Detección eficiente de efectos irregulares en el diseño de bucles de control

Su misión

El diseño de un convertidor de potencia y su estabilidad deben verificarse en todos los modos de operación. Por regla general, los controladores PWM ofrecen muchas funciones, las cuales pueden añadir complejidad y por lo tanto exigen un proceso de validación eficiente. Como ejemplos cabe citar el control de bucle anticipativo en la línea y el control de arranque suave.

El control de arranque suave es un modo específico: cuando el convertidor se enciende, el ciclo de trabajo positivo se aumenta gradualmente para elevar la tensión de salida de forma equilibrada.

Durante este período de tiempo, el ciclo de trabajo varía de cifras muy bajas a un valor más elevado, hasta que la tensión de salida haya alcanzado una condición de régimen permanente. Una vez que se ha completado la secuencia, el bucle de control realimentado estándar regula la tensión de salida al valor nominal. Adicionalmente, puede estar activado un control anticipativo en la línea para optimizar la regulación de la tensión de salida cuando la tensión de entrada cambia abruptamente. Ambos mecanismos de control coexisten y dificultan la detección y localización de un funcionamiento inesperado o inestable. Los diseños de los convertidores con conmutación incluyen por naturaleza ruido, lo que puede dar lugar a una regulación incorrecta del bucle. Es posible detectar una inestabilidad inesperada en el bucle mediante un disparo en la variación de tensión o, aún mejor, monitorizando el ancho del ciclo de trabajo positivo, ya que el ciclo de trabajo se aplica para regular la fuente de alimentación con el fin de mantener la tensión de salida constante. Para poder detectar cualquier evento irregular en un sistema de control complejo como este se necesita una función de disparo compleja.

Solución Rohde & Schwarz

El osciloscopio R&S®MXO 5 es perfecto para llevar a cabo esta compleja tarea, ya que incorpora una tecnología de disparo digital. El sistema de disparo digital proporciona un disparo con una sensibilidad de 0,0001/div y una resolución de hasta 18 bits en el modo de alta definición. Puesto que es esencial contar con dos condiciones de disparo para localizar variaciones del ciclo de trabajo positivo una vez que ha transcurrido el periodo de arranque suave, también pueden definirse condiciones de disparo complejas. La figura 1 muestra las condiciones de disparo en el arranque del convertidor.

La condición de disparo A se emplea para detectar el fin de la rampa de arranque suave y está configurada como disparo de ventana, donde la tensión de salida debe situarse en un rango definido. El tipo del disparo para la condición B debe ser el ancho.

El disparo de ancho detectará cualquier valor que se encuentre fuera de un rango definido del ciclo de trabajo positivo. Esto puede ocurrir fácilmente si el diseño del filtro de control anticipativo en la línea es incorrecto. No obstante, si el convertidor tiene un régimen permanente, no se producirán variaciones notables del ciclo de trabajo. Si el ciclo de trabajo positivo se desvía de un rango válido como consecuencia de un evento inesperado, la condición B se disparará y se detendrá la adquisición. Esto ayuda a aislar dicho evento específico y el usuario puede detectar la causa raíz del evento de control irregular en cuestión.

Aplicación

Para mostrar la función de disparo complejo se utiliza un convertidor de conmutación CC/CC en una topología de puente completo con rectificación síncrona. El convertidor aislado opera a una frecuencia de conmutación de 100 kHz y convierte la tensión de entrada de 48 V en una tensión de salida de 12 V. La corriente de salida está especificada a un máximo de 8 A. El controlador digital empleado en esta aplicación permite al usuario activar, desactivar y modificar el control anticipativo en la línea.

Configuración del instrumento

• Para configurar un disparo complejo:
• configure un canal apropiado, incluyendo la selección de sonda adecuada
• active una secuencia de disparo y defina un tiempo límite de restablecimiento adecuado (véase la fig. 2)
• defina el disparo A con el tipo ventana (Window), indicando también nivel superior e inferior, para captar el final del arranque suave durante el encendido (véase la fig. 3)
• active la función de medida de ciclo de trabajo positivo y defina los niveles de referencia, p. ej. 20/50/80 % de la tensión
• defina el disparo B con el tipo ancho (Width) y ajuste el ancho y el tiempo delta (véase la fig. 4)
• active la función de medida de ciclo de trabajo, incluyendo la función de seguimiento

Medida de la respuesta transitoria de carga

Después de la configuración, el convertidor se inicia y se ejecuta el procedimiento de arranque suave. En cuanto el sistema detecta un disparo válido para la condición A, el instrumento espera cualquier variación en la medida del ciclo de trabajo. Partiendo de que la carga es constante tras el arranque suave, el instrumento no disparará en la condición B, ya que elciclo de trabajo debería permanecer constante.

Para ilustrar esta secuencia compleja de disparo se ha activado la función de control anticipativo en la línea dentro del controlador del convertidor con un diseño de filtro digital incorrecto. Como consecuencia, el instrumento también disparó en la condición B. La medida registrada se muestra en la figura 5, donde se mide la tensión de salida en el canal 1 y la tensión de entrada se mide en el canal 3. El canal 2 muestra una señal interna del controlador, la cual refleja la tensión de entrada al lado secundario. El canal M2 muestra el canal 2 filtrado por un paso bajo. Asimismo, en la ventana inferior se muestran la señal de control PWM (canal 4) y la traza de pista del ciclo de trabajo positivo.

3 ms después de finalizar la secuencia de arranque suave, el instrumento dispara en la condición B, ya que el ciclo de trabajo muestra un escalón positivo seguido de una caída negativa. Esta variación del ciclo de trabajo solamente está presente cuando está activada la función anticipativa en la línea. El siguiente paso consistiría en optimizar la longitud de adquisición, lo cual es ahora posible gracias a la secuencia de disparo compleja. El resultado se muestra en la figura 6.

En este caso pueden verse más detalles con mayor precisión, lo que permite al usuario comprender mejor el sistema. Ahora, el usuario puede iniciar el proceso y localizar la causa raíz de forma muy eficiente.

Resumen

El osciloscopio R&S®MXO 5 es la elección perfecta para identificar eventos irregulares en el bucle de control de convertidores de potencia. Su tecnología de disparo digital permite al usuario definir eventos de disparo complejos para aislar la causa raíz de forma eficiente. Además, la amplia memoria permite agregar funciones adicionales, como el seguimiento del ciclo de trabajo, para lo cual se requiere una alta frecuencia de muestreo durante un tiempo de adquisición prolongado. El instrumento ofrece las características ideales para validar y entender el funcionamiento de diseños de convertidores de potencia.