Circuito isolado de condicionamento de sinais PWM para DSP

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Circuito isolado de condicionamento de sinais
PWM para DSP
Jean Patrick Prigol, Odilio de Souza Duarte
UTFPR, PPGEE, Pato Branco-PR, [email protected], [email protected]
Resumo— Cada vez mais dispositivos de controle e processamento de sinais tornam-se mais comuns com alimentação em
3,3V, necessitando de drivers para comandar até uma pequena
carga devido sua baixa capacidade de saída nos seu pinos
para uso de propósito geral (GPIO). Em eletrônica de potência,
muitos inversores produzidos com transistores IGBT utilizam
drivers de acionamento em 5 ou 15V, tornando indispensável o
aumento da capacidade de acionamento do DSP, assim sendo
este artigo mostra o desenvolvimento de um circuito isolador de
alto desempenho capaz de ser utilizado com qualquer DSP e
possuindo tensão de saída variável em 2 níveis fixos dentro um
limite de 30V.
Palavras-chave— Isolação, DSP, controle, PWM
CIRCUIT PWM SIGNAL CONDITIONING
INSULATOR FOR DSP
Abstract— Increasingly control and signal processing devices
become more common for 3.3V power, necessitating drivers to
drive a small load due to its low output capacity at its pin for
general purpose use (GPIO). In power electronics, many inverters
produced with IGBT transistors using drivers actuation 5 or
15V, making it essential to increase the DSP drive capability and
therefore, this article shows the development of an isolator circuit
of high performance can It is used with any DSP and having
variable output voltage levels within one second fixed 30V limit.
Keywords— Isolation, DSP, control, PWM
I. I NTRODUÇÃO
Com o aumento da demanda de energia, faz-se necessário
a utilização de geradores elétricos nos mais diversos tipos de
sistemas. As fontes renováveis possuem seu lugar de destaque
e impulsionam o uso de dispositivos de eletrônica de potência
para o controle do fluxo de energia obtido através de geradores
síncronos e assíncronos [1].
A utilização da eletrônica de potência cada vez mais
possui sua relevância nos mais diversos sistemas elétricos
e eletrônicos desenvolvidos na atualidade. Esses dispositivos
como o transistor IGBT, SCR, entre outros, possuem grande
capacidade de corrente e tensão, embora seu controle seja
realizado com níveis reduzidos [2]. Normalmente dispositivos
eletrônicos isolados são utilizados nos projetos de acionamentos destas chaves eletrônicas, o problema surge pelo fato de
que boa parte destes dispositivos não estão adequados aos
níveis de tensão e corrente de um DSP (do inglês Digital
Signal Processor).
A estratégia de controle, leitura de sensores e acionamentos
PWM (Pulse Width Modulation), são programadas em DSP
que possuem baixa capacidade de acionamento e necessitam então, de um circuito capaz de adequar estes níveis de
tensão proporcionando flexibilidade de conexão, bem como
oferecendo proteção suplementar quanto a isolação dos sinais,
evitando assim que oscilações mais acentuadas de tensão não
provoquem algum dano ao DSP.
Em aplicações de média e baixa potência, um dispositivo
de acionamento dos IGBT é o SKHI22B(R) do fabricante Semikron. Ele é capaz de realizar o acionamento de
transistores IGBTs com pacapacidade até 400 kVA, porém
a utilização deste driver está condicionado a adequação de
sinais de entrada de acordo com sua especificação, para este
modelo, níveis de 5V devem ser inseridos na entrada para
seu acionamento. Na mesma linha do dispositivo citado, o
SKHI22A necessita de 15V de entrada, desta forma com o
circuito de isolação pode ser possível selecionar o nível de
tensão da saída para fins de acionamento.
A utilização deste dispositivos de acionamento dos IGBTs,
está relacionada ao uso de um circuito isolado auxiliar que
possar servir de interface para os sinais provenientes do DSP
e será descrito na próxima seção.
II. P RINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO ISOLADOR E
APLICAÇÃO
A estrutura para a aplicação proposta é apresentada na
Figura 1. São quatro blocos principais: DSP, isolação, SKHI
22B(R) e circuito de potência. Esta estrutura típica é utilizada
na composição de inversores de frequência, filtros ativos e
retificadores controlados sendo aplicados em sistemas energia
renovável.
DSP/GPIO
PWM
Erro
Fig. 1.
Circuito
de
isolação
PWM
SKHI
22B(R)
PWM
Erro
Diagrama de bloco do sistema.
As estruturas utilizadas na montagem de conversores
eletrônicos de potência, necessitam de sinais de controle para
o acionamento adequado de cada chave utilizada no circuito.
2
Normalmente utilizam-se de técnicas PWM para sintetizar a
forma de onda desejada na saída do circuito [1], [3].
O circuito de potência é conectado diretamente ao driver
SKHI 22B(R). O DSP envia os pulsos PWM ou recebe o sinal
de erro por meio do circuito isolado, desta forma garante-se
que nenhum surto proveniente do circuito de potência possa
ser transferido ao DSP, garantindo o processamento até nas
condições mais adversas previstas na sua implantação.
VIA
14
4
13
VIB
VIC
5
ADuM6400
CAPACIDADE
O circuito utilizado no protejo é o fabricado pela Analog
Devices [4] e consiste em um isolador com fonte CC-CC de
quatro canais. A ADuM64xx possui cinco variações modificando o sentido do entrada/saída dos sinais isolados. Suas
principais características são: (i)
1) possui fonte isolada, até 400mW da potência;
2) quatro canais com capacidade de até 25 Mbps;
3) as entradas dos canais isolados são do tipo schmitt
trigger;
4) isolação de até 5 kV;
5) alimentação em 3,3 V ou 5,0 V.
Para o circuito proposto de baixo consumo de energia,
será utilizado apenas uma única fonte de alimentação e será
utilizado a fonte isolada do ADuM para obter alimentação
adequada em ambos os lados isolados do ciruito, significando
facilidade de projeto. O nível de tensão pode ser selecionado
em 3,3 V ou 5,0 V.
A característica schmitt trigger dos canais dá-lhe mais imunidade a ruídos sendo muito útil principalmente em sistemas
de comunicações ou em casos que interferência eletromagnética [5].
A Figura 2, mostra esquematicamente cinco versões com a
respectiva direção da cada canal isolado. Para cada aplicação
deve-se selecionar o ADuM que possua a direção adequada
dos sinais. Para atender os requisitos do projeto em questão,
são utilizados O ADuM6401 e ADuM6404. Esta escolha é
devido ao fato de ter o sinal de erro proveniente do SKHI
22B(R) a ser lido pelo DSP, um sinal de habilita e os seis
demais sinais são para envio dos sinais de PWM, utilizando
assim oito canais isolados.
Na folha de dados do fabricante tem duas observações
fundamentais ao funcionamento do ADuM, que se não observadas, comprometem todo o funcionamento do circuito. A
distância recomendada para o capacitor de 100nF em relação
aos pinos VDD1 e VISO é de 2 mm, além do mais a fonte
isolada de tensão possui sua saída regulada e deve ser sujeita a
uma carga de pelo menos 10 mA, com valor típico de precisão
em torno de 1%.
IV. O CIRCUITO PROPOSTO
Nesta seção serão abordados a compatibilização dos sinais
a nível de 3, 3 V bem como o circuito responsável pela saída
do sinal.
VOC
VIC
VOD
VOD
12
VID
6
11
3
14
4
13
5
ADuM6402
13
VOB
ADuM6401
VID
11
3
14
4
13
VOA
VOB
VIC
VOC
VID
VOD
VIB
5
11
ADuM6403
VIC
12
VID
6
VOA
11
VIA
3
14
4
13
VOB
VIB
VOC
5
ADuM6404
VIC
12
VOD
VID
6
Fig. 2.
VOC
12
6
12
VOD
6
4
VIA
VOB
VOC
14
5
VOA
VIB
VOA
3
VIB
VOB
VIA
III. C IRCUITO INTEGRADO ISOLADOR DE ALTA
VIA
VOA
3
11
Diagrama de bloco do circuito ADuM.
A. Compatibilidade de sinais
O circuito de alimentação necessita de uma fonte fixa em
5 V para os CIs digitais e a partir desta, será gerado a tensão
por meio de um regulador de tensão para 3, 3 V para alimentar
um ADuM compatibilizando os níveis lógicos do DSP. O
outro ADuM utilizado receberá alimentação por meio da fonte
isolada do primeiro ADuM energizado.
Observe na Tabela I a comparação dos níveis lógicos limites
dos CIs ou tecnologia envolvida envolvidos:
TABELA I
N ÍVEIS LÓGICOS LIMITES .
CI
ADuM
TTL
DSP
VIH
2,3
2,0
2,0
VIL
0,9
0,8
0,8
VOH
3,0
2,7
2,4
VOL
0,1
0,5
0,4
Desta forma observa-se que os níveis lógicos atendem aos
requisitos exigidos no projeto, ou seja, a saída lógica do DSP
está adequada à entrada do ADuM que por sua vez tem níveis
lógicos adequados de saída para a entrada do circuito lógico
da família TTL.
B. Sinal de saída
O ADuM irá acionar um circuito digital composto de portas
lógicas AND e buffers em coletor aberto. As portas AND
são necessárias para implementar o sinal de habilita que irá
garantir todas as saídas nível baixo na ausência deste sinal de
controle. Já os buffers são utilizados na adequação do sinal de
saída para o nível de tensão desejado conforme é apresentado
na Figura 3.
3
Vcc
PWM - DSP
Habilita
Saída
PWM
Fig. 3.
Circuito isolador.
Para a interligação da saída da lógica AND para a o buffer,
não tem nenhuma restrição ou análise complementar, pelo
fato de serem TTL e ligados com mesma tensão (5 V ). Mas
interessante ressaltar a possibilidade do buffer ter sua saída
conectada em até 30 V fato pelo qual torna versátil sua
utilização.
Sinal isolado 5V
Fig. 5.
Sinal PWM habilitado com 5 V de saída.
V. R ESULTADOS EXPERIMENTAIS
PWM - DSP
Na Figura 4 é apresentado a montagem do protótipo do
circuito proposto para validação do que fora discutido previamente.
Sinal inibido
Fig. 6.
Fig. 4.
Sinal PWM inibido.
Protótipo do circuito.
O circuito foi validado em todas as suas saídas de acionamento e implementando o sinal de controle "habilita" nos
testes. A Figura 5, mostra o sinal de entrada proveniente
do DSP (10 kHz) com tensão reduzida e o sinal de saída
compatibilizado para 5 V .
A Figura 6 mostra o sinal de entrada operando normalmente
enquanto que a saída se mantém em nível nulo de tensão,
devido ao sinal de habilita não ter sido enviado para o circuito
isolador, criando assim uma regra para o seu funcionamento
que depende deste sinal para propagação do PWM para saída.
VI. CONCLUSÕES
A necessidade de circuitos isolados no acionamento de
conversores de potência, mostra o desafio e oportunidade para
ajudar na construção de novos métodos e técnicas. Neste caso
a utilização do circuito isolador, elimina a necessidade do uso
de fibras ópticas integrando em uma única placa a isolação e
compatibilização de níveis de tensão otimizando ainda mais o
projeto.
Os resultados obtidos tanto para saída em 5 V ou 15 V,
foram satisfatórios utilizando nos testes a frequência de 10
kHz prevista ao funcionamento dos conversores de potência. A
praticidade na montagem da placa de circuito impresso é outro
ponto relevante durante a etapa de desenvolvimento de protótipos, não necessitando de confecção industrial permitindo a sua
elaboração de forma artesanal, reduzindo custos nesta etapa de
testes.
A conexão de saída feita por meio de cabo flat, exige que
a placa com o driver que será responsável pelo acionamento
dos IGBTs, seja compatível quanto a sua numeração, podendo
para uma versão futura ser desenvolvido um circuito que
englobe as duas placas simplificando e reduzindo a quantidade
de conexões que normalmente são fontes de erros durante
experimentos a serem realizados.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a UTFPR pelos equipamentos cedidos e a oportunidade de elaborar este circuito para fins experimentais de
laboratório. Ao professor Dr. Jean Patric da Costa pelo apoio
4
e Odilio S. Duarte pelo incentivo e ao Henrique Pfeifer pela
colaboração no desenvolvimento.
R EFERÊNCIAS
[1] P. Singh e A. Kaur, “Power control of doubly fed induction generator
(DFIG) using back to back converters (PWM technique),” IEEE International Conference on Advanced Communication Control and Computing
Technologies (ICACCCT) Power, pp. 73–77, 2014.
[2] N. Mohan, Eletrônica de potência: curso introdutório, 1a ed. Rio de
Janeiro RJ: LTC, 2014.
[3] J. W. Dixon, “Three-phase controlled rectifiers,” in Power Electronics
Handbook, 3a ed., M. H. Rashid, Ed. Pensacola: Elsevier, 2011, ch. 12,
pp. 205–247.
[4] A. Devices, “Quad-Channel, 5 kV Isolators with Integrated DC-to-DC
Converter,” 2012.
[5] R. Tocci, N. Widmer, e G. Moss, Sistemas Digitais Princípios E Aplicações. Pearson, 2011.