Публикация была переведена автоматически. Исходный язык: Русский
Разработка масштабируемого многофазного преобразователя постоянного тока с малыми пульсациями с цифровой системой управления. Часть 2: Железо, софт и расчёт силовой части
В первой части я рассказал, как пришёл к идее построить DC/DC преобразователь 24В→1В 100А на ПЛИС и почему выбрал Altera MAX 10. Теперь перехожу к практике. Эта статья — о том, какое оборудование и софт реально нужны для такого проекта, а также о конкретных расчётах силовой части, с которых я начал.
Программное обеспечение
Первое, что нужно сделать, — это подготовить рабочее место, установить все необходимые программы и подготовить компоненты. Для этого проекта понадобятся пять программ[4]:
Quartus Prime Lite Edition 23.1std — среда разработки от Intel для проектирования на ПЛИС. Используется для написания и компиляции HDL-кода, создания проекта, разводки пинов, синтеза и прошивки ПЛИС. Лицензия бесплатная для устройств MAX 10. Мой опыт: первые два дня ушли на то, чтобы разобраться с интерфейсом и привязать проект к конкретной плате EK-10M08E144. Совет: сразу ищите готовый шаблон для вашей платы или создавайте проект с нуля под свой кристалл.
Eclipse IDE + Nios II Software Build Tools (SBT) — среда разработки для встроенного процессора Nios II, который можно реализовать внутри ПЛИС. Eclipse позволяет писать, компилировать и отлаживать программы на C/C++ для работы с аппаратной частью проекта. Устанавливается как опция вместе с Quartus Prime. Обратите внимание: для установки Eclipse IDE сначала необходимо установить Quartus Prime. Мой косяк: я думал, что это отдельная программа, но на самом деле Eclipse запускается из Tools → Nios II Software Build Tools for Eclipse.
PSIM — программа для моделирования силовой электроники. Используется для проверки расчётов до того, как плата уйдёт в производство. Позволяет собрать схему преобразователя, задать параметры ключей, дросселя, конденсаторов и увидеть осциллограммы токов и напряжений. Без PSIM я бы не заметил ошибку в расчёте индуктивности на раннем этапе.
Терминал (YAT / PuTTY) — программа для взаимодействия ПЛИС с компьютером через UART. Используется для вывода отладочной информации, передачи данных и проверки работы системы в реальном времени. Я использовал YAT (Yet Another Terminal) — бесплатный, с русским интерфейсом, не требует установки. Без терминала вы слепы: устройство должно говорить с вами, иначе отладка превращается в гадание.
Подсистема Linux (WSL / Cygwin) — используется как программная среда для корректной работы инструментов разработки Nios II EDS. Через нее обеспечивается выполнение утилит командной строки (сборка, компиляция и отладка проектов на Nios II) внутри Windows. Некоторые утилиты Nios II EDS требуют bash-окружения, под Windows они работают только через эмулятор. Можно использовать WSL (Windows Subsystem for Linux) или встроенный Cygwin от Intel. Я выбрал WSL — он стабильнее.
Обратите внимание: все вышеуказанные ссылки предназначены для Windows.
Железо: что реально понадобится на столе
Подготавливаем рабочее место, собираем всё необходимое оборудование и компоненты. Для этого проекта понадобятся следующие устройства:
Отладочный набор с ПЛИС — у меня это плата EK-10M08E144 на кристалле Altera MAX 10. Это сердце системы, без неё никак. Именно на ней будет генерироваться ШИМ, работать АЦП и выполняться управляющая программа на Nios II.
Программатор USB-Blaster V2 от Waveshare Electronics — устройство для прошивки и настройки ПЛИС Intel/Altera. С его помощью можно загружать проект в микросхему через интерфейс JTAG и сразу проверять работу схемы. Подключается к компьютеру по USB и работает вместе с Quartus Prime. Без него не обойтись при работе с платами на ПЛИС. Важно: без драйверов программатор может не заработать в Windows 11, пришлось искать старые версии драйверов и устанавливать их в режиме совместимости.
USB-UART адаптер на CH340G — последовательный порт для связи ПЛИС с компьютером. ПЛИС общается через UART, но USB-порта на отладочной плате нет, поэтому этот адаптер выполняет роль моста. Можно использовать и другие адаптеры на CP2102 или FT232RL, главное — чтобы они поддерживали скорость от 1 Мбит/с. Удобен для отладки и передачи данных.
Лабораторный блок питания (ЛБП) с двумя независимыми каналами — обязательная вещь. Один канал нужен для питания силовой части (24В), второй — для питания логики на макетках при отладке (5В или 3.3В).
Осциллограф — у меня Rigol DS1054Z (4 канала, 50 МГц). Без него вы слепы. На нём я смотрел форму ШИМ-сигналов с ПЛИС, измерял пульсации на выходе и искал, где просаживается напряжение.
Генератор аналогового сигнала — у меня PSG9080. Это компактный двухканальный генератор, который я выбрал из-за соотношения цены и возможностей. Частота дискретизации 300 Мвыборок/с, разрешение 14 бит, максимальная выходная частота до 20 МГц. Для моих задач (тестирование АЦП ПЛИС синусом 10 кГц) этого более чем достаточно.
Паяльная станция с феном — обязательна, потому что SMD-компоненты типа AO3409A или SI2304A обычным паяльником паять крайне неудобно. Также понадобятся стандартные расходники: припой, флюс, пинцет.
Когда рабочее место полностью обустроено, можно приступать к реализации проекта.
Переходим к расчётам [2]
Будем отталкиваться от примерных параметров из таблицы 1
Таблица 1 – Исходные данные
| Uвх.В | Uвых.В | Iвых.А | Iвых.макс А | f, кГц |
| 24 | 1 | 100 | 100+5% | 100 |
В таблице 1 приняты следующие сокращения:
Uвх –напряжение входа;
Uвых –напряжение выхода;
Iвых. – требуемый выходной ток;
Iвых.макс – требуемый максимальный выходной ток;
f – частота коммутирующая силовые ключи.
Расчёт понижающего преобразователя
а) Расчет коэффициента заполнения D 
б) Среднее значение тока дросселя
Численно определены пульсации тока дросселя
в) Величина индуктивности дросселя
г) Выходная ёмкость
действующие значения тока выходной емкости
д) Средние значения токов транзистора верхнего ключа
е) Средние значения токов транзистора нижнего ключа
ж) Амплитудное значение тока индуктивностиМоделирование преобразователя в однофазном режиме [3]
Чтобы проверить корректность расчётов, я использовал программу PSIM. Схема (рисунок 1) состоит из двух частей:
- генератор ШИМ для управления ключами;
- силовая часть: входное напряжение, ключи, LC-фильтр и нагрузка.
Рисунок 1 – Схема моделирования в Psim
Рисунок 2 – Диаграммы токов и напряженийТаблица 2 – Сравнение значений
| dUout, B | dIl1, A | Ivt1, A | Ivt2, A | |
| Расчетное | 0,25 | 15 | 4,24 | 95,83 |
| Моделирование | 0,23 | 15 | 4,09 | 96,57 |
Погрешность составила менее 5%, что подтверждает верность рассчитанных параметров.
Расчёт одного модуля в пятидесятифазном режиме
Поскольку полный ток 100А нужно распределить между 50 фазами, ток одной фазы составит 2А. Исходные данные для расчёта модуля приведены в таблице 3 Таблица 3 – Исходные данные
| Uвх.В | Uвых.В | Iвых.А | Iвых.макс А | f, кГц |
| 24 | 1 | 2 | 2+5% | 100 |
а)
Расчет коэффициента заполнения D
б) Среднее значение тока дросселя
Численно определены пульсации тока дросселя
в) Величина индуктивности дросселяЯ выбрал дроссель KSE-CD127/LDNP-390MC на 39 мкГн. Это даёт меньшие пульсации тока и нагрев, а также защищает от насыщения.
г) Выходная ёмкостьЯ установил четыре конденсатора TS18001V106K8TX00R по 10 мкФ (итого 40 мкФ). Это керамика с низким ESR и рабочим напряжением 35В.
действующие значения тока выходной емкости
д) Средние значения токов транзистора верхнего ключа
е) Средние значения токов транзистора нижнего ключаМоделирование 3 фаз
Поскольку моделировать 50 фаз в PSIM ресурсоёмко, я собрал трёхфазную модель (рисунок 3) как доказательство работоспособности многофазной топологии.
Рисунок 3 – Схема моделирования 3х фазного преобразователя в Psim
Рисунок 4 – Диаграммы токов и напряжения
Рисунок 5 – Диаграммы токов и напряженияИз диаграмм видно: ток на нагрузке имеет значительно меньшие пульсации по сравнению с пульсациями тока в каждом отдельном дросселе. Это и есть главное преимущество многофазной архитектуры — эффективное подавление выходных пульсаций без увеличения частоты переключения.
Выбор компонентов силовой части
Компоненты выбирались исходя из наличия широко используемых компонентов у заказчика.
Дроссель KSE-CD127/LDNP-390MC:
1. Индуктивность 39 мкГн.
2. Сопротивление 0,073 Ом.
3. Номинальный ток 2,75 А.
Конденсатор TS18001V106K8TX00R:
1. Емкость 10мкФ.
2. Номинальное напряжение 35В.
Верхний ключ AO3409A:
1. Максимальное напряжение сток-исток Uси, 30 В.
2. Максимальный ток сток-исток при 25 С Iси макс. 2,6 А.
3. Максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс. ±20 В.
4. Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс. 1,4 Вт.
5. Полное время на закрытие составляет 23,8 нс, на полное открытие 10,7нс суммарное время в переходном режиме составляет 34,5нс.
6. Сопротивление в открытом канале максимум 200 мОм.
Нижний ключ SI2304A:
1. Максимальное напряжение сток-исток Uси, 30 В.
2. Максимальный ток сток-исток при 25 С Iси макс. 3 А.
3. Максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс. ±20 В.
4. Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс. 1,25 Вт.
5. Полное время на закрытие составляет 47 нс, на полное открытие 36 нс суммарное время в переходном режиме составляет 83 нс.
6. Сопротивление в открытом канале максимум 50 мОм.
Выбор разных типов транзисторов обоснован: P-канал сверху упрощает управление, N-канал снизу даёт минимальные потери проводимости благодаря низкому Rds(on).
В следующей части я расскажу о разработке принципиальной схемы и трассировке печатной платы модуля, а также о том, с какими подводными камнями я столкнулся при силовой разводке.
Список литературы
- Деревятников, В. Многофазные преобразователи [Электронный ресурс] / В. Деревятников. — Электрон. дан. — Режим доступа: www.elcomdesign.ru, свободный.
- Исследуем работу понижающего синхронного DC-DC преобразователя и делаем полезные выводы [Электронный ресурс]. — Электрон. дан. — Режим доступа: https://www.ixbt.com/live/power/dc-dc-converter-with-synchronous-rectifier.html, свободный.
- Altera MAX 10 FPGA (10M08S, 144-EQFP) Evaluation Kit [Электронный ресурс] / Altera. — Электрон. дан. — Режим доступа: https://static.chipdip.ru/lib/214/DOC012214215.pdf, свободный.
- Коспанов, Т. Передача данных с АЦП ПЛИС Altera Max 10 на ПК. Часть 1 [Электронный ресурс] / Т. Коспанов. — Астана: Astana Hub, 2025. — Режим доступа: https://astanahub.com/ru/blog/peredacha-dannykh-s-atsp-plis-altera-max-10-na-pk-chast-21760615739, свободный.
- Коспанов, Т. Передача данных с АЦП ПЛИС Altera Max 10 на ПК. Часть 2 [Электронный ресурс] / Т. Коспанов. — Астана: Astana Hub, 2025. — Режим доступа: https://astanahub.com/ru/blog/razrabotka-po-dlia-plis1756626565, свободный.
Разработка масштабируемого многофазного преобразователя постоянного тока с малыми пульсациями с цифровой системой управления. Часть 2: Железо, софт и расчёт силовой части
В первой части я рассказал, как пришёл к идее построить DC/DC преобразователь 24В→1В 100А на ПЛИС и почему выбрал Altera MAX 10. Теперь перехожу к практике. Эта статья — о том, какое оборудование и софт реально нужны для такого проекта, а также о конкретных расчётах силовой части, с которых я начал.
Программное обеспечение
Первое, что нужно сделать, — это подготовить рабочее место, установить все необходимые программы и подготовить компоненты. Для этого проекта понадобятся пять программ[4]:
Quartus Prime Lite Edition 23.1std — среда разработки от Intel для проектирования на ПЛИС. Используется для написания и компиляции HDL-кода, создания проекта, разводки пинов, синтеза и прошивки ПЛИС. Лицензия бесплатная для устройств MAX 10. Мой опыт: первые два дня ушли на то, чтобы разобраться с интерфейсом и привязать проект к конкретной плате EK-10M08E144. Совет: сразу ищите готовый шаблон для вашей платы или создавайте проект с нуля под свой кристалл.
Eclipse IDE + Nios II Software Build Tools (SBT) — среда разработки для встроенного процессора Nios II, который можно реализовать внутри ПЛИС. Eclipse позволяет писать, компилировать и отлаживать программы на C/C++ для работы с аппаратной частью проекта. Устанавливается как опция вместе с Quartus Prime. Обратите внимание: для установки Eclipse IDE сначала необходимо установить Quartus Prime. Мой косяк: я думал, что это отдельная программа, но на самом деле Eclipse запускается из Tools → Nios II Software Build Tools for Eclipse.
PSIM — программа для моделирования силовой электроники. Используется для проверки расчётов до того, как плата уйдёт в производство. Позволяет собрать схему преобразователя, задать параметры ключей, дросселя, конденсаторов и увидеть осциллограммы токов и напряжений. Без PSIM я бы не заметил ошибку в расчёте индуктивности на раннем этапе.
Терминал (YAT / PuTTY) — программа для взаимодействия ПЛИС с компьютером через UART. Используется для вывода отладочной информации, передачи данных и проверки работы системы в реальном времени. Я использовал YAT (Yet Another Terminal) — бесплатный, с русским интерфейсом, не требует установки. Без терминала вы слепы: устройство должно говорить с вами, иначе отладка превращается в гадание.
Подсистема Linux (WSL / Cygwin) — используется как программная среда для корректной работы инструментов разработки Nios II EDS. Через нее обеспечивается выполнение утилит командной строки (сборка, компиляция и отладка проектов на Nios II) внутри Windows. Некоторые утилиты Nios II EDS требуют bash-окружения, под Windows они работают только через эмулятор. Можно использовать WSL (Windows Subsystem for Linux) или встроенный Cygwin от Intel. Я выбрал WSL — он стабильнее.
Обратите внимание: все вышеуказанные ссылки предназначены для Windows.
Железо: что реально понадобится на столе
Подготавливаем рабочее место, собираем всё необходимое оборудование и компоненты. Для этого проекта понадобятся следующие устройства:
Отладочный набор с ПЛИС — у меня это плата EK-10M08E144 на кристалле Altera MAX 10. Это сердце системы, без неё никак. Именно на ней будет генерироваться ШИМ, работать АЦП и выполняться управляющая программа на Nios II.
Программатор USB-Blaster V2 от Waveshare Electronics — устройство для прошивки и настройки ПЛИС Intel/Altera. С его помощью можно загружать проект в микросхему через интерфейс JTAG и сразу проверять работу схемы. Подключается к компьютеру по USB и работает вместе с Quartus Prime. Без него не обойтись при работе с платами на ПЛИС. Важно: без драйверов программатор может не заработать в Windows 11, пришлось искать старые версии драйверов и устанавливать их в режиме совместимости.
USB-UART адаптер на CH340G — последовательный порт для связи ПЛИС с компьютером. ПЛИС общается через UART, но USB-порта на отладочной плате нет, поэтому этот адаптер выполняет роль моста. Можно использовать и другие адаптеры на CP2102 или FT232RL, главное — чтобы они поддерживали скорость от 1 Мбит/с. Удобен для отладки и передачи данных.
Лабораторный блок питания (ЛБП) с двумя независимыми каналами — обязательная вещь. Один канал нужен для питания силовой части (24В), второй — для питания логики на макетках при отладке (5В или 3.3В).
Осциллограф — у меня Rigol DS1054Z (4 канала, 50 МГц). Без него вы слепы. На нём я смотрел форму ШИМ-сигналов с ПЛИС, измерял пульсации на выходе и искал, где просаживается напряжение.
Генератор аналогового сигнала — у меня PSG9080. Это компактный двухканальный генератор, который я выбрал из-за соотношения цены и возможностей. Частота дискретизации 300 Мвыборок/с, разрешение 14 бит, максимальная выходная частота до 20 МГц. Для моих задач (тестирование АЦП ПЛИС синусом 10 кГц) этого более чем достаточно.
Паяльная станция с феном — обязательна, потому что SMD-компоненты типа AO3409A или SI2304A обычным паяльником паять крайне неудобно. Также понадобятся стандартные расходники: припой, флюс, пинцет.
Когда рабочее место полностью обустроено, можно приступать к реализации проекта.
Переходим к расчётам [2]
Будем отталкиваться от примерных параметров из таблицы 1
Таблица 1 – Исходные данные
| Uвх.В | Uвых.В | Iвых.А | Iвых.макс А | f, кГц |
| 24 | 1 | 100 | 100+5% | 100 |
В таблице 1 приняты следующие сокращения:
Uвх –напряжение входа;
Uвых –напряжение выхода;
Iвых. – требуемый выходной ток;
Iвых.макс – требуемый максимальный выходной ток;
f – частота коммутирующая силовые ключи.
Расчёт понижающего преобразователя
а) Расчет коэффициента заполнения D б) Среднее значение тока дросселяЧисленно определены пульсации тока дросселяв) Величина индуктивности дросселяг) Выходная ёмкостьдействующие значения тока выходной емкостид) Средние значения токов транзистора верхнего ключае) Средние значения токов транзистора нижнего ключаж) Амплитудное значение тока индуктивностиМоделирование преобразователя в однофазном режиме [3]
Чтобы проверить корректность расчётов, я использовал программу PSIM. Схема (рисунок 1) состоит из двух частей:
- генератор ШИМ для управления ключами;
- силовая часть: входное напряжение, ключи, LC-фильтр и нагрузка.
Рисунок 1 – Схема моделирования в PsimРисунок 2 – Диаграммы токов и напряженийТаблица 2 – Сравнение значений
| dUout, B | dIl1, A | Ivt1, A | Ivt2, A | |
| Расчетное | 0,25 | 15 | 4,24 | 95,83 |
| Моделирование | 0,23 | 15 | 4,09 | 96,57 |
Погрешность составила менее 5%, что подтверждает верность рассчитанных параметров.
Расчёт одного модуля в пятидесятифазном режиме
Поскольку полный ток 100А нужно распределить между 50 фазами, ток одной фазы составит 2А. Исходные данные для расчёта модуля приведены в таблице 3 Таблица 3 – Исходные данные
| Uвх.В | Uвых.В | Iвых.А | Iвых.макс А | f, кГц |
| 24 | 1 | 2 | 2+5% | 100 |
а)
Расчет коэффициента заполнения Dб) Среднее значение тока дросселяЧисленно определены пульсации тока дросселяв) Величина индуктивности дросселяЯ выбрал дроссель KSE-CD127/LDNP-390MC на 39 мкГн. Это даёт меньшие пульсации тока и нагрев, а также защищает от насыщения.
г) Выходная ёмкостьЯ установил четыре конденсатора TS18001V106K8TX00R по 10 мкФ (итого 40 мкФ). Это керамика с низким ESR и рабочим напряжением 35В.
действующие значения тока выходной емкостид) Средние значения токов транзистора верхнего ключае) Средние значения токов транзистора нижнего ключаМоделирование 3 фаз
Поскольку моделировать 50 фаз в PSIM ресурсоёмко, я собрал трёхфазную модель (рисунок 3) как доказательство работоспособности многофазной топологии.
Рисунок 3 – Схема моделирования 3х фазного преобразователя в PsimРисунок 4 – Диаграммы токов и напряженияРисунок 5 – Диаграммы токов и напряженияИз диаграмм видно: ток на нагрузке имеет значительно меньшие пульсации по сравнению с пульсациями тока в каждом отдельном дросселе. Это и есть главное преимущество многофазной архитектуры — эффективное подавление выходных пульсаций без увеличения частоты переключения.
Выбор компонентов силовой части
Компоненты выбирались исходя из наличия широко используемых компонентов у заказчика.
Дроссель KSE-CD127/LDNP-390MC:
1. Индуктивность 39 мкГн.
2. Сопротивление 0,073 Ом.
3. Номинальный ток 2,75 А.
Конденсатор TS18001V106K8TX00R:
1. Емкость 10мкФ.
2. Номинальное напряжение 35В.
Верхний ключ AO3409A:
1. Максимальное напряжение сток-исток Uси, 30 В.
2. Максимальный ток сток-исток при 25 С Iси макс. 2,6 А.
3. Максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс. ±20 В.
4. Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс. 1,4 Вт.
5. Полное время на закрытие составляет 23,8 нс, на полное открытие 10,7нс суммарное время в переходном режиме составляет 34,5нс.
6. Сопротивление в открытом канале максимум 200 мОм.
Нижний ключ SI2304A:
1. Максимальное напряжение сток-исток Uси, 30 В.
2. Максимальный ток сток-исток при 25 С Iси макс. 3 А.
3. Максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс. ±20 В.
4. Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс. 1,25 Вт.
5. Полное время на закрытие составляет 47 нс, на полное открытие 36 нс суммарное время в переходном режиме составляет 83 нс.
6. Сопротивление в открытом канале максимум 50 мОм.
Выбор разных типов транзисторов обоснован: P-канал сверху упрощает управление, N-канал снизу даёт минимальные потери проводимости благодаря низкому Rds(on).
В следующей части я расскажу о разработке принципиальной схемы и трассировке печатной платы модуля, а также о том, с какими подводными камнями я столкнулся при силовой разводке.
Список литературы
- Деревятников, В. Многофазные преобразователи [Электронный ресурс] / В. Деревятников. — Электрон. дан. — Режим доступа: www.elcomdesign.ru, свободный.
- Исследуем работу понижающего синхронного DC-DC преобразователя и делаем полезные выводы [Электронный ресурс]. — Электрон. дан. — Режим доступа: https://www.ixbt.com/live/power/dc-dc-converter-with-synchronous-rectifier.html, свободный.
- Altera MAX 10 FPGA (10M08S, 144-EQFP) Evaluation Kit [Электронный ресурс] / Altera. — Электрон. дан. — Режим доступа: https://static.chipdip.ru/lib/214/DOC012214215.pdf, свободный.
- Коспанов, Т. Передача данных с АЦП ПЛИС Altera Max 10 на ПК. Часть 1 [Электронный ресурс] / Т. Коспанов. — Астана: Astana Hub, 2025. — Режим доступа: https://astanahub.com/ru/blog/peredacha-dannykh-s-atsp-plis-altera-max-10-na-pk-chast-21760615739, свободный.
- Коспанов, Т. Передача данных с АЦП ПЛИС Altera Max 10 на ПК. Часть 2 [Электронный ресурс] / Т. Коспанов. — Астана: Astana Hub, 2025. — Режим доступа: https://astanahub.com/ru/blog/razrabotka-po-dlia-plis1756626565, свободный.
Поделиться
