CVCC電源装置 (ハードウェア)

CVCC電源装置を製作しました。今回はこのハードウェア構成について詳しく説明します。

ブロック図

この電源装置はスイッチング方式で出力電圧を安定化させています。スイッチング方式とすることで小型形状で可変出力が可能な電源装置を実現しています。

パワー回路の制御はマイコンを利用しています。出力電圧・電流をAD変換してマイコンに取り込み演算によって出力電圧・電流のフィードバック制御を行います。

回路図

MCU

テキサスインスツルメンツ社製のC2000マイコン「TMS320F28035PNT」を用いました。CLAというコプロセッサを利用してマイコン単体で高速なフィードバックループを構築しています。

12bit内蔵ADC→CLA演算→PWM更新→PWM出力となり、アナログ信号のAD変換からPWM出力までの一連の流れをマイコンワンチップで処理しています。CLAはPI制御の演算を担当しています。

Mainコアはインターフェースのダイナミック点灯制御やフィードバックループへの基準電圧・基準電流設定値の処理を行っています。CLAはフィードバック演算の処理を行います。基準値とAD変換値から偏差を取得してPI制御を行います。

TMS320F28035 のデータシート、製品情報、およびサポート | TI.com

TI の TMS320F28035 は 60MHz、128KB フラッシュ、CLA (制御補償器アクセラレータ) 搭載、C2000™ 32 ビットマイコンです。パラメータ、購入、品質に関する情報の検索

Digi-KeyやMouserで購入することができます。最安はLCSCという中国の部品商社です。

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ソフトウェアについては別の記事で詳しく説明しようと思います。

パワー回路

ハーフブリッジ回路

LM5104というハーフブリッジドライバを使ってスイッチング段を構成しています。FETの制御タイミングは、このドライバがすべて生成してくれます。マイコンは1相PWMを生成してデューティのみ制御すればOKです。

LM5104 のデータシート、製品情報、およびサポート | TI.com

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LCフィルタ

今回の電源装置では、スイッチング周波数は100[kHz]としています。100[kHz]のキャリアを十分にカットすることのできるフィルタが必要です。

L=47[uH],C=122[uF]　fc=2.1[kHz]
100[kHz]では-60[dB]となって十分リップルを減衰させることができます。

フィルタの特性は制御器(制御ソフト)を設計する上で重要になります。
このフィルタの特性に合わせた制御器を設計する必要があります。

電圧・電流検出回路

電圧測定

分圧抵抗 (R15,R16) によって出力電圧を分圧してOPアンプに入力します。入力電圧は分圧抵抗器によって1/10に減衰されます。20V出力で2Vの検出電圧となります。

C2000マイコン内蔵ADCの入力部は特にバッファされていません。そのまま入力部に付加されているコンデンサに測定回路から電流が流れ込みます。測定回路のインピーダンスが大きい場合このチャージインジェクションが問題となります。チャージインジェクションの影響を受けて測定誤差が大きくならないようにオペアンプ (U3)でバッファしてADCへ入力してやります。