1. Leadless Remote Sensing bij Programmeerbare DC Power Supplies.
René Bos, T&M Consultant TT&MS BV
Control loop modulatie maakt DC power supplies geschikt voor het emuleren van verschillende
DC bronnen waarbij valt te denken aan de emulatie van Batterijen, Accu’s, brandstof cellen en
zonnepanelen. Een bijzonder interessante, maar veel minder bekende toepassing, welke met
control loop modulatie mogelijk wordt is de zogenaamde Leadless Remote Sensing.
Remote sensing wordt gebruikt om spanningsverliezen in de bekabeling te compenseren. Dit door
naast de standaard bekabeling extra bedrading voor het sensing circuit aan te leggen. De regeling
in het power supply is dan gebaseerd op de spanning over de belasting en niet op de spanning
direct aan de uitgang van het power supply. Op deze manier maakt de bekabeling deel uit van de
control loop en wordt de gewenste spanning over de belasting gegarandeerd. Maar in lang niet
elke situatie is het praktisch of mogelijk om extra bedrading aan te leggen. Wat te denken van de
zogenaamde ROV’s (remote operating vehicles) waarbij afstanden van een paar honderd meter tot
zelfs kilometers geen uitzondering zijn…..

2. INTRODUCTIE
De eigenschappen van DC laboratorium power supplies zijn de laatste jaren aan behoorlijke
veranderingen onderhevig. Van ideale spanningsbron of ideale stroombron zijn er meer en meer
toepassingen welke een instelbare of programmeerbare uitgangskarakteristiek verlangen. Deze
toepassingen verlangen een DC emulatie met een hogere bandbreedte en een betere response tijd.
Vandaag de dag eisen engineers DC power supplies met een programmeerbare flexibiliteit van de
uitgangskarakteristiek voor de alsmaar veranderde toepassingen. De relatie tussen spanning en
stroom, DC profielen, interfacing, een hogere bandbreedte, veilige remote sensing en een
diversiteit aan programmeerbare functies zijn nodig om te voldoen aan de huidige eisen.
MODULATIE van de CONTROL LOOP
Magna-Power Electronics introduceerde ongeveer 10 jaar geleden voor het eerst de mogelijkheid
tot modulatie. Modulatie regelt de instelling voor spanning of stroom via een andere ingang
waarop b.v. een thermistor of een andere externe bron is aangesloten. In combinatie met software
zijn geavanceerde rekenkundige methodes beschikbaar voor de realisatie van, het door de
gebruiker, gedefinieerde uitgangsprofiel.
Figuur 1 illustreert een blokdiagram van een power supply welke gebruik maakt van een voltage
control regeling, waarbij het verloop van de uitgangsstroom wordt gebruikt voor de modulatie
ingang. Deze gesloten loop is zo geconfigureerd dat deze de uitgangsspanning reguleert in relatie
tot de uitgangsspanning van de D/A convertor, Vx. De D/A convertor heeft 2 ingangen, Vref and
VMOD, en programmering van de microprocessor bepaald hoe het uitgangssignaal varieert a.g.v.
de beide ingangen. Vref is de voltage referentie ingang en VMOD is de modulatie ingang.
Figure 1 Blok Diagram van een Power Supply met Modulation
Modulatie kan worden geïntroduceerd in de control loop door een variabele op te tellen bij het
setpoint of door deze met elkaar te vermenigvuldigen. Optel functies zijn te gebruiken voor de
Introductie van serie en parallel impedanties en vermenigvuldigings functies zijn bruikbaar voor
het regelen van spanning en stroombronnen.

3. Tabel 1 beschrijft de 4 alternatieven: Control Input 1 en 2 voor het regelen van de spanning en
stroom en Functie type 0 en 1 voor vermenigvuldiging en optel functies zoals;
Table 1 Modulation function types
Control
Input
Function Type
0 1
1 [ ] [ ]
2 [ ] [ ]
Notes:
1) Vo is de regelbare uitgangsspanning als functie van de modulatie operator
2) Io is de regelbare uitgangsstroom als functie van de modulatie operator
3) Vref is de setpoint referentie voor de spanning
4) Iref is de setpoint referentie voor de stroom
5) VMOD is de setpoint spanning voor de modulatie
6) Gv is de versterking (gain) welke is gedefinieerd bij de full scale uitgangsspanning, Vofs,
gedeeld door de maximale setpoint referentie voor de spanning, Vrefm
7) Gi is de versterking (gain) welke is gedefinieerd bij de full scale uitgangsstroom, Iofs, gedeeld
door de maximale setpoint referentie voor de stroom, Irefm
Mod(VMOD), modulatie, kan worden uitgedrukt als een constante of andere numerieke operator.
Magna-Power heeft gekozen voor een gebruikersvriendelijke methode op basis van een op een
tabel gebaseerd algoritme. Deze numerieke methode maakt lineaire en niet lineaire modulatie
mogelijk door in de tabel verschillende constanten te definiëren.
Table 2 en de resulterende curve in Figure 2 illustreert een eenvoudig voorbeeld van een Functie
Type 0 modulatie toegepast op een 100 V, 150 A DC power supply. In dit voorbeeld is het power
supply geprogrammeerd om een constant vermogen te leveren. De stroom, Io, wordt gebruikt als
de operator voor Mod. In dit voorbeeld wordt Io gemonitord en gebruikt op de programmeer of
modulatie input, VMOD. Zoals geïllustreerd is de reactie van VMOD lineair tot de stroom.
[ ] (1)
(2)
(3)
Vermenigvuldig beide zijden van de vergelijking 1 door Io
(4)
⁄ ⁄ (5)

4. Table 2 voorbeeld modulatie tabel (functie type 0)
Row
VMOD
(Vdc) Mod
Vo
(Vdc)
Io
(Adc)
Po
(W)
1
2
3
4
5
6
2.50
2.94
3.57
4.55
6.25
10.00
1.000
0.850
0.700
0.550
0.400
0.250
100.00
85.00
70.00
55.00
40.00
25.00
37.50
44.12
53.57
68.18
93.75
150.00
3750.00
3750.00
3750.00
3750.00
3750.00
3750.00
De volledige curve wordt verkregen door lineaire benadering en interpolatie van de punten tussen
de, in ons voorbeeld, 6 geprogrammeerde punten. Als voorbeeld, Vo is 77.5 Vdc als de stroom
48,85 ampère bedraagt. De nauwkeurigheid bij de benadering van de tussenliggende punten
verbeterd wanneer er meer datapunten beschikbaar zijn.
Figure 2 Curve defined in Table 2

5. UITDAGINGEN BIJ CONTROL LOOP MODULATION
Hardware beperkingen
Modulatie, zoals hierboven beschreven maakt het mogelijk om met een DC power supply
emulaties te doen van b.v. een zonnepanel, batterijen of een brandstof cel. Het dynamisch gedrag
in deze applicaties vereist een hogere frequentie response dan menig standaard DC power supply
aankan. Verder moet ook de embedded firmware geschikt zijn om de applicatie gerelateerde
snelheid te kunnen hanteren. Wij kunnen dan ook concluderen dat een power supply, geschikt
voor snelle modulatie heel andere karakteristieken moet hebben dan een conventioneel DC power
supply.
Een power supply waarbij gebruik wordt gemaakt van modulatie krijgt te maken met dynamische
parameters betreffende bandbreedte aankunnen en de stijg en daaltijden. Uitgangsfilters zijn nodig
om de ongewenste AC componenten, welke worden geïntroduceerd door het power conversie
proces, uit te filteren. Maar in het geval van modulatie of bij het super poneren van AC op de DC
uitgang moeten deze juist worden doorgelaten. Hierdoor zijn hogere bandpass filters gewenst om
de ongewenste signalen te filteren en de gewenste signalen door te laten. Power supplies met een
hogere bandbreedte hebben over het algemeen dan ook een hogere rimpel op de uitgang. Het
verhogen van de schakelfrequentie draagt over het algemeen bij aan de gestelde doelen maar heeft
vaak een negatieve invloed op de totale efficiëntie (switching loss).
Standaard worden vaak aluminium elektrolytische condensatoren gebruik in de uitgang van het
DC power supply. Deze condensatoren kenmerken zich door de hoge capaciteit en een lage ESR
waarde. Toch vormen deze een geleiding voor hoogfrequente harmonische stromen. Bij
toepassingen met een hogere bandbreedte en hoge stijg en daaltijden dragen deze condensatoren
bij aan grotere spanningsvariaties. Dit als gevolg van het relatief hoge vermogen, nodig voor het
laden en ontladen van deze condensatoren. Verder is de invloed van de optredende AC stromen
van grote invloed op de betrouwbaarheid van deze aluminium elektrolytische condensatoren. De
inzet van film condensatoren met een lagere capaciteit zijn van minder invloed op genoemde
eigenschappen..
Wanneer het power supply wordt toegepast in applicaties waarbij een hogere bandbreedte en slew
rate wordt vereist dan vergt dit ook andere eisen van de beveiliging van o.a. de halfgeleiders in de
uitgang. Een relatief eenvoudige beveiliging voor een te hoge stroom is niet meer geschikt in
dergelijke toepassingen omdat het power supply snelle uitgangs veranderingen van spanning en
stroom moet tolereren. Vanuit de hoogvermogen halfgeleiders gezien betekend dit dat de
belasting zich zowel extern, maar ook intern bevindt. De mogelijke gevolgen van de benodigde
stroom voor het laden en ontladen van het uitgangsfilter en de capaciteit in de externe belasting
dienen dan ook goed te worden overwogen.
De mogelijkheid tot modulatie maakt de regel lus in het power supply een stuk gecompliceerder.
Normaal wordt namelijk alleen de spanning of stroom vergeleken t.o.v. een referentie om de
ingestelde waarde stabiel te houden. Zoals in figuur 1 is weergegeven bevat het regelsysteem een
error versterker en een compensatie circuit voor de Closed loop. Wanneer de gain te hoog is, of
als het compensatie circuit niet juist is ontworpen kan dit resulteren in onstabiliteit of oscillatie.

6. Modulatie voegt een 2e parameter toe gekoppeld met een vertraagde responsie. Op een bepaald
punt worden de geprogrammeerde parameters digitaal geanalyseerd en toepast op de modulatie
ingang. Het gebruik van snelle DSP’s is nodig om de benodigde berekeningen zo snel mogelijk en
met minimale vertragingen uit te voeren. Wanneer het power supply wordt geforceerd grote
veranderingen tussen 2 werk punten te maken dan kan dit leiden tot onstabiel gedrag. Het
limiteren van de slew rate is een effectief middel om het onstabiele gedrag te beperken maar heeft
aan de andere kant weer een negatief effect op de bandbreedte van het systeem.
LEADLESS REMOTE SENSING
Remote sensing wordt gebruikt om spanningsverliezen in de bekabeling te compenseren. De
regeling in het power supply is dan gebaseerd op de spanning op de belasting en niet op de
spanning direct aan de uitgang van het power supply. Op deze manier wordt de bekabeling
opgenomen in de control loop en de gewenste spanning op de belasting gegarandeerd.
Maar het is lang niet altijd praktisch of mogelijk om de spanning over de belasting te monitoren.
Het bijregelen van de spanning door de stroom te monitoren kan een effectieve oplossing zijn in
het geval remote sense bekabeling niet toepasbaar is. Dit principe is niet echt toepasbaar bij
relatief korte bekabeling maar zeer geschikt voor lange bekabeling zoals voorkomt bij ROV’s
(remote operating vehicle) toegepast bij b.v. oceaan onderzoek. Kabellengte van enkele
honderden meters tot zelfs kilometers vormen hier geen uitzondering. Bij deze vorm van remote
sensing wordt dan ook de bekende weerstands waarde van de bekabeling meegenomen in
modulatie regeling van het power supply.
In figuur 3 wordt een power supply voorgesteld met een belastings weerstand (Rload) en een
bekabelingsweerstand (Rlead). De spanning over de belasting (Vload) kan worden weergeven als;
(6)
Hierin is:
Vo: uitgangsspanning power supply,
Io: uitgangsstroom,
Rlead: weerstand bekabeling tussen de power supply en de belasting.
Figure 3 Leadless Remote Sensing

7. Wanneer wij dit toepassen op het blokdiagram in figuur 1, waarbij de modulatie ingang wordt
geregeld door de uitgangsstroom en de modulatie functie type 1 wordt toegepast dan wordt Vload;
[ ]
(7)
als
In dit voorbeeld zal de spanningsval over de bekabeling worden gecompenseerd door de
uitgangsspanning van het power supply bij te regelen op basis van de stroom.