5º. A partir de esos valores se calculan los valores del regulador PID y los valores de las resistencias y condensadores necesarios.

Un saludo.

[micro_pepe]

Yo creo que podemos comenzar por el método de Ziegler-Nichols, compensar de forma sencilla la fuente y ver qué respuesta consigue.

A continuación podemos identificar de forma teórica los polos y los ceros de la fuente (de la forma más sencilla que se pueda) para saber cómo se podría mejorar más ese comportamiento y dónde están las mayores limitaciones.

Estoy de acuerdo. En mis estudios, tuve una asignatura de sistemas electrónicos de control, pero todos los ejercicios partían de un enunciado tal como: Un sistema cuya  planta responde a la función de transferencia... y te daban los polos y ceros de la planta. Luego calculábamos el filtro o controlador, pero nos quedábamos en ese punto, en una ecuación, nunca implementamos un filtro con un operacional, o el código para un micro si era en tiempo discreto, ni obtuvimos los polos y ceros de un sistema. Tengo un poco olvidado todo esto del lugar de las raíces, y los diagramas de Bode, no está mal recordarlo.

Así eran todas las asignaturas, se hacía mucho análisis, pero de síntesis más bien poco.

En otro hilo hicimos algunos ensayos para un regulador lineal tipo LDO, no se si lo recuerdas, supongo que será parecido, dar un escalón a la salida, medir la oscilación crítica, y a partir de ahí calcular el filtro.

Gracias!!! Un saludo.

[Picuino]

Hay dos métodos de ajuste con Ziegler-Nichols. Creo que con el LDO también usamos el método de ganacia crítica. Ese método trabaja con el sistema en lazo cerrado.

El método del escalón es distinto y trabaja con el sistema en lazo abierto. Pero muchos sistemas, como este, no trabajan bien en lazo abierto y es preferible el primer método.

Aquí más información sobre los dos métodos de Ziegler-Nichols

[Picuino]

Es importante saber que esta fuente es no lineal (no se si mucho o poco, no lo he calculado todavía).

El caso es que estaremos optimizando el PID para 24V y 40W, pero se comportará peor en otros puntos de trabajo.
Si quieres optimizar su comportamiento para otra tensión y potencia, este es el momento de cambiarlos.

Un saludo.

[micro_pepe]

Es importante saber que esta fuente es no lineal (no se si mucho o poco, no lo he calculado todavía).

El caso es que estaremos optimizando el PID para 24V y 40W, pero se comportará peor en otros puntos de trabajo.
Si quieres optimizar su comportamiento para otra tensión y potencia, este es el momento de cambiarlos.

Un saludo.

Entiendo que optimizarlo para un rango amplio de tensiones y potencias es complicado hacerlo, creo que la mayoría de los cargadores de portátil funcionan sobre 19V, y una potencia de unos 70W, luego les habrá por encima y por debajo de esa potencia y voltaje, creo que 19v y 70w es el punto ideal.

[Picuino]

70 W será el punto de mayor consumo. Un poco menos estaría bien.
De todas formas depende más del ciclo de trabajo y la tension de salida. Voy a poner las ecuaciones para que se vea mejor.

Un saludo.

[Picuino]

El lazo de regulación de tensión está formado por los siguientes elementos:

1. Condensadores de salida y carga. Incluye las resistencias ESR e inductancias en serie.
La carga puede ser una resistencia o una carga distinta más difícil de controlar. Por ahora voy a suponer que solo es una resistencia y luego comento que puede pasar con el Laptop como carga.

2. Divisor de tensión. Está formado por R8, R10 y R16.

3. Regulador de tensión (puede ser un PID, sólo un proporcional u otro tipo de regulador)

4. Etapa de potencia, que regula corriente de pico en la bobina.


En un sistema regulado, su respuesta cambia cuando cambiamos la ganancia o amplificación de alguno de sus componentes. En general, si aumentamos una ganancia, la respuesta será más rápida y el sistema se hará más inestable, con más oscilaciones. Por el contrario si disminuimos la ganancia, el sistema se hará más lento y más estable, sin sobrepulsos ni oscilaciones.

Por lo tanto hay que estudiar la ganancia de cada etapa para saber cómo se comportará el sistema:

La etapa 1 no cambia, sólo influye la carga y por ahora vamos a suponer que es una resistencia fija.

La etapa 2 si que cambia, cuanto mayor sea la tensión de salida menos ganancia tiene. Su ecuación es la de un divisor de tensión:
   VR4 = Vo · R8 / (R8 + R16 + R10)

Eso significa que cuanto mayor sea R10, menos ganancia tendrá, más lento será el sistema y más estable.

La etapa 3 es fija y no cambia una vez afinada. Puede ser no lineal y dar problemas con la velocidad de subida de la tensión porque el operacional en el que está basado entrega como máximo 0.5mA positivos con una fuente de corriente constante. En el lado negativo no hay problema porque tiene un transistor en emisor común que puede absorber mucha más corriente y será más rápido. Para evitar este comportamiento no lineal intentaremos utilizar valores de resistencias altos.

La etapa 4 es no lineal. Por un lado recibe una tensión de referencia de la etapa 3 que consiste en un voltaje entre 0V y 1V. Este voltaje se compara con la tensión de las resistencias de sensado de corriente y eso determina el encendido y apagado del transistor y diodo. Estos a su vez controlan la corriente de pico por la bobina. En realidad es un poco más complicado por la rampa de compensación, pero por ahora podemos no tenerla en cuenta.
Tampoco voy a tener en cuenta la diferencia entre la corriente de pico y la corriente media (que es un poco menor). Esto no es exacto, pero sirve perfectamente para entender cómo funciona la etapa.

Lo que nos interesa en este caso es la corriente de salida que valdrá:

    Io = I_pico · (1 - D)

Es decir la corriente media de salida será igual a la corriente de pico de la bobina, multiplicado por el tiempo que la bobina está conectada a la salida. A su vez, el ciclo de trabajo depende de la tensión de salida:

   D = (Vo - Ve) / Vo

Cuanto mayor sea la tensión de salida, mayor será el ciclo de trabajo. Si combinamos ambas ecuaciones:

   Io = I_pico · Ve / Vo

Esto significa que cuanto mayor sea la tensión de salida, menor será la corriente de salida y la ganancia será menor.


Conclusión:
La fuente tiene una ganancia menor con tensiones de salida altas. En este caso será más lenta y estable. En tensiones bajas será más rápida e inestable.
Ajustamos el lazo para 19V y luego comprobamos hasta dónde es estable por debajo de esa tensión y cómo cambia por encima. Si los resultados son buenos lo dejamos así. En caso contrario volvemos a ajustar.

Un saludo.

[Picuino]

Cargas con resistencia negativa

Los laptop suponen una carga algo complicada porque tienen una resistencia negativa que tiende a oscilar. Lo explico.
En su interior el laptop tiene una fuente de alimentación conmutada que reduce los 19V a 5, 3.3v y todas las tensiones necesarias. Si esta fuente es buena, absorbe sólo la potencia que necesita el ordenador para funcionar, que será más o menos estable. Vamos a imaginar que el ordenador consume en cierto momento 60W, la corriente de alimentación dependerá de la tensión de alimentación:

   P = 60W   Ve = 19 v    Ie = 3,16 A

Si la tensión baja un poco, la fuente del ordenador se ajusta y demandará más corriente:

   P = 60W    Ve =18v    Ie = 3,33 A

Esto significa que si la tensión de alimentación del ordenador baja, la corriente sube. Esto es lo contrario de lo que pasa con las resistencias, se denomina resistencia negativa y es ideal para producir oscilaciones. Cuanto más baje la tensión más subirá la corriente y tenderá todavía más a bajar la tensión. Por el otro lado, cuanto más suba la tensión, menos corriente consumirá y más tenderá a subir la tensión. Es como en un oscilador, existe una realimentación positiva que hace que oscile.

Por eso la carga del laptop o cualquier otra fuente conmutada es una carga difícil. Hay que tenerlo en cuenta a la hora de regular la etapa Step-Up.

Vamos a ajustarla con una resistencia, pero eso no es la carga real. Una resistencia es mucho más simple y no da estos problemas.

Cuando acabemos de afinar la etapa habrá que hacer pruebas con el ordenador para comprobar que todo va bien. Lo ideal sería que acoplases una etapa Buck o reductora que simulase el comportamiento del ordenador para no hacer experimentos con él.

Un saludo.

[Picuino]

Resistencias de sensado de tensión

En esta fuente la forma de regular la tensión de salida es hacer un divisor de tensión variable. Cuanto más se divide la tensión de salida, mayor tensión de salida se consigue. Este método se implemena con un simple potenciómetro y es un circuito muy usado.

Pero hay otra manera de conseguir variar la tensión de salida sin divisor de tensión. El beneficio consiste en que la ganancia de esta etapa no varía con la variación de la tensión de salida y la fuente es más robusta, un poco más estable en todo el rango de tensiones de salida.

Esta otra solución consiste en hacer un divisor de tensión fijo para conseguir la tensión de salida media.
A continuación se le inyecta una corriente al divisor de tensión (en R8) que dependa de un potenciómetro. Cuanta más corriente se inyecte en el divisor de tensión, menos tensión de salida tendrá la fuente y viceversa.

Una forma sencilla de implementarlo es poner un potenciómetro entre 0V y 5V. La salida del potenciómetro (el cursor) se une mediante una resistencia al divisor de tensión (R8). La tensión del potenciómetro se sumará o restará a la tensión de la salida de la fuente, como en un operacional sumador, modificando con este Offset la tensión de salida.

Un saludo.

[micro_pepe]

Bueno, he echo el ensallo con 18.5V y 2.55A (47w), entiendo que la oscilación es la envolvente de esta señal:

Tc-18_5v-2_55A.gif
(21.99 kB, 800x480 - visto 324 veces)

entonces Tc = 5.3 · 80us = 424us

eso ocurre con una resistencia de 33Kohm, lo que no sé es como calcular la ganancia crítica ¿no habría que poner una resistencia entre R8 y el pin 2?

Gracias!!! Un saludo.

[micro_pepe]

Resistencias de sensado de tensión

En esta fuente la forma de regular la tensión de salida es hacer un divisor de tensión variable. Cuanto más se divide la tensión de salida, mayor tensión de salida se consigue. Este método se implemena con un simple potenciómetro y es un circuito muy usado.

Pero hay otra manera de conseguir variar la tensión de salida sin divisor de tensión. El beneficio consiste en que la ganancia de esta etapa no varía con la variación de la tensión de salida y la fuente es más robusta, un poco más estable en todo el rango de tensiones de salida.

Esta otra solución consiste en hacer un divisor de tensión fijo para conseguir la tensión de salida media.
A continuación se le inyecta una corriente al divisor de tensión (en R8) que dependa de un potenciómetro. Cuanta más corriente se inyecte en el divisor de tensión, menos tensión de salida tendrá la fuente y viceversa.

Una forma sencilla de implementarlo es poner un potenciómetro entre 0V y 5V. La salida del potenciómetro (el cursor) se une mediante una resistencia al divisor de tensión (R8). La tensión del potenciómetro se sumará o restará a la tensión de la salida de la fuente, como en un operacional sumador, modificando con este Offset la tensión de salida.

Un saludo.

Esto habría que haberlo tenido en cuenta en el diseño del PCB, pero está bien saberlo para otros circuitos.

Para hacer pruebas tengo una fuentecita basada en un BUCK, así se puede simular un portatil.

Despues de todo el razonamiento que has echo, entiendo que diseñar un convertidor DC-DC que abarque muchos voltajes y corrientes diferentes, es complicado, una fuente de esas de laboratorio que venden los chinos basadas en un BUCK, seguro que oscilan en algún momento, con algún tipo de carga.