Hallo, ich brüte gerade über einen multiphasen Boost Converter der von 6-7V auf 24V umsetzt. Es sollen 2-4 Phasen werden. Die Erzeugung der Ansteuersignale macht erst mal ein LPC1769 (neben anderen Sachen). Die Frage die sich mir stellt: Ist es nötig, die Ströme in den einzelnen Phasen zu messen und auf Gleichheit auszuregeln oder ergibt sich das von selbst. (im Idealzustand mit gleichen Bauteilen). Ich habe das mal mit 2 Phasen und einem fixen gegenphasigen 50:50 Tastverhältnis in LTSpice simuliert. Leider schwingt sich das aber anders ein als erwartet. Ich hänge mal Bilder aus LTSpice dran. Dargestellt sind die Ströme durch die beiden Dioden, die sich sehr deutlich unterscheiden. Ich brauche am Ende keine geregelte Spannung, die Einstellung eines Tastverhältnisses reicht aus. Allerdings sollten die Verteilung auf die einzelnen Phasen schon in etwa gleich sein. Dass ich realen Betrieb Rampen zum Anfahren brauch ist klar, das ist hier bei der Simulation nur zur Vereinfachung nicht drin. Schönen Sonntag an alle.
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Bei Multiphasenwandlern in Voltage-Mode Regelung wird eine extra Regelkreis zum aufteilen der Spröme benötig. m einfachsten Fall Subtrahieren und diesen Wert dem Spannungsreglerausganz hinzuaddieren bzw abziehen. Oder die Ströme der Phasen mittel und den Mittelwert mit den Phasenströmen vergleichen. Die ICs für Multiphasen Topologien haben Mechanismen in dieser Art. Bei Peak-Current Mode Regelung ist dies nicht unbedingt erforderlich. Oft wird die Stromaufteilung bei maximaler Last dann besser, hilft aber nicht viel wenn im Teillastbereich der Ripple am Ausgang stark durchkommt. Wenn du den Wandler ohnehin digital regelst ist es ja noch einfacher, denn den Strom wirst du ohnehin Messen. Wenn die Resouren am µC knapp sind, kann man den Balancing Regler auch in einem anderen Interrupt Level als den Hauptregler fahren und weniger oft updaten.
@Fralla Danke erst mal für deine kompetente Ausführung. Beim Googeln kam mir noch folgendes unter die Tasten: http://oa.upm.es/3353/1/INVE_MEM_2008_54677.pdf Da wurden meine Versuche bestätigt, nachdem bereits Unterschiede von 0.5% bei den Tastverhältnissen dramatische Unterschiede in den Phasenströmen produzieren können. Gewundert habe ich mich aber dann beim Referenzdesign von Microchip: http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en539797&redirects=acdc Da wird zwar ein Komperator für jede Phase verwendet um auf eine Überlast zu reagieren, aber mehr auch nicht bei einem 4 Phasen Buck-Konverter. Ich habe dann schnell noch mal eine Simulation mit einem 2 Phasen Buck gemacht um zu testen ob das da überhaupt auch so kritisch ist. Ist es. Auf alle Fälle ist mir dabei klar geworden, dass ich die Strommessung pro Phase wohl brauche. Oder wie im ersten Link den Ripple bewusst so groß machen, dass sich das von selbst erledigt. Der würde mich nicht mal stören. Trotzdem weiss ich jetzt, dass die Strommessung mit rein kommt. Fralla, noch mal eine andere Frage. Ich habe schon viele deiner Beiträge gelesen und weiss, dass das was du sagst Hand und Fuss hat. Würdest du bei den Leistungen die ich anstrebe (300-500W) auf einen Multiphasen-Boost setzen oder auf eine ganz andere Topologie? Die Ströme sind ja schon ganz ordenlich und die Dioden werden wohl auch durch Fets ersetzt werden müssen. Ja, ich weiss, das sind im Verhältniss zu den hier teilweise besprochenen xxKW-Wandlern noch "Signalleistungen"...
Hallo Jürgen, >Multiphasen-Boost setzen oder auf eine ganz andere Topologie? Die Ströme >sind ja schon ganz ordenlich und die Dioden werden wohl auch durch Fets >ersetzt werden müssen. Boost Topologie passt schon. Durch die Drossel an der Eingangsseite (Hochstromseite) ist der Strom durch kontinuierlich und reduziert den Filteraufwand enorm. Das interleaving reduizeirt natürlich dann noch mehr. Bei dem Strom würde ich mit Sicherheit Synchringleichrichter einsetzten. Es gibt schließlich gute Treiber dafür, die möglichen Probleme sind geringer als die Thermischen bei Einsatz von Dioden. Aufgrund des Dutycycle wäre eine Phasenanzahl von 4 ideal, da gibts dann fast eine Auslöschung des Ripple. Da sich die Leistung mit 500W in Grenzen hält kann man auch 2 Phasen nehmen (oder 3?). Musst du eben abiegen wieviel Steueraufwand erträglich ist. >Trotzdem weiss ich jetzt, dass die Strommessung mit rein kommt. Das ist Sinnvoll. So steht dir auch die Möglichkeit auf Konstantstrom bei Überlast zu regeln offen. Nur aus interesse, wo kommen die 6V-7V eigentlich her? Und wenn du die Drosseln nicht selbst bauen willst, die hier passen für den Wandler http://www.coilcraft.com/ser2900.cfm MFG Fralla
Hallo Fralla, danke erst mal für deine Ausführungen und den Tip mit den Drosseln. Die kannte ich noch nicht. Zu deiner Frage wo die 6-7V herkommen. Das sind 2 LiFePo4 Akkus (40-70Ah) in Reihe und sollen einen BLDC am Fahrrad antreiben. Ich will mal versuchen ob der umgedrehte Weg auch realisierbar ist. Als MC kommt erst mal ein LPC1769 zum Einsatz, der auch die Motorsteuerung mit übernehmen soll. Auf eine PWM in der Motorbrücke soll verzichtet werden. Ein effektives aktives Balancing der 2 Zellen ist auch ziemlich einfach möglich. Mit dem LPC17xx bin ich auf 3 Phasen für den Boost-Konverter beschränkt. In meiner Simulation bei 100khz musste ich die Tastverhältnisse im 10ns Raster ändern um die 2 Phasen auszugleichen, was mich schon etwas stutzig macht. Das ist beim LPC1769 mit 120Mhz gerade noch drin. Die dsPics mit SMPS PWM habe ich mir auch angesehen. Leider liest man da auch viel schlechtes, insbesondere was errata und Stromverbrauch angeht. Sonst sind die aber recht interessant. Vorallem auch die 28-pin DIL Varianten zum Basteln. Da muss mann sich zwar wieder noch eine neue Entwicklungsumgebung zulegen, ausschießen würde ich das aber nicht. Kann man ja auch auf 2 Controller aufteilen. Eigentlich dachte ich aber mit Cortex M0/M3 in der 32-Bit Welt angekommen zu sein.... Als IC für den Synchrongleichrichter kenne ich ZXGD3105N8, TEA179x, IR1168, habe aber noch nichts davon in den Händen gehabt. Was nimmt man da am besten? Schönen Abend noch Jürgen
>Leider liest man da auch viel schlechtes, insbesondere was errata und >Stromverbrauch angeht. Ich verwende sehr oft dsPICs. Ja im Errata steht da einiges, das sollte man nicht außer acht lassen. Aber wenn man es wirklich liest, kommt man damit zurecht. >bei 100khz musste ich die Tastverhältnisse im 10ns >Raster ändern um die 2 Phasen auszugleichen, was mich schon etwas >stutzig macht. Das ist beim LPC1769 mit 120Mhz gerade noch drin. Hat der keine PLL für das PWM Modul? EIn einfacher dsPIC33 kann 1,04ns Auflösen bei nur 40Mhz. Ich sehe so einen billgen dsPIC besser für deine AUfgabe geeignet. 32-Bit helfen da nicht wirklich mehr, klar die 120Mhz schon. Aber die StromRegelung der 3-Phasen macht ein dsPIC auch mit "links". >Das sind 2 LiFePo4 Akkus (40-70Ah) in Reihe und sollen einen BLDC am >Fahrrad antreiben. Hm wieso ist die Zellenanzahl so gering? So ein Boost-Wandler ist auch bei dem hohen Strom machbar, mit heutigen Bauteilen auch sehr effizient, nur arte es dann in einer Materialschlacht aus... >Auf eine PWM in der Motorbrücke soll verzichtet werden. Wieso das? Erfolgt die Strombegrenzung der Anfahren dann über den Boost-Wandler? >Was nimmt man da am besten? Grundsätzlich kannst du es mit jedem High-Low-Side Treiber machen und für die Deatime und DCM erkennung selbst sorgen. Es gibt auch dezitierte Treiber für diese Anwendung wie: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps28226.pdf Oder ICs welche die Spannung und Strom am Fet messen und selbst ausschalten wiehttp://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=NCP4303 (Wobei ich dem in einem CCM Booster nicht trauen würde) Das TI Teil ist gut. MFG Fralla
zu dem Thema hab ich einen ganz guten Artikel gefunden: http://www.elektroniknet.de/automotive/technik-know-how/bordnetz-und-energiemanagement/article/1535/0/Leistung_ohne_Ende/ Gruss
Fralla schrieb: >>bei 100khz musste ich die Tastverhältnisse im 10ns >>Raster ändern um die 2 Phasen auszugleichen, was mich schon etwas >>stutzig macht. Das ist beim LPC1769 mit 120Mhz gerade noch drin. >Hat der keine PLL für das PWM Modul? EIn einfacher dsPIC33 kann 1,04ns >Auflösen bei nur 40Mhz. Ich sehe so einen billgen dsPIC besser für deine >AUfgabe geeignet. 32-Bit helfen da nicht wirklich mehr, klar die 120Mhz >schon. Aber die StromRegelung der 3-Phasen macht ein dsPIC auch mit >"links". Ja, dass die dsPics da gut geeignet sind habe ich schon mitbekommen. Scheint auch ein ziemliches Alleinstelllungsmerkmal von denen zu sein. Ich wüsste nicht welche MCs noch Counter haben die von der steigenden und fallenden Flanke eines 480MHz PLL Ausgangs angetrieben werden. Da kann man ihnen ja glatt den Stromverbrauch verzeihen... Die Cortexe habe ich nur ins Spiel gebracht, weil ich da neben den AVR und 8051 die meisten Erfahrungen habe. PICs habe ich bisher nie verwendet. Aber man lernt ja nie aus. >>Auf eine PWM in der Motorbrücke soll verzichtet werden. > Wieso das? Erfolgt die Strombegrenzung der Anfahren dann über den > Boost-Wandler? Genau, die Reglung soll nur im Wandler erfolgen. Ausser bei Überlast und abgeschaltetem Boost Wandler. Da kommen die ca. 6V ja noch durch. Regelung ist übertrieben. Eigentlich ehr Steuerung. Es sollen am Ende keine Gechwindigkeiten >20kmh unterstützt werden, und nach deutschen Gesetzen gibts auch nur Unterstützung wenn sich das Rad schon dreht. Hier in meiner Gegend sind die Hügel das Problem weswegen ich meine Frau nicht aufs Rad kriege. 500 Höhenmeter auf 20km sind da keine Seltenheit. Die Hauptbelastung wird sich deshalb (so meine Vermutung bis jetzt) im Bereich um 8-12V Einpegeln wenn es um Unterstützung am Berg mit ca. 8-12kmh geht. >>Das sind 2 LiFePo4 Akkus (40-70Ah) in Reihe und sollen einen BLDC am >>Fahrrad >antreiben. >Hm wieso ist die Zellenanzahl so gering? So ein Boost-Wandler ist auch >bei dem hohen Strom machbar, mit heutigen Bauteilen auch sehr >effizient, nur arte es dann in einer Materialschlacht aus... Der andere Weg wären 8 Zellen in Reihe. Da ein aktives Balancing der Zellen zu machen ist auch eine Materialschlacht. Ausser man nimmt den üblichen Weg und heizt Widerstände auf. Das ganze spielt sich auf experimenteller Basis ab und steht nicht unter dem Kostendruck eines kommerziellen Herstellers.
Nimm die 8-Zellen-Variante.
Balancieren brauchst du zwei mal im Jahr. Lifepo4 laufen nicht
sonderlich auseinander.
>(so meine Vermutung bis jetzt) im Bereich um 8-12V Einpegeln
Wird deutlich mehr werden, denke ich mal ;))
>Da kann man ihnen ja glatt den Stromverbrauch verzeihen... Ich muss sagen, mich hat der Stromverbrauch noch nie gestört, bzw war kritisch, denn die 180mA auf 3V3 fallen kaum ins Gewicht. Was aber auffällig ist, dass das bei abschaltung des PWM Moduls der Stromverbrauch um mehr als 1/3 absinkt, kein Wunder. >Scheint auch ein ziemliches Alleinstelllungsmerkmal von denen zu sein. Auch die 16Bitter der C2000er Serie von TI sind ähnlich. Was mich an den dsPICs stört, ist die gering Taktfrequenz von nur 40mHz. Denn oft braucht man einfach nur Regelgeschwindigkeit, da helfen auch 32Bit nichts, oder kaum. Da muss dann was schnelleres zb ein TI C2000 28x-Serie, Frescale MC56F84xx/83xx welche man dann über 100Mhz Takten kann. Aber zu Glück wird auch Microchip mit höher getakteten dsPICs kommen, denn für digitale Regelungen braucht man oft nicht mehr Registerbreite/RAM/Flash etc. >Der andere Weg wären 8 Zellen in Reihe. Da ein aktives Balancing der >Zellen zu machen ist auch eine Materialschlacht. Da ist abzuwiegen was weniger Schlacht ist. Denn mit steigender Zellenanzahl sinkt natürlich der Kufer und Siliziumeinsatz des Boosters. Dafür mehrere Balancer (Die man ja eigentlich nur am Ladegerät braucht). Ich meine, dass 2-Zellen für 500W jedoch absolut ungünstig sind was Wandlerwirkunsggrad/Material betrifft. Denn selbst bis 60V bekommt man Fets mit unter 3mOhm. Bei 30V wirds auch nicht weniger als 1mOhm, was keinesfalls die Stromquadratischen Verluste ausgleicht... MFG Fralla
>Da muss dann was schnelleres zb ein TI C2000 >28x-Serie, Frescale MC56F84xx/83xx welche man dann über 100Mhz Takten >kann. Das ist so abartig, wie bei den Samrtphones mit Ghz Multicores, wozu braucht man im digitalen Wandler >100MHz? >Aber zu Glück wird auch Microchip mit höher getakteten dsPICs kommen, >denn für digitale Regelungen braucht man oft nicht mehr >Registerbreite/RAM/Flash etc. Wo kann man das Nachlesen?
Markus L. schrieb: > Das ist so abartig, wie bei den Samrtphones mit Ghz Multicores, wozu > braucht man im digitalen Wandler >100MHz? > Das hatte ich ja geschrieben. Um in meiner Simulation eines Multiphasen-Konverters mit 2 Phasen und 50:50 Tastverhältnis die Ströme in den Phasen gleich zu kriegen, waren bei 100khz Taktfrequenz der PWM 10ns Unterschied in den On-Zeiten mehr als signifikant. Es machte einen Unterschied von mehr als 10% aus, wenn die On-Zeit bei 5.00 oder 4.99us lag. 10ns sind schon 100MHz und die Eingangsfrequenz der dsPic in die PWM liegt bei 480MHz. Und dann zählt er auch noch bei steigender und fallender Flanke, so dass die Counter mit knapp einem GHz klar kommen müssen. 100khz bei einem Schaltregler sind heute ja nichts aufregendes mehr. Ich hätte das auch nicht geglaubt, aber manchmal gibt es eben doch einen echten Bedarf. Aber, es geht hier nicht um die Taktfrequenz der CPU. Die kann um Größenordnungen kleiner sein. Die mögliche Auflösung der PWM ist hier das Entscheidende.
> Das ist so abartig, wie bei den Samrtphones mit Ghz Multicores, wozu > braucht man im digitalen Wandler >100MHz? Das liegt daran, dass die Schaltfrequenzen steigen und die Wandler komplexer werden. Du kanst dir ja ausrechnen welche High-Level Updaterate bei 40Mhz und nur 400 Befehlen (ja auch wens MACs gibt) maximal zu erreichen ist. Und natürlich muss auch CPU Zeit für niedrigere Levels bleiben.... Und heutige Halbleiter erlauben ja auch mehr als 200kHz auch im >1kW Bereich. Wenn das GaN-Zeitalter mal voll da ist, werden die typischen SMPS/Motor DSPs dsPIC, C2000, etc (was ja eigentlich nur mit paar DSP Befehlen getunte µCs sind) auch in Takfrequenzen der großen "richtigen DSPs" vorstoßen, wahrscheinlich wird das sowieso passieren. >Aber, es geht hier nicht um die Taktfrequenz der CPU. Die kann um >Größenordnungen kleiner sein. Die mögliche Auflösung der PWM ist hier >das Entscheidende. Oft ist aber auch die Taktfrequenz limitierend, eben wenn es um den Reglerupdate geht. Jeder dezidierte DSP für digitale Regelungen (und auch viele simple 8-Bit µCs) betreiben das PWM Modul ohnehin mit vervielfachter Frequenz. >Es machte einen Unterschied von mehr als 10% aus, wenn die On-Zeit bei >5.00 oder 4.99us lag. Das wird für statisch fixes Dutycycle stimmen. Doch diesen Fall hat man im closed-loop geregelten Betrieb niemals. Da gibts immer ein Dutcycle-Jitter da der Regler ja nie auf einem statischen Wert steht. Somit kann auch mit gröberer PWM Auflösung ein im Mittel gleicher Strom geregelt werden. Der Regler jittert dann eben zwischen zwei Werten. Schließlich kann der Strom bei 10ns Dutycycle-Unterschied ja nie um 10% in einem Takt springen. So empfindlich sind Interleavte-PWM Wandler im praktischen Betrieb auch nicht. Zumindest hab ich diese Erfahrung mehrphasig intereleavten PFCs und anderen mehrpashigen Topologien gemacht. MFG Fralla
Der Thread ist zwar schon etwas älter, aber ich denke das Thema paßt sehr gut. Ich bin gerade dabei einen multiphasen Buck-Converter zu entwerfen und habe bei den Simulationen ganz andere Erfahrungen als Jürgen mit dem Boost gemacht. Im Anhang ist ein zweiphasen Buck zu sehen, bei dem die Spulen um 20% variieren. In der Simulation zeigt sich dann, daß die Spulenströme im Mittel nur um 2% variieren, nur der Ripple ist in der einen Spule größer. Tritt dieser Effekt der "Selbstregulierung" auch bei synchronen Wandlern auf oder nur bei denen mit Freilaufdiode.
Mach mal einen neuen Versuch. Spulen wieder gleich und einer der Taktquellen leicht unsymentrisch (1%) z.B. PULSE(0 10 5u 10n 10n 5.05u 10u) Das ist dann eine Abweichung von 50ns. Bei mir hat dann der eine Drosselstrom einen Mittelwert von ca. 2A und der ander 6.5A. Mit 10ns Unterschied ergeben sich bei mir immer noch ca. 1/3 Abweichung. Das ist das was mich eigentlich stutzig gemacht hat. Da ist es egal ob mit Dioden oder Fet solange es im kontinuierlichen Breich läuft und nicht lückt.
Ich gehe davon aus, daß der Takt das einzig genaue an einem Mehrphasenwandler ist. Die Toleranzen liegen eher in der Spule und den Kondensatoren. Der Unterschied der Spulenströme bei 1% Unterschied im Duty ist aber wirklich krass.
Sorry, aber die Files sind so nicht brauchbar. PNG Bitte. Macht auch nichts. Buck wandler sind sehr viel gutmuetiger. Ich hab einige 4 phasen wandler gebaut. Mit einem Mega mit 16 MHz. Der 8 bit Zaehler gibt dann schoene 64kHz
Weshalb sollte sich der Duty um 1% unterscheiden, wenn man gleich ansteuert ?
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1% finde ich auch viel Unterschied. Kann sein, daß die Mosfet-Treiber noch unterschiedliche Delays haben, aber deutlich weniger als 1%.
Dein Bild sieht etwas anders aus als meins, aber du hast jetzt auch noch ein paar 10m Widerstände reingebaut. Das verändert das auch schon wieder. Ob 1% Unterschied jetzt viel ist oder nicht will ich nicht beurteilen. Gatewiderstände sind ja auch drin und bestimmt nicht besser als 1%. In wieweit die realen Bauelemente da eine Rolle spielen weiss ich auch nicht. Ich habe es aber praktisch auch noch nicht umgesetzt. Intressant ist trotzdem, inwieweit kleine Unterschiede große Auswirkungen haben und darum geht es ja nur. Änderungen im 10ns Bereich haben fast 2stellige Prozentänderungen in den Strömen. Für 10ns muss die PWM schon mit 100Mhz Grundtakt laufen.
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Noch ein Beispiel: Wieder alles gleich aber der eine Fet 10 Ohm und der ander 9 Ohm Gatewiderstand. Das Ergebnis hänge ich dran. Das ganze kann man messen und dann fest einprogrammieren. Ob das dann Langzeitstabil ist muss sich zeigen. Allerdings muss die PWM da schon die entsprechen kleine Auflösung haben.
Meines Erachtens sind die Spulen mit 10u viel zu mickrig. Der Stromripplel ist mit 4A auch viel zu hoch. Unter 100u mach ich gar nichts. Lieber 220uH. Ich moecht den Stromrippel unter 1A haben. Zudem bevorzuge ich ungelueckten Betrieb wenn's um viel Strom gehen soll.
Die 10mOhm habe ich eingebaut, da sie auf dem PCB auch vorhanden sind und wie ich hoffe, die Ströme symmetrieren. Die Frequenz des Grundtaktes spielt keine Rolle, da ich beide Wandler immer mit dem gleichen Duty ansteuern würde.
Mit größere Spulen ist das Problem auch nicht weg, aber du hast Recht, der Stromrippel ist relativ hoch.
oh schrieb: > Ich hab einige 4 phasen > wandler gebaut. Mit einem Mega mit 16 MHz. Der 8 bit Zaehler gibt dann > schoene 64kHz Hast Du mal die Lastverteileung auf den 4 Phasen gemessen oder die Temperatur der einzelnen Teilwandler.
Alternativer schrieb: > Die Frequenz des Grundtaktes spielt keine Rolle, da ich beide Wandler > immer mit dem gleichen Duty ansteuern würde. Wenn du den Effekten der ungleichmäßigen Stromverteilung mit Programmcode gegensteuern willst, muss die Auflösung der PWM diese Feinheiten aber auch noch hergeben. Es gibt für diese Aufgabe auch spezielle Chips die alle eine Logic drin haben um die Ströme aufzuteilen. Sicher nicht weil es nicht nötig ist. Das Beispiel mit den 9 oder 10 Ohm Gatewiderstand zeigt aber, dass es von vielen Faktoren abhängig ist. Und darauf verlassen dass die Gatekapazitäten der Fets um nicht mehr als 10% streuen, würde ich nicht. Deshalb denke ich muss man die Geschichte wenigsten einmal mit der Software abgleichen wenn nicht besser die Ströme ständig messen und gegensteuern. Mit einer hochauflösenden PWM.
Spielt die Temperatur vielleicht eine Rolle? Soll heißen, der Teilwandler der heißer wird, leitet dadurch weniger Leistung durch?
Weiter oben ist ein Link, in dem es um selfbalancing buck-converter geht. Die Legen die Induktivitäten so aus, dass der Wandler gerade nicht lückt. Die Anhänge sind von einem Zweiphasenwandler, bei dem die eine Phase einen um 1% längeren Duty hat. Bei zwei 10u Spulen sieht man einen deutlichen Unterschied im Spulenstrom: 1A zu 13A. Bei zwei 1u Spulen sind die Ströme fast identisch. Nachteil, der Stromrippel ist relativ hoch.
Das Verfahren geht auch nur mit Freilaufdioden, weil bei einen Synchronwandler, der Spulenstrom negativ werden kann.
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