Rambopower - tehokas DC/DC-konvertteri Linear Techin ohjainpiirillä


#1

Rambopower on Helsingin labin kimppaprojekti jolla on tarkoitus tuottaa design reilu 250 W hakkuriteholähteelle. Tässä suunnittelun alustavat lähtökohdat joita säädetään matkan varrella tarpeen ja mahdollisuuksien mukaan:

####Ensisijaiset mitoituskriteerit:

  • Designista pyritään saamaan sellainen, että sähköisiä toimintaparametreja on mahdollista säätää jolloin poweri voidaan sovittaa eri tarkoituksiin
  • Tulojännitealue: 4 - 60 VDC abs min … abs max
  • Lähtövirta: >= 10 A
  • Lähtöjännite: säädettävä/aseteltava esim 3,3 V … 48 V
  • Konvertterin on toimittava sekä CV- että CC-moodissa niin haluttaessa. Automaattinen siirtyminen CC-moodiin (ei foldback)
  • Designissa suositaan Linear Techin komponentteja ja pyritään hyödyntämään yhteistyötä LT:n kanssa.

####Toissijaiset mitotus- ym kriteerit:

  • Konvertterin topologia on galvaanisesti erottamaton boost-buck joko yhdistetyllä kelalla (suositaan) tai erillisin keloin mikäli se osoittautuu tarkoituksenmukaisemmaksi
  • Ohjainkandidaatteja osapuillisessa suosikkijärjestyksessä:
  • LT3791 (yhdistetty kela)
  • LTC7813 (erilliset kelat)
  • LT8705 (yhdistetty kela)
  • Useita ohjaimia voidaan kytkeä rinnan tahdistetusti jolloin yhdistelmän virransyöttökyky nousee vastaavasti
  • konvertterin piirilevy suunnitellaan siten, että se voidaan suoraviivaisesti toteuttaa omana erillisenä laitteena tai design voidaan integroida osaksi laajempaa kokonaisuutta.
  • mahdolliset jäähdytystä tarvitsevat komponentit kuten kytkimet (n-fetit) asemoidaan mekaanisesti niin, että mahdollisen kotelon seinämiä on mahdollista käyttää jäähdytyselementteinä.

Kerätään tähän keskustelusäikeeseen rambopoweria koskevat vaatimukset, ehdotukset ja kommentit. Sovitaan vielä erikseen, miten viimeisin voimassaoleva designi pidetään yhteisesti näkyvillä. Lähtökohtaisesti mekaaninen design tapahtuu F360-mallintimella. Allekirjoittanut (Kremmen) piirtää piirikaavion ja tekee PCB-layoutin DipTracella josta otetaan PDF-muotoiset kuvat ja 3D export F360:een aina kun design kehittyy.

Sana on vapaa.


#2

Josko tähän vielä toivelistalle saisi:

  • ramp up
  • enable control
  • joku “API”, jolla mikro-ohjain voisi jollain tavoin ohjata poweria
    (jänniteohjaus, rekisteriohjaus, pulssiohjaus, ihan sama)

Tämmösen voisi sillon työntää PoE-laitteeseen toiseksi poweriksi tekemään itse kuormalle tehoa. Varsinainen PoE-virtalähde neuvottelis PD asiat ja poweroisi ohjainta ja neuvottelujen jälkeen ohjain sitten antaisi Rambopowerille luvan käydä hommiin. Näin PoE-laitteesta tulis aika helppo kehittää ja lähinnä sen liitäntämuuntajan valinta kysyis järeempiä kalusteita ja muuten voisi mennä sillä jo tunnetulla ja hyvin toimivalla 802.11af -mallilla.

Samoin suunnittelussa olis kiva huomioida, että powerin ensiöpuolella saattaa piuhoissa kulkea jonkinmoista signalointia sen reguloimattoman DC:n päälle liimattuna. Joskus ihan semmosenaan ja joskus jollain tavoin moduloituna.


http://www.ieee802.org/802_tutorials/2015-11/PoDL_tutorial_1115.pdf


#3

Enable control onkin jo suoraan ainakin niissä ohjainkandidaateissa jotka olen tsekannut. Ulkoinen jännite/virta/moodiohjaus on ollut itselläkin mielessä, että voisi olla kovin hyödyllinen. Ainakin joitakin ohjaussignaaleja saa tuupattua analogisina piirille, mutta ei välttämättä kaikkia haluttuja ihan suoraan. Voi myös riippua valitusta piiristä.
Tuo saattaa mahdollisesti vaatia myös, että laitetaan joku pieni mikrokontrolleri tms hoitamaan ohjausyhteys ulkomaailmaan, mutta se nyt ei ole sen kummempi ongelma kuin tekemistä vaille vaan. Varmaan kumminkin haluttaisi se valinnaiseksi optioksi jota ei ole pakko käyttää.
Voin illemmalla pirtää alustavaa lohkokaviota ohjausarkkitehtuurista, niin sen pohjalta on varmasti helpompaa ruotia noita tarpeita, mutta näin alustavasti niin hyviä mahiksia on kyllä.

P.S. niin ja siis ainakin soft start on vakiovariuste tietenkin.


#4

Kaipa ne kaikki ottaa vastusjaolla/potikalla sen jännitteen ja virran setpointit että jos potikan korvaa digitaalisesti ohjatulla niin homman pitäis olla selvä, lähinnä pitää vaan tehdä helpoksi ohittaa se levyllä oleva potikka ja syöttää omat setpoint-jännitteet.


#5

Joo siihen tyyliin. Lähinnä epäröin matalien korkeaimpedanssisten ohjaussignaalien kuskaamista vähänkään etäämpää analogisina, varsinkaan isovirtaisten hakkupiirien lähellä. Pahimmassa tapauksessa saadaan aikaan todella tehokas oskillaattori, ja parhaassa lisätään turhaan kohinaa lähtöjännitteeseen.
Mutta on suojattu kaapeli toki keksitty, että saattaapa tuo toimiakin - pitää vaan labrata ja nähdä käytännössä.


#6

Sen voi toki kolvaa sen SPI-ohjatun digipotikan suoraan levylle jos on padien paikat varattu


#7

Jep, sen voi tehdä ja joku sellainen ratkaisu varmaan olisi asiallinen ainakin lähtöjännitteen asetuksessa. Jännitteen takaisinkytkentähän on ratiometrinen jako lähtöjännitteestä, joten simppeli jännitesignaali ei toimi. Mutta digipotikka toimii, täytyy vaan löytää sellainen jossa a) reso riittää ja b) ei ole mitään ihmeellisyyksiä sen siirtofunktiossa.


#8

Mielenkiintoinen projekti. Voisin yrittää löytää aikaa pdf muotoisten schemojen katselmointiin ja kommentointiin.

Toiveita:

  • Tuloon reverse voltage protection niin ei nouse savut kun kytkee väärin johdot kiinni (esim. LT4380 tai LTC7860).
  • Lähdön ohjaus esim jännitteellä
  • Mahdollisuus katkaista sähköt lähdöstä 10-30 ms (säädettävä) ajaksi. Tämä olisi kätevä lyhyiden sähkökatkoksien keston testaukseen.

#9

Tuommoiselle yleiskätevälle virtalähdemoduulille löytyisi käyttökohteita, kiinnostava projekti.
PMBus arkkitehtuuri tai joku muu digitaalinen ohjaustapa olis kyllä kätevä feature, analogisista hakkuriohjauksista tulee herkästi harmaita hiuksia kaikkine oskillointeineen ja jännitteen/virran hypähtelyjen kanssa. Varsinkin isotehoisissa joku älykäs piiri ja hallintaprotokolla on erittäin suositeltavaa. Myöskin sisään- ja ulostulon suojaukseen kannattaa kiinnittää huomiota, suojaus dead-shorttia vastaan, ja ehkäpä joku sisääntulojännitteen haistelu ja cutoff riippuen kuinka monikäyttöisen virtalähteen projektista haluaa.

Tuossa älykkäässä ohjauksessa on tietty se ongelma, että jos tarvitaan tyhmää virtalähdemoduulia johon ei tule muuta kiinni kuin jännite sisään ja ulos niin setuppaus meneekin hankalammaksi kun tarvitaan joku manuaalinen tapa arvojen asetukseen. Toisaalta taas täysin tyhmä analoginen lähde rajoittaa käytön kohteisiin jossa ei vaadita paljon konfigurointia ja lennossa säätöä, harmillinen keinulauta ominaisuuksien ja käyttäjäystävällisyyden suhteen.
Noita tyhmiä potikkasäätöisiä dc/dc-konvertterimoduuleitahan löytyy jossain määrin valmiinakin, joskin harvemmin isoissa teholuokissa.


#10

Lupasin piirtää sen arkkitehtuurikuvan ja teenkin sen varmaan aivan lähihetkinä. Oma tämänhetkinen ajatus menee tähän tapaan:

  • valitaan ohjainpiiri joka tukee kaikkia keskeisiä perusjuttuja, eli
  • hallittu lähdön maksimivirta (CV/CC-moodit)
  • hallitsee lähtönapojen oikosulkutilanteen; joko virtarajan kautta tai suoraan havaitsemalla ja foldaamalla virran takaisin kunnes oikosuku poistuu. Molempiin liittyy suunnittelunäkökohtia jotka ratkaistaan kun perustapa on kiinnitetty
  • raakajännitteen ali- ja ylijännitehavainnointi ja shutdown/vaurionesto
  • soft start
  • rakenne modulaarinen siten, että keskeiset mittaus- ja takaisinkytkentäpiirit viedään satelliittiliittimen kautta. Tähän toteutetaan perusmallissa satelliitti jossa kiinteät ja/tai potikoilla säädettävät asetukset mittasuureille. Advanced-mallissa satelliitilla asustaa kontrolleri joka puhuu haluttua protokollaa ulospäin ja hoitaa mittaukset ja asetukset digitaalisesti. Tällaisia kontrollereita voi sitten toteutta useita eri mallisia joissa on halutut ulospäin näkyvät ominaisuudet.

#11

Tässä alustavia ajatuksia arkkitehtuurista


#12

Suunnittelu etenee. Tässä version 0.1 alustavia leiskoja sekä linkit piirikaavioon.
Piirikavio sivu 1: Tulosähkön suojaus eli sorkkarauta
Piirikaavio sivu 2: varsinainen haketin
Piirikaavio sivu 3: Alustava liitäntä digitaaliseen ohjausväylään

Kommentteja tähän versioon:

  • Mikään ei ole lopullista
  • Tulopään sorkkarautakytkentä ei toimi tuollaisena. Jännitteen havainnoinnissa käytetty säätözeneri TL431 ei kestä suunnittelun lähtöarvoksi valittua max. 60V jännitettä, joten kytkentää pitää siltä osin muuttaa.
  • Hakkurin lopullista toimintataajuutta ei ole vielä naulattu kiinni. Työhypoteesí on n. 300-400kHz mikä on jonkinlainen kompromissi toisaalta komponenttien möhkälemäisyyden ja toisaalta kytkentähäviöiden välillä. Optimoinnin laskenta jatkuu (tai oikeastaan vasta alkaa) kun päästään vähän pidemmälle
  • Tulo- ja lähtösuotoihin on nyt kylmästi piirretty nippu H-kannuisia smd-elkoja jotka saattavat vielä elää jonkin verran koon ja määrän puolesta.
  • kuten piirikaaviostakin hyvin näkyy niin mitään älykästä kontrollia tai ylipäänsä juuri mitään kontrollia ei vielä ole sisällytetty tähän versioon. Ainoat siihen viittaavat ovat ne pari placeholder-tyylistä piikkiriman pätkää joista sa synkan ja start/stop-signaalin ulos. Ne muutetaan vielä joksikin muuksi kun niin pitkälle päästään
  • ainakin pari konkkaa on vielä lipsahtanut vääriin paketteihin joten muutoksia tulee.

Kaikki kommentit tervetulleita, mutta se ei tarkoita että kaikki ehdotukset toteutetaan. Hiipivä featurismi on paha sairaus ja koetetaan tehdä ensin toimiva ja parannetaan sitä sitten. Piirilevyt on halpoja olkoonkin, että tämä mitä ilmeisimmin tehdään 4-kerroslevynä ihan toimivuussyistä.


#13

Tässä kohtaa pyydän saada huomauttaa mekaanisesta leiskasta seuraavaa:

Tehon vuoksi lämpenevät komponentit olisi mukavaa sijoittaa siten, että niihin voi kiinnittää jonkin suuntaisen jäähdytyssiilin. Piirilevy pitäis pystyä koteloimaan jotenkin suljetusti ja tässä kohtaa piirilevyn itsensä käyttö lämmönjohtimena lakkaa olemasta fiksua, kun ei se lämpö siitä johdu eteenpäin.

Omasta mielestäni ehkä fiksuin tapa olis laittaa D2PAK fettien ympärille kiinnitysreiät ja kiinnittää piirilevy kotelon seinämänä toimivaan jäähdytyssiileen tätä kautta. Jos siinä ohessa voi jotenkin edesauttaa kelan jäähtymistä, on se toki hyvä asia.

Kela saattaa hyvin olla komponenttina fettejä korkeampi, milloin fettien ja kotelon väliin voisi kaiketi laittaa sopivan shimmilevyn.

Joka tapauksessa mun ajatusmaailmassa lämpö johdetaan pois ja piirilevy kiinnitetään enemmän tai vähemmän samalla ratkaisulla. Tämän olen nähnyt toimivan taajuusmuuttajissa varsin hyvin.


#14

Joo tuolla tavalla monesti toimitaan ja se on ollut ja on edelleenkin ihan kurantti tapa. Katsotaan nyt mitä tässä lopulta tehdään, pitkälti riippuu syntyvän häviötehon absoluuttitasosta nimellisvirralla.
Nyt pääpiirin kytkimiksi valitut modernia ajattelua edustavat Infineonin TDFN-8 -pakettiin pakatut fetit ei sovellu siilikiinnitykseen. Ne on suuniteltu jäähtymään piirilevyn kautta siten, että levyllä on riittävästi kuparipintaa joka hajottaa lämmön. Sitä silmällä pitäen levystä on tulossa 4-kerroksinen 2oz kuparilla jolloin riittävä lämmön hajaantuminen saadaan aikaan. Lämpövirran pitää toki lopulta päätyä ympäröivään ilmaan, joten aivan termospulloon piirilevyä ei saa laittaa. Metallikotelon läpi se saattaa kuitenkin jäähtyä riittävästi ilman mitään erikoistoimenpiteitä. Tämä laskenta on kuitenkin vielä suorittamatta.
Sen verran jo tiedetään, että valituilla feteillä johtokanavan maksimihäviö (10A virta, 100% pulssisuhde) on 0,43 W. Tähän päälle hilavarauksen kuskamisesta aiheutuvat kytkentähäviöt niin ollaan lähellä wattia, riippuen valitusta taajuudesta. Pieniä lisähäviöitä syntyy kytkinten substraattidiodien toipumisvarauksen siirtelystä, mutta sitä on pyritty pienentämään optionaalisilla ohitusdiodeilla D103, D104. Hyvin valittu Schottky-diodi parantaa hyötysuhdetta prosenttiyksikön tai pari jolloin jos planeetat on oikeassa asennossa niin joku 96 -97%, jopa vähän yli ei ole mahdotonta.
Siispä ensin lasketaan, sitten labrataan ja sitten ostetaan siilejä jos ei vaan onnistu :slight_smile:


#15

Kuinkas voisin edistää tätä projektia? Joko luotamme esimerkiksi kytkentäkaavioon sen verran että on mielekästä kasata BoM ja arvioida protosarjan kulut jotta voimme alkaa keräämään kolehtia?

-Otso


#16

Kiitokset avustusinnokkuudesta :slight_smile:
Ja omasta puolestani pahoittelut että on vähän kestänyt. Työt aina häiritsee harrastamista, mutta nyt vielä sen päälle harrastaminenkin häiritsee harrastamista kun Elvistä on pitänyt junailla kotiin ja analogikurssiakin on pitänyt työstää ja vielä auto säätää katsastuskuntoon (se meni läpi). Mutta ne on nyt kaikki hoidettu, että päästään taas tähän.

Tehdään varmaan ensi vaiheessa puhtaasti manuaalinen laite ilman automaatiota tai kaukosäätöä. Siinäkin on ihan tarpeeksi labraamista jotta se saadaan toimimaan tarkoitetulla tavalla. Eli BOM:ia voisi alkaa laatimaan siltä pohjalta. Minulla on DipTracessa liki kaikki uniikkikomponentit tyypitettyinä ja isompien toimittajien tuotenumeroin varustettuna, joten otetaan se pohjaksi. Tänään (ke 15.6.) menee vielä analogikurssin kimpussa mutta sitten voin tulostaa BOMin ulos ja siitä voidaan jalostaa lopullisempi budjetointiversio.


#17

Joo manuaalinen potikkasäätö virralle ja jännitteelle, jos joku haluaa kaukosäätöä niin rakentakoon semmoisen MCUsta ja I2C potikasta…


#18

BOM versio 0.1 löytyy nyt täältä LibreOffice-lakanan muodossa.
Siinä on vielä sekä liikaa kamaa (otetaan se prosessoriohjaus toistaiseksi vielä pois) että puutteita (kaikkien komponenttien arvoja ei ole vielä laskettu), mutta alkuu päässee tälläkin.

P.S. niin huomautuksena että minä olen metrinen tyyppi. Kaikki smd-vastusten ja chippikonkkien koot on ilmoitettu metrisinä, eli esim. koko 2012M on imperialisteille 0805 jne jne.


#19

Tässä alustavat leiskat kommentoitaviksi. Tarkkaavainen lukija huomaa, ettei kaikki kompot ole vielä paikoillaan vaan pari on työstämättä. Samoin ainakin pari kiskoa puuttuu vielä. Mutta kohtapuoliin nekin hoidettu.




Tässä vielä 3D-malli steppinä: https://www.dropbox.com/s/9d5fouwxrhedasb/Rambopower3791_3Dmodel-0.1.step?dl=0