Robot balansujący - Zasilanie

[MR1979]

Witam!

Sterownik silników skończony, czas na zasilanie. Będzie to oddzielna płytka.

Założenia projektu:
- Zasilanie z pakietu Li-Ion 4S4P lub 4S/3P. Pakiet na zamówienie ze zintegrowanym balncerem.
- Napięcia wyjściowe:
    a. Bezpośrednio z baterii
    b. 3,3V / min 2A
    c. 5V lub 6V / min 3A - do zasilania serw
    d. 5V / 3A - do zailania Raspberry Pi
    e. Regulowane / 2A - do zasilania płytek funkcyjnych
- Kontrola przez STM32 (jeszcze nie wybrałem, pewnie jakiś mały z serii L)
- Komunikacja przez SPI i UART
- Zabezpieczenie każdego kanału bezpiecznikiem polimerowym
- Zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem baterii
- Załączanie / wyłączanie każdego kanału z mikrokontrolera
- Pomiar prądu na każdym kanale
- Soft power button - coś jak zrobiłem w projekcie Minikonsolka
- Zintegrowana ładowarka CC/CV (pewnie coś niedużego do 5A)

Pozdrawiam,
Marek

 

[MR1979]

Witam.

Ostatnie dni spędziłem na planowaniu jakie komponenty użyję i czytaniu dokumentacji do nich.

W PSU będą 4 sekcje zasilania:
3V3  / 3A - zasilanie elektroniki na płytkach funkcyjnych robota (np kontroler silników i serw)
5V / 3A - zasilanie Raspberry Pi 4B 4GB
6V / 3A - zasilanie serw
9V / 3A - dodatkowe napięcie - jeszcze nie zdecydowałem czy na pewno 9V to dobry wybór.

Każda sekcja zajmuje około 30mm x 30mm (900mm2) więc 4 spokojnie się zmieszczą na płytce.

Ostatecznie zdecydowałem się na wykorzystanie w każdym module przetwornicy DC/DC LM43603 (Texas Instruments) w 16-pinowej obudowie HTSSOP. Układ ten jest łatwy do polutowania, ma przyjazny rozkład wyprowadzeń, wymaga niewielu dodatkowych komponentów oraz można go używać na 2-warstwowej PCB.

Wykonałem symulację tego ukłądu dla każdego napięcia wyjściowego w TI WEBENCH i przy napięciu wejściowym 15V dla każdej konfiguracji mam sprawność powyżej 85%.

Piny EN (Enable) oraz PGOOD (Power Good) będą podłączone do mikrokontrolera.

Na każdej linii wyjściowej będzie rezystor bocznikowy do bieżącej kontroli zasilania prze uC. Planuję użyć 0.02R/1W. Przy 3A da mi to spadek napięcia 0.06V, co po 20x wzmocnieniu w układzie INAx181A do wynikowe napięcie 1.2V dla 3A.

Zamówiłem też pakiet baterii Li-Ion w konfiguracji 4S4P na ogniwach PANASONIC NCR18650B 3400mAh. Pakiet będzie mieć wbudowany balanser, zabezpieczenia oraz dodatkowy termistor. Całkowita pojemność pakietu będzie wynosić 13600mAh (teoretycznie).

Aktualnie przygotowałem projekt PCB dla pojedynczego modułu zasilania. Jak tylko odbiorę płytki, zabieram się za prototypownie.

Planuję też umieszczenie na płytce wbudowanej ładowarki CC/CV 2A / 16.8V lub 2A / 16.4V. Z dokumentacji ogniw wynika że można je ładować do 4.2V, ale spotkałem się z opinią że ogólnie ogniwa Li-Ion ładuje się do napięcia 4.1V. Tu wciąż szukam układu. Tak wiem, że  przy tak słabej ładowarce ładowanie będzie trwało nawet 6h, ale wolę żeby było bezpiecznie, niż szybko.

Wciąż analizuję jak zabezpieczyć moduł zasilania. Na pewno będzie bezpiecznik na wejściu baterii, zabezpieczenie przeciw-przepięciowe i przeciw odwrotnej polaryzacji (tu sprawa się komplikuje ze względu na to że płytka ma też umożliwiać ładowanie). Co do dodatkowego zabezpieczenia obwodów na wyjściach to nie wiem czy to ma sens, bo same przetwornice mają wbudowane zabezpieczenia: napięciowe - czyli czy mieści się w zakresie (+4%,-7%), nadprądowe i przeciwzwarciowe. Jest to sygnalizowane stanem niskim na pinie PGOOD oraz zmianą trybu działania przetwornicy. W takiej sytuacji uC może szybko wyłączyć całą linię ustawiając stan niski na pinie EN danego przetwornika. Ponad to mierząc też spadek napięcia na rezystorze bocznikowym, mogę z łatwością ustawić w oprogramowaniu uC dowolne maksymalne obciążenie dla każdej linii.

Pozdrawiam,
Marek

 

[MR1979]

Witam!

Moduł zasilania 3,3V/3A zmontowany i działa Jeszcze będę testował na większych obciążeniach. Policzę też sprawność i zobaczę czy rzeczywiście będzie to 85% tak jak wyszło na symulacji.

Tak jak pisałem na płytce zasilania robota będzie tych modułów 4.

 

Brakujące 0,07V to spadek napięcia na kiepskiej płytce stykowej i przewodach. Napięcie mierzone bezpośrednio na kondensatorze wyjściowym wynosi 3,3V.

 

Do zarządzania całym modułem zasilania wybrałem STM32L031C (wystarczyłaby seria L01, ale nigdzie ich nie ma w obudowach QFN48).

 

Pozdrawiam,
Marek

Edytowano Grudzień 19, 2020 przez MR1979

[MR1979]

Witam,

Zrobiłem kilka testów modułu zasilania bazującego na LM43603. Oto wyniki:

1. Parametry testu:
- Napięcie wejściowe: 15V
- Częstotliwość konwertera DC/DC: 500kHz
- Napięcie wyjściowe: 3,3V
- Napięcie wyjściowe mierzone na samym wyjściu przetwornicy
 

2. Stanowisko testowe:
- Zasilacz laboratoryjny
- Oscyloskop (monitorowanie napięcia)
- Obciążenie elektroniczne
- Multimetr z termoparą (monitorowanie temperatury układu)

 

3. Pomiar przyrostu temperatury w zależności od obciążenia:
- Płytka dwuwarstwowa z dodatkowymi polami miedzi
- Pomiar wykonany na górze układu przetwornika
- Temperatura otoczenia 22C
- Obciążanie zwiększane w krokach 0,2A
- Pomiar temperatury odczytany po ustaleniu pomiaru
 

Wnioski: Przy aktualnej budowie płytki (2 warstwy) nie ma możliwości aby wykorzystać pełny zakres dopuszczalnego prądu układu. Przy 2,6A temperatura ustaliła się na poziomie 91C.
W ostatecznym projekcie płytki będę musiał dodać kilka przelotek pod samym układem (tu ich zabrakło). To powinno poprawić rozproszenie ciepła. W dokumentacji jest napisane aby utrzymywać temperaturę <120C. Ja jednak dla bezpieczeństwa ograniczę się do max 2,2A ciągłego obciążenia. Mały wentylatorek na obudowie robota na pewno nie zaszkodzi.

Przewiduję że największe stałe obciążenie w robocie będzie generować Raspberry Pi 4. Wg danych w necie nie powinno ono przekroczyć 1,5A (jeszcze nie sprawdzałem. Zakładam że nie będę podłączał żadnych wymagających peryferiów USB (np dysk twardy).

Chwilowe obciążenie 3A jest dopuszczalne. W teście gdzie poddałem układ zmiennemu obciążeniu w cyklu 1sekunda 0A -> 1sekunda - 3A, temperatura układu ustaliła się na poziomie 60C.

4. Pomiar sprawności przetwornicy:

Wnioski:
Zakres najwyższej sprawności przetwornicy rozciąga się w zakresie od 0,2A do 2,5A. W tym zakresie przetwornica pracuje ze sprawnością powyżej 80%. Szytowa sprawność 87% została osiągnięta przy obciążeniu prądem 0,8A. Przetwornica słabo sobie radzi przy małych obciążeniach (<100mA).

Jestem zadowolony z regulacji napięcia wyjściowego. Przy braku obciążenia napięcie to jest wyższe o 65mV (+2%). Przy maksymalnym obciążeniu napięcie jest niższe od wymaganego o 19mV (-0.5%).

Dla napięcia wyjściowego 5V oczywiście sprawność będzie lepsza niż dla 3,3V.

 

5, Tętnienie napięcia (voltage ripple):
Tu niestety nie jestem już pewien czy dokonałem pomiarów prawidłowo.
Wg https://www.monolithicpower.com/output-voltage-ripple-measurement-and-reduction-for-dc-dc-voltage-regulators

oraz https://www.ti.com/lit/an/snva871/snva871.pdf

sposób podłączenia oscyloskopu ma duży wpływ na wynik pomiaru. Prawidłowo powinienem wlutować kabel ekranowany bezpośrednio na wyjście przetwornicy. Ja (z braku kabla i lenistwa) podłączyłem się do wyjścia BNC - Vmon z tyłu obciążenia elektronicznego. Więc prawdopodobnie pomiary do powtórzenia. Kolejnym razem użyję bezpośrednio sondy oscyloskopu ze "sprężynką" do masy na kondensatorze wyjściowym. Jeszcze muszę wymyśleć jak tą sondę unieruchomić w takiej pozycji.

Prąd 0.0A: - 93mV

Prąd 1.0A - 158mV

Prąd 2.0A - 202mV

Prąd 3.0A - 237mV

Wnioski: W aktualnym układzie na całkowitą amplitudę zmian napięcia największy wpływ mają zakłócenia wysokiej częstotliwości. Powtórzę te pomiary i zobaczę czy będzie potrzebny dodatkowy kondensator albo filtr. Jest też możliwość zastosowania regulatora napięcia za przetwornicą (obniży to jednak całkowitą sprawność układu - dropout voltage).
 

6. Obciążenie przejściowe (Transient load)

Do tego testu zaprogramowałem cykliczne obciążenie o następującej charakterystyce:
0.0A - 1 sekunda
3.0A - 1 sekunda

Powyżej widać spadek napięcia i szybkość reakcji przetwornicy przy przejściu z 0A na 3A. Jak widać przetwornica nie ma problemu z regulacją napięcia, który obawiałby się znacznym spadkiem napięcia, a później powolnym powrotem  zaraz po zwiększeniu obciążenia. W moim przypadku pod obciążeniem 3A napięcie spadło do wartości 3,27V i już na tym poziomie mniej więcej pozostało. Oczywiście piszę o wartości średniej i nie uwzględnia szumu.

PODSUMOWANIE:

Są to moje pierwsze poważne zabawy z przetwornicą DC/DC i czym bardziej się zgłębiam w temat tym jest "ciekawiej" W tym tempie pewnie nie prędko wykonam projekt zasilania do robota, ale na pewno wiele się nauczę. Oczywiście będę wdzięczny za wszelkie wskazówki bardziej doświadczonych kolegów co mógłbym jeszcze sprawdzić / pomierzyć / poprawić.

Pozdrawiam,
Marek

 

[Gieneq]

Ten post prosi się o przypięcie jako wzór jak należy robić pomiary, brać pod uwagę ograniczenia i wyciągać wnioski.  Wciąż świetny projekt, sukcesywnie do przodu, jakość wykonania godna pochwały. 

[MR1979]

Witam,

No i się wyjaśniło skąd zakłócenia na wyjściu modułu zasilania. Nie pochodzą one z samego modułu, lecz ich źródłem jest mój zasilacz laboratoryjny.... Oto dowód:

Żółta linia - Wyjście przetwornicy 3.3V
Niebieska linia - Zasilacz 15V

Wobec powyższego myślę że mogę zignorować te zakłócenia gdyż robot będzie zasilany z baterii.

Pozdrawiam,
Marek

 

Edytowano Grudzień 26, 2020 przez MR1979

[MR1979]

Witam,

Wykonałem kolejny moduł do prototypowania. Tym razem na 5V. Dodałem też rezystor pomiarowy.

Moduł został połączony z Nucleo z STM32L031 oraz wzmacniaczem INA2181. Zaimplementowałem też soft power button z wykorzystaniem trybu STANDBY mikrokontrolera. Pomiar prądu na linii 5V z wykorzystaniem ADC oraz DMA.

Poniżej filmik z testu linii 5V z ciągłym pomiarem prądu. Jako obciążenie podłączyłem RPi4 + wentylator. Wszystko działa bez problemu, a RPi działa stabilnie.

Wciąż czekam na pakiet baterii (już ponad miesiąc), i gdy tylko go dostanę to zabieram się za układ ładowania, oraz ostateczny schemat i projekt PCB.

Pozdrawiam,
Marek

[MR1979]

Witam!

Prace na chwilę ustały, bo czekałem na zamówiony pakiet baterii. Dziś w końcu doszedł:

Technologia: Li-Ion
Konfiguracja: 4S4P
Napięcie: 14,8V
Pojemność pakietu: 13,6Ah
Zastosowane Ogniwa: Panasonic NCR-18650B 3400mAh (16 sztuk)
Max prąd pakietu: 4,87A x 4 = 19.48A
Max prąd ładowania: 1625mA x 4 = 6500 mA
Mas napięcie ładowania: 4 x 4,2V = 16,8 V
Prąd odcięcia: 65mA x 4 = 260 mA
Wbudowany balancer oraz zabezpieczenie termiczne, przeciwzwarciowe, przed nadmiernym rozładowaniem itp, itd.
Wbudowany dodatkowy termistor do monitorowania temp pakietu (niektóre układy ładujące mają taką możliwość)
Waga: 800g.

Wciąż planuję wbudować w płytkę układ ładowania baterii. Dla bezpieczeństwa ograniczę jednak parametry ładowania:
Napięcie ładowania: 16,8V (to pozostanie bez zmian)
Prąd ładowania: 2A
Prąd odcięcia: 400mA (nie będę więc wykorzystywał max pojemności)

Teraz mogę dokończyć płytkę zasilającą robota, oraz kontynuować projekt konstrukcji mechanicznej (bo już znam ostateczne wymiary i masę pakietu).
 

[MR1979]

Witam!

Prace projektowe trwają. Właśnie ukończyłem projekt moduł chargera, który posłuży mi do prototypownia płytki zasilania oraz testów.
Tak jak jest pełno układów ładowania pod baterie 1S ze zintegrowanymi MOSFETami, tak pod 4S wybór jest bardzo ograniczony.

Ostatecznie zdecydowałem się na wersję rozbudowaną modułu ładowania i wybrałem układ Texas Instruments BQ25703A. Posiada on następujące parametry:

- Obsługuje wiele typów baterii (w tym Li-Ion i Li-Po)
- Konfiguracja Buck-Boost
- Interfejs I2C
- Pomiar wielu parametrów (w tym prąd / napięcie na wejściu oraz na baterii)
- Zintegrowany Power-Path
- Możliwość pracy w trybie OTG (czyli teoretycznie można dostarczyć napięcie z baterii na wejście zasilania)
- Różnego rodzaju wbudowane zabezpieczenia których parametry można programować
 

Układ jest bardzo rozbudowany, wymaga zewnętrznych tranzystorów MOSFET i w robocie na pewno nie będę wykorzystywał jego pełnych możliwości.
Moduł do prototypownia oraz biblioteki pod STM32 na pewno się przydadzą w przyszłości do innych projektów.

Poniżej rendery płytki PCB którą zaprojektowałem:

UWAGA: Na renderze jest model 3D cewki Bourns SRP7328 3,3uH, w rzeczywistości użyję Bourns SRP7050 2,2uH. Nie mogłem jednak nigdzie znaleźć prawidłowego modelu 3D.

Wymiary płytki to 55x33mm, więc niewiele.

Pozdrawiam,
Marek

 

Edytowano Styczeń 30, 2021 przez MR1979

[wn2001]

@MR1979 Gratuluję, jestem pod olbrzymim wrażeniem staranności i solidności Twojej pracy, podzielam zdanie Kolegi @Gieneq, iż faktycznie Twoje wpisy mogłyby stanowić wzór prawidłowo przeprowadzonych testów i pomiarów. Mam pytanie, przepraszam, że nieco naiwne - czy tak rozbudowane prace na torem zasilania, połączone z zamówieniem akumulatora i projektowaniem własnej przetwornicy mają aspekt czysto edukacyjny, czy bezpośrednio przemawia za tym jakiś aspekt "projektowy"? Rozumiem, że nie chcesz iść na skróty, skorzystać z gotowego Li-Pol'a i dedykowanej ładowarki oraz gotowych modułów-przetwornic?

Jeszcze raz - jestem pełen podziwu, trzymam kciuki za rozwój robota

[MR1979]

@wn2001 Faktycznie nie lubię iść na skróty i mam wiele pomysłów z których nie lubię rezygnować Zobaczymy czy mnie to nie zgubi i czy ukończę projekt W każdym razie niezależnie od wyników końcowych, ilość wiedzy i doświadczenia którą zdobędę przy tym projekcie jest ogromna i myślę że warto się czasem trochę zgłębić w temat i pokombinować. Mój synek z zainteresowaniem śledzi postępy nad projektem i to także daje motywację

Wszystkie moduły które tworzę przy okazji budowy robota (przetwornice, ładowarka, układy sterowania silnikiem) traktuję jako klocki, które będę mógł wykorzystać w kolejnych projektach. Tworzenie własnych modułów ma jedną ważną zaletę: mogę je później razem zintegrować na pojedynczej płytce, co nie zawsze jest możliwe przy gotowych modułach bo albo brakuje dokumentacji, albo części są niedostępne, albo specyfikacja nie taka jak potrzebujemy. A to jest ważne jeżeli chcę na końcu uzyskać estetyczny projekt w ładnej obudowie. Estetyka jest dla mnie ważna.

Dla przykładu przy poprzednim projekcie (Mini konsolka na STM32) także stworzyłem moduł zasilania oraz zarządzania baterią od podstaw. Teraz ten moduł mogę wykorzystać w każdym kolejnym projekcie gdzie zasilanie jest z baterii 1S. Gdybym korzystał z gotowych modułów konsolka nie byłaby tak funkcjonalna i na pewno nie dał bym rady umieścić jej w estetycznej obudowie.

Pozdrawiam i dzięki za zainteresowanie projektem.

Pozdrawiam,
Marek

[MR1979]

Witam po przerwie

Ostatnio czas spędziłem głównie nad modułem ładowarki baterii którą chcę zintegrować z płytką zasilania:

1. PCB wykonane. Przed wysłaniem gerberów na produkcję wprowadziłem kilka zmian które zasugerowano mi na grupie KiCad na FB. Umieściłem najważniejsze kondensatory jak najbliżej IC. Ścieśniłem na ile to możliwe mosfety przetwornicy DC/DC. Dodałem LED informujący o stanie ładowarki.

2. Zmontowałem całą płytkę. Jest to chyba najtrudniejsza płytka jaką do tej pory składałem. Obudowa QNF-32 dała mi się we znaki i udało mi się zmontować płytkę dopiero za drugim razem. W pierwszym egzemplarzu spłonął (dosłownie) tranzystor podczas testów Po czymś takim laminat płytki został uszkodzony i naprawa nie wchodziła w grę. Przyczyną było zwarcie padów albo niedolutwany pad układu ładowarki. Teraz zamówiłem cienki grot 0,2mm do stacji oraz porządny topnik w żelu w strzykawce, więc w przyszłości może obejdzie się bez fajerwerków.

3. Zacząłem pisać bibliotekę do obsługi układu ładowania. Układem oraz pozostałymi funkcjami będzie sterować uC z rodziny STM32L0.

4. Testy modułu:

- Pierwsze testy zacząłem już podczas montażu. A więc każdy element po przylutowaniu sprawdzałem na potencjalne zwarcia. Nie jestem jednak w stanie sprawdzić niedolutowanych padów układu w obudowie QFN.
- Następnie sprawdziłem wszystkie główne wyjścia/wejścia układu na zwarcie
- Kolejnym testem było uruchomienie zasilania (bez podłączonej baterii) z ustawionym limitem prądu.
- Kolejnym testem sprawdziłem wydolność przetwornicy DC/DC. Do wyjścia modułu podłączyłem obciążenie elektroniczne i stopniowo zwiększałem obciążenie do 3A. Na wyjściu przetwornicy miałem stabilne 12,28V (zgodnie z dokumentacją układu). Temperatury na tranzystorach i cewce były akceptowalne, więc mogę uznać że 3A jest max prądem jakim mogę ładować baterię. Najbardziej nagrzewała się cewka (temp ustabilizowała się na poziomie 70C). Sprawdziłem też przebiegi na sygnałów sterujących tranzystory i wszędzie był ładny prostokątny przebieg z niewielkimi przeregulowaniami (tzw. overshoot).
- Następnie podłączyłem samą baterię bez zewnętrznego zasilania. Przetestowałem wydajność modułu do 10A. MOSFET-P który odpowiada za podłaczenie baterii do wyjścia praktycznie się nie nagrzewał. Większego obciążenia niż 10A z baterii nie przewiduję (to jest 150W przy 15V).
- Kolejnym testem było przetestowanie sterowania tzw power path. Czyli czy układ poradzi sobie z płynnym przejściem z zasilania zewnętrznego na bateryjne i odwrotnie.
- Ostatni testem było jednoczesne podłączenie baterii i zasilania oraz przetestowania ładowania. Układ radził sobie dobrze z ładowaniem baterii i płynnie przechodził z trybu CC na CV.

Poniżej kilka fotek:

Na ostatniej fotce informacje których dostarcza mi sam układ ładowania.

Wnioski:

- W stosunku do pierwotnych założeń układ ładowania wbudowany w robota będzie mógł ładować baterię prądem 2,5 do 3A.
- W robocie będzie wbudowana mechaniczna wentylacja - wentylator 5V
- Po doczytaniu kilku publikacji o bateriach Li-Ion oraz kilku próbnych ładowaniach zasilaczem laboratoryjnym, uznałem że będę się trzymał zasady żeby zakończyć ładowanie gdy prąd ładowania spadnie do zakresu 1/10 do 1/20 pojemności pakietu. W moim przypadku przy całkowitej pojemności 13200mAh, będzie to między 1,3A a 0,66A. Uznałem że granica na poziomie 1A będzie dobrym kompromisem na początek.
- Ponieważ płytka zasilania będzie w pobliżu baterii, uznałem że ze względu bezpieczeństwa musi być ona odwrócona stroną bez komponentów w stosunku do baterii. W ten sposób ewentualne uszkodzenie tranzystorów lub układów przetwornic nie spowoduje uszkodzenia obudowy pakietu baterii, bo będą oddzielone warstwą laminatu.
- W finalnej płytce zasilania robota zaimplementuje zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem zasilania zewnętrznego (oparte na mosfecie), oraz 8A bezpiecznik polimerowy na wejściu baterii. Rozważam też dodanie dodatkowych zabezpieczeń ESD na wejściu zasilania zewnętrznego (nigdy tego nie robiłem, więc będzie ciekawy temat do rozważenia)

Pozdrawiam,
Marek

[Wrodarek]

Marku, twój projekt powinien być lekturą obowiązkową dla uczniów i studentów. Z przyjemnością przypominam sobie zasady, które Ty stosujesz. Ja je często, z lenistwa, zaniedbuję.  Ale dziś obiecuję, że dokończę, przynajmniej kilka rozgrzebanych projektów i będę czekał na kolejne twoje.
Pozdrawiam Darek

[MR1979]

Witam,

Ostatnie dwa dni to rysowanie schematu płytki zasilania robota. Ciekawe czy uda mi się to wszystko zmieścić na laminat W razie czego jest plan awaryjny że nie uwzględnię linii zasilania o zmiennym napięciu (regulowanym potencjometrem). Niemniej jednak jestem optymistą, bo na podstawie powierzchni modułów do prototypownia które już wykonałem mam pewną orientację ile będą zajmować poszczególne obwody.

Poniżej schemat:

Uwagi:

- Na płytce będzie zworka pozwalająca obejść całkowicie power-path oraz układ ładowania. Także w razie czego będę mógł polutować PCB bez modułu ładowarki.

- Złącze SWD będzie miało identyczną konfigurację jak w płytce do sterowania silnikami i serwo, którą już wykonałem.

 

Plan na kolejne dni:

- Jeszcze raz wszystko sprawdzić i porównać z datasheets. Szczególnie przyporządkowanie połączeń do nóżek uC.

- Przyporządkować foot printy

- Zaprojektować PCB

- Ukończyć oprogramowanie

Także jeszcze duuuużo roboty przede mną

Pozdrawiam,
Marek

 

 

[MR1979]

Projekt płytki gotowy. Udało się zmieścić wszystkie układy na płytce, choć nie było to łatwe.

Pozdrawiam,
Marek