integrierender AD-Wandler

Hallo, Ich möchte für einen Schaltregler im Average-Current-Mode den mittleren Strom einer Taktperiode messen und darauf regeln. Peak-Current ist in diesem Fall aussichtslos. Natürlich könnte man den Strom per Tiefpass filtern und darauf regeln. Allerdings wird das System dadurch unendlich langsam und auch nicht mehr kurzschlussfest.

Ich habe mir überlegt, den Strom über eine Taktperiode aufzuintegrieren (schneller OPV mit Integratorschaltung), am Ende des Takts den Ausgang zu sampeln und dann den Integrator zurückzusetzen. Gesteuert wird das ganze von einem CPLD, der auch den ADC so ansteuert, dass das Sampeln zum richtigen Zeitpunkt passiert. Vom Konzept her müsste das gehen, Schaltfrequenz ist unter 20kHz.

Ich frage mich aber gerade, ob es sowas vielleicht schon fertig gibt. Also Integrator und ADC in einem. >=10 Bit wäre cool. Weiß da jemand was?

Michael

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Michael S
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Wenn du schon 'nen CPLD zum auslesen hast, würde ich einen schnellen AD-Wandler (1 Msps o.ä.) nehmen, und Taktsynchron zur PWM integrieren, d.h. bei 20kHz PWM mittelwert über 50 Messwerte.

Viele Grüße,

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Thomas Kindler
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Thomas Kindler

? - Average ist doch /immer/ ein Tiefpass. Und Kurzschlussfest ist da dann auch nichts, jedenfalls nicht von alleine.

Das ist dann aber nicht Current Mode. Das wäre eine ladungskontrollierte Regelung. Für Average Current müsste noch durch die Zeit seit dem Reset dividiert werden.

Warum sollten die einzelnen Samples etwas taugen, wenn Peak-Current nicht geht?

sich wundernd - Marcel

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Marcel Müller

Sind das dann nicht Sigma/Delta Wandler?

--
Uwe Bonnes                bon@elektron.ikp.physik.tu-darmstadt.de

Institut fuer Kernphysik  Schlossgartenstrasse 9  64289 Darmstadt
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Uwe Bonnes

Am 15.03.2011 13:28, schrieb Marcel Müller:

Wenn ich einen Tiefpass an den Stromsense hänge kann ich mir aussuchen, ob riesig viel Rippel übrigbleibt und ich dafür schnell bin oder ob der Rippel weggefiltert werden soll, der Tiefpass aber ein Tau von 20 Taktperioden hat. Wenn ich auf letzteres regle, benötigt der Regler ewig, um einen Kurzschluss zu erkennen und abzuregeln. Ersteres geht nicht, weil ich dann beim Abtasten große Fehler kriege, insbesondere dann, wenn auch noch Spikes usw. auf dem Signal sind.

Das macht der digitale Regler dann schon, keine Sorge.

Peak-Current ist extrem empfindlich auf Spikes im Stromsense. Filtert man die weg, gibts andere Nachteile. Wenn ich aber aufintegriere, spielen die Spikes kaum eine Rolle, das Signal ist sauber. Die Leistungsklasse liegt im 2stelligen kW-Bereich, deshalb der Aufwand.

Michael

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Michael S

Danke für den Denkanstoß, könnte hinkommen.

Michael

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Michael S

Falls es kein Flyback ist, geht die die Kiste bei einem Kurzschluss bereits nach Millisekunden hoch, wenn du nicht auf den Maximalstrom limitierst.

Das schreit ja förmlich nach einem Stromtrafo. Oder ist es trotzdem noch so verschmutzt? Dann sind aber beträchtliche Parasitärkapazitäten und/oder Induktivitäten im Spiel.

[Ladungsintegral]

Aber nur über ganze Perioden, oder? Sonst ist der Fehler nach der Division unmittelbar nach dem Einschalten des Schalters in voller Pracht wieder da.

Kurzum, Du lässt den Strom (aus Sicht einer Periode) für eine konstante Zeit an, und guckst, welches Ladungsintegral dabbei heraus kommt. Dividiert durch die Periodendauer gibt das den mittleren Strom. Und in der nächsten Periode wird dann geguckt, ob es ein Kurzschluss war, respektive der Stellwert angepasst. Stimmt das so ungefähr?

Das ist richtig. Allerdings ist das Integral nicht so viel anders, als ein Filter mit Tau in der Größenordnung der Periodendauer. Moving-Average ist natürlich noch ein bisschen besser in der Störsignalunterdrückung und hat dank FIR eine zeitlich begrenzte Sprungantwort.

Falls Du die Mittelung digital machen möchtest, muss die Samplingrate natürlich oberhalb der doppelten Bandbreite der Siganlverschmutzungen liegen, sonst kommt nur Mist heraus. Oder man muss zweigleisig fahren. Ein Analogfilter mit Tau Die Leistungsklasse liegt im 2stelligen kW-Bereich, deshalb der Aufwand.

Wow, mit

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Marcel Müller

Am 15.03.2011 16:12, schrieb Marcel Müller:

Es gibt eine redundante Peak-Strom-Abschaltung. Die ist aber nur für den Notfall und wird nicht für die Regelung verwendet. Klar, einen Boost, kann man nicht kurzschlussfest machen. Ich meinte damit eher eine starken Lastsprung.

Ich habe noch nie mit Stromtrafos gearbeitet und bin mir deshalb unsicher, ob das hier funktionieren könnte. Das letzte Projekt (3kW) mit Shunts und Peakstromregelung war ne Krücke, das Signal war extrem gestört. Im jetzigen Projekt muss der erste Aufbau laufen, da möchte ich so wenig wie möglich neues reinstecken. Trotzdem, Stromtrafos sind sicher ne gute Sache.

Natürlich, der Integrator wird am Ende jeder Periode gesampelt und dann wieder gelöscht.

Genauso. Den Integrator möchte ich komplett analog aufbauen.

Das stimmt auch wieder. Wenn ich aber nur 1mal pro Periode abtaste, bekomme ich mit dem Integral keinen Offsetfehler, beim Tiefpass schon. Außerdem ist der Fehler dann noch abhängig vom Tastverhältnis.

Ich weiß nicht, was Du mit Moving Average meinst. Die Lösung mit dem Integrator hat das allerdings auch. Deshalb möchte ich das ja so machen.

Wenn ich für das Projekt mehr Zeit hätte, würde ich das vielleicht mit einem fetten FPGA probieren. Aber es bleibt ein Prototyp und muss einfach nur möglichst auf Anhieb funktionieren.

Man muss trotzdem immer schauen, dass kein Offsetfehler bleibt. Die Integratorlösung vermeidet das. Schneller OPV (OPA365), 1n 1% NPO-Kondensator und 0,1%-Widerstaände, damit sollte das machbar sein.

Mit IGBTs geht leider nicht mehr, wenn noch Wirkungsgrad übrigbleiben soll. Ein ICE taktet unter 5kHz und es ist trotzdem zum Aushalten.

Michael

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Michael S

Stromtrafo wurde ja bereits vorgeschlagen. Dann koennte man noch eine "Fast Attack - Slow Release" Detektion aufbauen, also eine Art mitlaufenden Spitzenwert Detektor. Aber mit Austastung des Spitzenwertes. Warum muss das unbedingt in ein CPLD?

Deshalb tastet man die aus. Die Spitze tritt beim Einschalten des oder der FET ein, weil die Gate Kapazitaet geladen werden muss. Daher ist es ueblich, hier 100-200nsec auszutasten.

... und es gibt u.U. einen lauten Knall, die Brocken fliegen durch die Bude :-)

Oh, das wuerde neben dem Knall wohl auch noch einige Loeschzuege bedeuten. Warum nicht einen richtigen Regler-Chip spendieren? So teuer isses doch nicht.

Ganz ehrlich, >10kW ohne sauberst funktionierende Current Mode Control wuerde ich mich nicht trauen. Entweder muesste man alles fuerchterlich ueberdimensionieren oder ein gehoeriges Risiko eingehen.

--
Gruesse, Joerg

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Joerg

OK, das wird passen.

Im letzten SNT, wo ich es verwendet habe, hat der Stromtrafo aus einem völlig verdreckten Sense-Signal eines Current-Mode Reglers ein Bilderbuch-Oszillogramm gemacht. Eine ganz kurze Spitze beim Einschalten durch die Parasitärkapazitäten und dann eine schöne lineare Rampe bis

22A. So oberhalb von 10MHz wurde es dann an den Schaltpunkten etwas dreckig. Aber das kam sowieso nicht durch. War allerdings eher Kleinkram (100W Average, 200W Peak aus 80V Zwischenspannung).

Ich habe einfach einen Ferritring mit ordentlich Windungen über den Draht geschoben. Epcos RIK10 oder so etwas. Der Draht hat gerade so durchgepasst. Sekundärseitig ein Shunt und evtl. noch eine Shottky-Diode (weiß nicht mehr, 2 Jahre her).

Kann man machen. Wenn man dem Stromtrafo genug Spannung entlockt (Windungszahl und Ringkern ist so eine Sache), dann würde ich vielleicht sogar passiv integrieren. Also einfach RC-Tiefpaß mit hinreichendem Tau. Selbiger wird dann in der Freilaufperiode, nachdem der der ADC oder ein S/H den Wert hat, mit einem FET kurzgeschlossen. Vorteil: ist offsetfrei.

Wieso? Den Offsetfehler akkumuliert doch schon der Integrator.

Nächstes Fragezeichen.

Ja, ist in dem Fall dasselbe.

Das verstehe ich nicht. Warum sollte ein Integrator kein Offsetproblem haben? Ich meine, man hat vielleicht kein relevantes Offsetproblem beim ADC, aber im Integrator sehr wohl.

Hmm, ja, in der Leistungsklasse ist das mit der Frequenz so eine Sache. Da hatte ich seinerzeit Glück. So bis 5kVA (z.B. 100V, 50A Peak) kommt man mit schnellen FETs ganz gut durch, vor allem, wenn man sie mit einem Schei***-auf-EMV-Treiber ansteuert. :-)

Bei IGBTs muss man AFAIK mit dU/dt sowieso höllisch aufpassen. (Ich habe ehrlich gesagt noch nicht damit gearbeitet.)

Kommt immer darauf an, was die Spulen können. Im Anfang war die USV auch nicht laut. Außerdem ist im Triebwagen des ICE mutmaßlich ganz ordentlicher Umgebungslärm. Da fällt es nicht ganz so auf. Von außen hört man die ICEs beim Anfahren schon mal singen.

Marcel

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Marcel Müller

Am 15.03.2011 17:54, schrieb Marcel Müller:

Schau ich mir mal an. Keep it simple ist immer gut.

Von welchem Integrator reden wir? Vom Integrator des Reglers: Wenn der Messwert einen Offsetfehler hat, dann kann der Integrator auch nichts mehr retten

Vom Messintegrator: Klar, da gibts keine Offsetfehler mehr. Wenn man aber wie Du vorgeschlagen hast einfach einen Tiefpassfilter mit Tau in der Größenordnung der Taktperiode hat und dann an einem beliebigen Zeitpunkt in der Periode sampelt, dann hat man Aliasingeffekte die in diesem Fall zu einem Offset führen.

Wenn ich nur zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Periode sample, dann kommt es auf das Tastverhältnis an, ob ich mehr oder weniger als den Strommittelwert messe.

Ich meine immer die Offsetfehler durch Aliasing-Effekte. Diese sind in meinem Fall im zweistelligen Prozentbereich, denn der Stromrippel wird sich in diesem Bereich bewegen. Da kann man den Fehler in der Messschaltung selbst fast vernachlässigen.

Die Strommessung des 2phasigen Systems werden übrigens Stromwandler leisten. Leider weiß ich noch nicht, wie sauber das Signal ist, welches da raus kommt. Vielleicht geht PeakCurrent ja doch. Ich werde es in Hardware mal vorsehen. Mit dem CPLD ist man dann extrem flexibel, wie man es realisiert.

--
Michael
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Michael S

Am 15.03.2011 16:56, schrieb Joerg:

An sowas ähnliches habe ich auch schon gedacht. Werde ich in Hardware vorsehen. Bin mit dem CPLD ja flexibel und kann da fleißig rumspielen.

Es wird ein digitaler Regler in einem 2phasigen System werden. Den Regler rechnet ein µC, das PWM wird durch den CPLD gestellt. Auch das Taktsynchrone Samplen des Stroms, wird vom CPLD angestoßen. Es gibt noch weitere Details, was der µC alleine nicht hinbekommen würde. Außerdem ist es kein Serienprodukt sondern ein Prototyp, mit dem man Erfahrung sammeln will. Flexibilität ist da durch nichts zu ersetzen.

100-200nsec reichen bei einem IGBT bei weitem nicht. Aber das ist nicht das Problem. Das System ist 2phasig, eine Phase wird also innerhalb seiner Periode 2 weitere Störspikes sehen, die man nicht ausblenden sollte, weil der Regler sonst unstetig wird. Wie groß diese Störungen sein werden, weiß ich noch nicht, aber da alleine die IGBTs eine Größe von 15x8cm haben werden und das ganze mit Stromschienen aufgebaut wird, werden die Messungen eine Schwachstelle sein (Streufelder). Deshalb muss das System so robust wie möglich sein.

Auch wenn Du das immer wiederholst, das passiert mir recht selten. Einen Peakstrombegrenzer wird es aber in jedem Fall geben.

Für diese Spezialanwendung kannste das komplett vergessen.

  1. ist die Schleifenverstärkung bei einem Boost-Wandler, der manchmal lückt und manchmal mit über 90% Duty-Cycle arbeiten muss, extrem "unkonstant", bewegt sich also um Größenordnungen. Mit einem Analogen Regler wirds dann entweder langsam oder es schwingt in bestimmten Arbeitspunkten. Digital kann man die Regelparameter an den Arbeitspunkt anpassen.
  2. wird es überlagerte Regler geben, die alle auf den Stromregler einwirken.
  3. ist es ein 2phasiges System

Da gibts keine passenden Chips, höchstens ein dsPic oder ein Piccolo von TI.

Im übrigen neigt ein Peak-Current-Regler bei hohen Tastverhältnissen zu subharmonischen Oszillationen. Man kann das mit einer Slope Compensation unterbinden, allerdings geht das Ding dann langsam in einen Voltage-Mode-Regler über. Der tatsächliche Peak-Strom spielt dann kaum eine Rolle mehr und geht in der Kompensationsrampe unter. Eine exakte Begrenzung ist da nur noch mit einem Spezialregler möglich. Die gibts inzwischen sogar, sind aber noch selten.

Du bist doch sonst nicht so ängstlich.

--
Michael
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Michael S

Ok, aber dann gib ihm wenigstens einen sauschnellen Takt plus einige schnelle externe Comparators. Und einen Luefter zum Kuehlen :-)

Das kann man umschiffen. Den Wert vor dem Stoer-Spike klemmen bis der Spike vorueber ist.

Da ist dann wohl differenzielle Uebertragung von Messwerten und Ansteuerpulsen angesagt.

Das hatten Leute mit einem 1kW Schaltregler vor dem Dauertest auch gesagt :-)

Wenn der Schaeferhund des Nachtwaechters nicht angeschlagen haette ...

Boost-Wandler die mit normalen Chips von Null Last bis Oberkante Unterlippe arbeiten sind nicht unueblich. Geschwungen hat mir da bisher noch nix, selbst bei Burp Mode nicht.

Man kann auch am Kompensationsknoten mit gesteuertem FET rangehen. Der wird als digital einstellbarer Widerstand benutzt und mit einem zweiten FET im Servo betrieben, womit es fuer die digitale Ansteuerung linear aussieht. Ich habe meist SD5400 genommen, sind aber teuer geworden. R2R DACs gehen vermutlich auch, habe ich aber noch nie an einem PWM-Chip benutzt.

An sowas aehnliches geht's hier naechsten Monat ran, allerdings knapp unter dem Megawattbereich :-)

Hast Du Dir schonmal den LTC3862 angesehen?

Das ist wahr, bei hohem Tastverhaltnis nidde so scheen. Wobei eine rasche Notabschaltung noch waehrend der Rampe mit modernen PWM Chips moeglich ist. Da hat man ja wirklich nicht viel Zeit.

Das nicht. Aber es gibt Designs da wuerde ein Versagen einer Schleife abends in den Nachrichten kommen. Aber ich weiss nicht wofuer Dein Regler ist, und wenn eine Notabschaltung ok ist dann geht es ja. Bei Triebwerken und aehmlichem ist das eher "suboptimal".

--
Gruesse, Joerg

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Joerg

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