Leadless Remote Sensing bij Programmeerbare DC Power Supplies.

René Bos, T&M Consultant TT&MS BV

Control loop modulatie maakt DC power supplies geschikt voor het emuleren van verschillende

DC bronnen waarbij valt te denken aan de emulatie van Batterijen, Accu’s, brandstof cellen en

zonnepanelen. Een bijzonder interessante, maar veel minder bekende toepassing, welke met

control loop modulatie mogelijk wordt is de zogenaamde Leadless Remote Sensing.

Remote sensing wordt gebruikt om spanningsverliezen in de bekabeling te compenseren. Dit door

naast de standaard bekabeling extra bedrading voor het sensing circuit aan te leggen. De regeling

in het power supply is dan gebaseerd op de spanning over de belasting en niet op de spanning

direct aan de uitgang van het power supply. Op deze manier maakt de bekabeling deel uit van de

control loop en wordt de gewenste spanning over de belasting gegarandeerd. Maar in lang niet

elke situatie is het praktisch of mogelijk om extra bedrading aan te leggen. Wat te denken van de

zogenaamde ROV’s (remote operating vehicles) waarbij afstanden van een paar honderd meter tot

zelfs kilometers geen uitzondering zijn…..

INTRODUCTIE

De eigenschappen van DC laboratorium power supplies zijn de laatste jaren aan behoorlijke

veranderingen onderhevig. Van ideale spanningsbron of ideale stroombron zijn er meer en meer

toepassingen welke een instelbare of programmeerbare uitgangskarakteristiek verlangen. Deze

toepassingen verlangen een DC emulatie met een hogere bandbreedte en een betere response tijd.

Vandaag de dag eisen engineers DC power supplies met een programmeerbare flexibiliteit van de

uitgangskarakteristiek voor de alsmaar veranderde toepassingen. De relatie tussen spanning en

stroom, DC profielen, interfacing, een hogere bandbreedte, veilige remote sensing en een

diversiteit aan programmeerbare functies zijn nodig om te voldoen aan de huidige eisen.

MODULATIE van de CONTROL LOOP

Magna-Power Electronics introduceerde ongeveer 10 jaar geleden voor het eerst de mogelijkheid

tot modulatie. Modulatie regelt de instelling voor spanning of stroom via een andere ingang

waarop b.v. een thermistor of een andere externe bron is aangesloten. In combinatie met software

zijn geavanceerde rekenkundige methodes beschikbaar voor de realisatie van, het door de

gebruiker, gedefinieerde uitgangsprofiel.

Figuur 1 illustreert een blokdiagram van een power supply welke gebruik maakt van een voltage

control regeling, waarbij het verloop van de uitgangsstroom wordt gebruikt voor de modulatie

ingang. Deze gesloten loop is zo geconfigureerd dat deze de uitgangsspanning reguleert in relatie

tot de uitgangsspanning van de D/A convertor, Vx. De D/A convertor heeft 2 ingangen, Vref and

VMOD, en programmering van de microprocessor bepaald hoe het uitgangssignaal varieert a.g.v.

de beide ingangen. Vref is de voltage referentie ingang en VMOD is de modulatie ingang.

Figure 1 Blok Diagram van een Power Supply met Modulation

Modulatie kan worden geïntroduceerd in de control loop door een variabele op te tellen bij het

setpoint of door deze met elkaar te vermenigvuldigen. Optel functies zijn te gebruiken voor de

Introductie van serie en parallel impedanties en vermenigvuldigings functies zijn bruikbaar voor

het regelen van spanning en stroombronnen.

Tabel 1 beschrijft de 4 alternatieven: Control Input 1 en 2 voor het regelen van de spanning en

stroom en Functie type 0 en 1 voor vermenigvuldiging en optel functies zoals;

Table 1 Modulation function types

Control

Input

Function Type

0 1

1 [ ] [ ]

2 [ ] [ ]

Notes:

1) Vo is de regelbare uitgangsspanning als functie van de modulatie operator

2) Io is de regelbare uitgangsstroom als functie van de modulatie operator

3) Vref is de setpoint referentie voor de spanning

4) Iref is de setpoint referentie voor de stroom

5) VMOD is de setpoint spanning voor de modulatie

6) Gv is de versterking (gain) welke is gedefinieerd bij de full scale uitgangsspanning, Vofs,

gedeeld door de maximale setpoint referentie voor de spanning, Vrefm

7) Gi is de versterking (gain) welke is gedefinieerd bij de full scale uitgangsstroom, Iofs, gedeeld

door de maximale setpoint referentie voor de stroom, Irefm

Mod(VMOD), modulatie, kan worden uitgedrukt als een constante of andere numerieke operator.

Magna-Power heeft gekozen voor een gebruikersvriendelijke methode op basis van een op een

tabel gebaseerd algoritme. Deze numerieke methode maakt lineaire en niet lineaire modulatie

mogelijk door in de tabel verschillende constanten te definiëren.

Table 2 en de resulterende curve in Figure 2 illustreert een eenvoudig voorbeeld van een Functie

Type 0 modulatie toegepast op een 100 V, 150 A DC power supply. In dit voorbeeld is het power

supply geprogrammeerd om een constant vermogen te leveren. De stroom, Io, wordt gebruikt als

de operator voor Mod. In dit voorbeeld wordt Io gemonitord en gebruikt op de programmeer of

modulatie input, VMOD. Zoals geïllustreerd is de reactie van VMOD lineair tot de stroom.

[ ] (1)

(2)

(3)

Vermenigvuldig beide zijden van de vergelijking 1 door Io

(4)

⁄

⁄ (5)

Table 2 voorbeeld modulatie tabel (functie type 0)

Row

VMOD

(Vdc)

Mod

Vo

(Vdc)

Io

(Adc)

Po

(W)

1

2

3

4

5

6

2.50

2.94

3.57

4.55

6.25

10.00

1.000

0.850

0.700

0.550

0.400

0.250

100.00

85.00

70.00

55.00

40.00

25.00

37.50

44.12

53.57

68.18

93.75

150.00

3750.00

3750.00

3750.00

3750.00

3750.00

3750.00

De volledige curve wordt verkregen door lineaire benadering en interpolatie van de punten tussen

de, in ons voorbeeld, 6 geprogrammeerde punten. Als voorbeeld, Vo is 77.5 Vdc als de stroom

48,85 ampère bedraagt. De nauwkeurigheid bij de benadering van de tussenliggende punten

verbeterd wanneer er meer datapunten beschikbaar zijn.

Figure 2 Curve defined in Table 2

UITDAGINGEN BIJ CONTROL LOOP MODULATION

Hardware beperkingen

Modulatie, zoals hierboven beschreven maakt het mogelijk om met een DC power supply

emulaties te doen van b.v. een zonnepanel, batterijen of een brandstof cel. Het dynamisch gedrag

in deze applicaties vereist een hogere frequentie response dan menig standaard DC power supply

aankan. Verder moet ook de embedded firmware geschikt zijn om de applicatie gerelateerde

snelheid te kunnen hanteren. Wij kunnen dan ook concluderen dat een power supply, geschikt

voor snelle modulatie heel andere karakteristieken moet hebben dan een conventioneel DC power

supply.

Een power supply waarbij gebruik wordt gemaakt van modulatie krijgt te maken met dynamische

parameters betreffende bandbreedte aankunnen en de stijg en daaltijden. Uitgangsfilters zijn nodig

om de ongewenste AC componenten, welke worden geïntroduceerd door het power conversie

proces, uit te filteren. Maar in het geval van modulatie of bij het super poneren van AC op de DC

uitgang moeten deze juist worden doorgelaten. Hierdoor zijn hogere bandpass filters gewenst om

de ongewenste signalen te filteren en de gewenste signalen door te laten. Power supplies met een

hogere bandbreedte hebben over het algemeen dan ook een hogere rimpel op de uitgang. Het

verhogen van de schakelfrequentie draagt over het algemeen bij aan de gestelde doelen maar heeft

vaak een negatieve invloed op de totale efficiëntie (switching loss).

Standaard worden vaak aluminium elektrolytische condensatoren gebruik in de uitgang van het

DC power supply. Deze condensatoren kenmerken zich door de hoge capaciteit en een lage ESR

waarde. Toch vormen deze een geleiding voor hoogfrequente harmonische stromen. Bij

toepassingen met een hogere bandbreedte en hoge stijg en daaltijden dragen deze condensatoren

bij aan grotere spanningsvariaties. Dit als gevolg van het relatief hoge vermogen, nodig voor het

laden en ontladen van deze condensatoren. Verder is de invloed van de optredende AC stromen

van grote invloed op de betrouwbaarheid van deze aluminium elektrolytische condensatoren. De

inzet van film condensatoren met een lagere capaciteit zijn van minder invloed op genoemde

eigenschappen..

Wanneer het power supply wordt toegepast in applicaties waarbij een hogere bandbreedte en slew

rate wordt vereist dan vergt dit ook andere eisen van de beveiliging van o.a. de halfgeleiders in de

uitgang. Een relatief eenvoudige beveiliging voor een te hoge stroom is niet meer geschikt in

dergelijke toepassingen omdat het power supply snelle uitgangs veranderingen van spanning en

stroom moet tolereren. Vanuit de hoogvermogen halfgeleiders gezien betekend dit dat de

belasting zich zowel extern, maar ook intern bevindt. De mogelijke gevolgen van de benodigde

stroom voor het laden en ontladen van het uitgangsfilter en de capaciteit in de externe belasting

dienen dan ook goed te worden overwogen.

De mogelijkheid tot modulatie maakt de regel lus in het power supply een stuk gecompliceerder.

Normaal wordt namelijk alleen de spanning of stroom vergeleken t.o.v. een referentie om de

ingestelde waarde stabiel te houden. Zoals in figuur 1 is weergegeven bevat het regelsysteem een

error versterker en een compensatie circuit voor de Closed loop. Wanneer de gain te hoog is, of

als het compensatie circuit niet juist is ontworpen kan dit resulteren in onstabiliteit of oscillatie.

Modulatie voegt een 2e parameter toe gekoppeld met een vertraagde responsie. Op een bepaald

punt worden de geprogrammeerde parameters digitaal geanalyseerd en toepast op de modulatie

ingang. Het gebruik van snelle DSP’s is nodig om de benodigde berekeningen zo snel mogelijk en

met minimale vertragingen uit te voeren. Wanneer het power supply wordt geforceerd grote

veranderingen tussen 2 werk punten te maken dan kan dit leiden tot onstabiel gedrag. Het

limiteren van de slew rate is een effectief middel om het onstabiele gedrag te beperken maar heeft

aan de andere kant weer een negatief effect op de bandbreedte van het systeem.

LEADLESS REMOTE SENSING

Remote sensing wordt gebruikt om spanningsverliezen in de bekabeling te compenseren. De

regeling in het power supply is dan gebaseerd op de spanning op de belasting en niet op de

spanning direct aan de uitgang van het power supply. Op deze manier wordt de bekabeling

opgenomen in de control loop en de gewenste spanning op de belasting gegarandeerd.

Maar het is lang niet altijd praktisch of mogelijk om de spanning over de belasting te monitoren.

Het bijregelen van de spanning door de stroom te monitoren kan een effectieve oplossing zijn in

het geval remote sense bekabeling niet toepasbaar is. Dit principe is niet echt toepasbaar bij

relatief korte bekabeling maar zeer geschikt voor lange bekabeling zoals voorkomt bij ROV’s

(remote operating vehicle) toegepast bij b.v. oceaan onderzoek. Kabellengte van enkele

honderden meters tot zelfs kilometers vormen hier geen uitzondering. Bij deze vorm van remote

sensing wordt dan ook de bekende weerstands waarde van de bekabeling meegenomen in

modulatie regeling van het power supply.

In figuur 3 wordt een power supply voorgesteld met een belastings weerstand (Rload) en een

bekabelingsweerstand (Rlead). De spanning over de belasting (Vload) kan worden weergeven als;

(6)

Hierin is:

Vo: uitgangsspanning power supply,

Io: uitgangsstroom,

Rlead: weerstand bekabeling tussen de power supply en de belasting.

Figure 3 Leadless Remote Sensing

Wanneer wij dit toepassen op het blokdiagram in figuur 1, waarbij de modulatie ingang wordt

geregeld door de uitgangsstroom en de modulatie functie type 1 wordt toegepast dan wordt Vload;

[ ]

(7)

als

In dit voorbeeld zal de spanningsval over de bekabeling worden gecompenseerd door de

uitgangsspanning van het power supply bij te regelen op basis van de stroom.