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Introdução a Digital Power com os processadores STM32F334 - Parte I

digital power conversor boost

Olá caro leitor, depois de um mês bem corrido é hora de retomar um bom artigo, e como muitos já devem ter percebido, esse que vos escreve possui uma certa "atração" por tópicos que envolvam controle digital. Bem, nessa nova série iremos apresentar mais um "branch" desse vasto mundo onde tudo é controlado por um circuito digital, falo de Digital Power. Sim, quem leu a série de artigos sobre conversores DC-DC utilizando microcontroladores vai certamente se interessar sobre o que vamos escrever. Na série anterior apresentamos (ou ao menos tentamos!) apresentar o conceito de controle de conversores estáticos utilizando um microcontrolador de baixo custo, onde o nosso experimento final resultou no uso de um Arduino. 

Nesta série vamos nos aprofundar um pouco mais no assunto, na verdade iremos explorar outros tipos de conversores estáticos. Muitos deles utilizados em tecnologia como veículos híbridos, fontes de alimentação inteligentes, controle de luminosidade via LED, corretor de fator de potência, porém com um ponto em comum entre todas essas e outras aplicações de eletrônica de potência, o controle é feito por um circuito digital, um microcontrolador por exemplo, o que podemos chamar de Digital Power.

Como esse que vos escreve prefere apresentar mais que contas, cálculos e referências de leitura, mostraremos no decorrer da série experimentos práticos em uma ferramenta de desenvolvimento. Nesse ponto entra o processador do título desse artigo, o STM32F334. A empresa STMicroelectronics gentilmente nos cedeu uma placa de desenvolvimento STM32F334 Discovery para que possamos apresentar os experimentos de controle digital de conversores.

Introdução, o conceito de Digital Power

Fontes de alimentação comutadas, sistemas UPS (os conhecidos Nobreaks), sistemas de iluminação, veículos híbridos, controladores de motores sem escovas, inversores tie grid (aqueles usados com células solares), e tantos outros disposistivos similares possuem um ponto comum, a presença de algum conversor estático (os populares DC-DC ou AC-DC) nas mais variadas topologias. Variando desde um circuito step down ou buck até topologias compexas como conversão em ponte completa e técnicas de chaveamento para melhoria de eficiência e segurança. Tradicionalmente um conversor estático desses equipamentos é dotado de um circuito de controle que busca o melhor ponto de operação do conversor dadas condições de carga desejadas. Esses circuitos de controle trazem também um ponto em comum a todos esses equipamentos, o de serem em grande maioria implementados baseados em alguma solução analógica, podendo variar de um modulador auto-oscilante até um complexo circuito integrado específico. Tomemos um exemplo clássico, vejamos um circuito boost operando como corretor de fator de potência ativo.

digital power: boost para correção do fator de potência
Figura 1 : Circuito tipico para correção de fator de potência.

Podemos observar que o circuito contém os elementos típicos de um conversor estático de potência. É controlado por um circuito integrado de uso específico, contendo todas as funções internas necessárias para implementar a correção de fator de potência, porém de forma analógica, ou seja, tendo uma gama limitada de aplicações. A desvantagem é óbvia, flexibilidade e reuso do projeto. Agora, da mesma forma que vimos na série de artigos sobre Software Defined Radio, consideremos a possibilidade de substituir o circuito analógico de controle por um processador digital de sinais, contendo em sua memória um algoritmo capaz de realizar a função similar do integrado analógico de controle. Na figura 2 temos um exemplo utilizando um conversor do tipo half bridge

digital power: digital controlled half bridge
Figura 2 : Corretor de fator de potência digital

Vejamos que o circuito em sí mudou bastante, a topologia é diferente do primeiro exemplo, porém a malha de controle funciona de forma similar com dois loops de controle, um pra corrente e outro para tensão. Porém poderíamos aproveitar o mesmo processador para controlar um circuito em topologia buck ou boost simplesmente reprogramando o processador, assim ganhando flexibilidade e menor espaço em placa. Assim podemos encerrar esse tópico definindo Digital Power ou Digital Power Conversion como sendo um circuito eletrônico de potência que utiliza-se de um processador digital para efetuar o controle de operação em tempo real desse, em toda e qualquer condição de carga.

Digital Power Conversion na prática com a STM32F334 Discovery

Com a queda de preço de processadores digitais de sinais e dos populares híbridos, os controladores digitais de sinais, esse que vôs escreve teve sua atenção chamada pela STMicroelectronics com a sua série de microcontroladores ARM voltados para Digital Power. A linha STM32F334 possui periféricos fantásticos para uso em controle digital. Além do poderoso núcleo ARM Cortex-M4 de 72MHz e unidade de ponto flutuante, esse pequeno notável possui as seguintes características: 

  •   HRTIM - Timer de alta resolução para controle digital (217 ps!);
  •   Até 10 canais de PWM com o HRTIM;
  •   Até 5 canais de captura utilizando o HRTIM;
  •   Timer de 6 canais para controle de motores;
  •   Até 2 conversores A/D de 12 bits com taxa de amostragem a incríveis 5MSPS;
  •   Até 3 conversores D/A de 12 bits;
  •   3 comparadores ultra rápidos, além de um amplificador operacional; 
  •   Interfaces de comunicação CAN, I2C e USART. 

Além desses periféricos, esses microcontroladores possuem memória de programa de 64Kbytes, além de 12Kbytes de memória SRAM e um extra, o routine booster. Essa última é uma área de memória RAM de 4Kbytes conectada diretamente aos barramentos I-Code e D-Code do microcontrolador, garantindo rápido acesso e evitando, assim, uma transação entre processador e o Bus Matrix, algo desejável para construção de funções para execução de algoritmos de controle.

A ST oferece também uma ferramenta de desenvolvimento para prática de experiências em Digital Power de baixo custo levando o título das já conhecidas Discovery, a STM32F334-DISCO, que pode ser vista na imagem abaixo: 

Digital power: stm32f3348 discovery
Figura 3 : STM32F334 - DISCO

Essa ferramenta permite explorar os periféricos especiais para Digital Power como o HRTIM, os conversores A/D, comparadores e PGA, trazendo dois circuitos preparados para que o processador controle, sendo eles:  

  • Um conversor buck para controle de intensidade de luz contendo um LED de alto brilho;
  • Uma estrutura de conversor buck/boost permitindo implementar algumas topologias interessantes.

Além disso a placa traz periféricos de uso geral, como leds, botões e a tradicional interface para debug e programação STLINK-V2. A ST gentilmente nos cedeu uma dessas placas, com a qual iremos explorar, ao longo desta série, os conceitos de controle digital em circuitos de potência utilizando software de tempo real, combinado com o poderoso conjunto de periféricos oferecidos nesses pequenos notáveis micros.

A ideia desse primeiro artigo foi trazer o conceito de controle digital de conversores, e trazer uma ferramenta de baixo custo para esse tipo de aplicação. Nos próximos artigos daremos os primeiros passos para colocar a placa para funcionar, exploraremos os periféricos primeiro para, em seguida, combinar técnicas de controle digital. Então é isso, até a próxima!

Referências

Datasheet do STM32F334

Manual de referência do STM32F334

Manual da placa de desenvolvimento Discovery

Página da placa Discovery com a lista de distribuidores para compra

Outros artigos da série

Digital Power com STM32F334 - Conversor Buck para controle de LED de alto brilho - Parte II >>
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Juan Carlos Rodríguez SilvaRafael Gebert Comentários recentes
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Juan Carlos Rodríguez Silva
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Juan Carlos Rodríguez Silva

Hola!!

Excelente artículo. Estoy trabajando con esta placa y tus notas me han resultado muy útiles.

Sólo quería comentarte que el link que tienes del "Reference Manual" ya no está activo. El nuevo link es el siguiente:

http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manual/71/30/2e/f3/20/5b/46/c1/DM00093941.pdf/files/DM00093941.pdf/jcr:content/translations/en.DM00093941.pdf

También lo puedes ver aquí:

resourceCategory=technical_literatureresourceType=reference_manual" rel="nofollow ugc">http://www.st.com/content/st_com/en/support/resources/resource-selector.html?querycriteria=productId=LN1820resourceCategory=technical_literatureresourceType=reference_manual

Espero que los links sirvan. En caso de que no, es fácil encontrarlo en Google. O envíame un correo y te lo mando.

Un saludo!! 🙂

Rafael Gebert
Visitante
Rafael Gebert

Excelente artigo Felipe! Já participei de um projeto PFC utilizando dsPIC e realmente é impressionante como o hardware fica simplificado além da flexibilidade (conforme você já comentou no artigo). Parabéns!

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