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Abstract
En este documento se describe el proceso de diseño de un convertidor Flyback empleado como cargador de baterías de un vehículo eléctrico. El cargador está pensado para funcionar a partir de la red eléctrica de 230 V y poder suministrar a su salida una tensión máxima de 34 voltios y una corriente máxima de 4 amperios. Variando el índice de carga se estima poder cargar los paquetes de baterías en un tiempo aproximado de tres horas. Los paquetes de baterías están compuestos por un total de 20 baterías de 1.2 V cada una conectadas en serie, formando así un bloque de 24 V. El paquete de baterías a cargar es de níquel-hidruro metálico (Ni-MH), material con gran capacidad de carga y poco efecto memoria aunque presenta una tasa de autodescarga elevada. Para cargar este tipo de baterías se requiere una corriente continua elevada, con tensiones entre 20 y 34 V, monitorizando la tensión y la temperatura de la batería para evitar su sobrecarga y asegurar la carga óptima. Además de estas dos magnitudes también se ha colocado un sensor para medir la corriente que atraviesa la batería. El tratamiento de esta información se recoge con un microcontrolador de la familia MSP430 de Texas Instruments. Éste procesará la información para controlar el ciclo de trabajo del interruptor de la etapa de potencia. Para el diseño de la etapa de potencia se ha empleado el programa Mathcad, distribuido por Parametric Technology Corporation, Con este programa se han dimensionado todos los componentes del circuito. También se han utilizado otros programas informáticos para el diseño de componentes eléctricos más concretos como el transformador, para el que se ha utilizado el programa Ferrite Magnetic Design Tool de EPCOS. La validación del diseño mediante simulación se ha llevado a cabo con el programa PSpice A/D de OrCAD, en el cual se ha introducido únicamente la parte correspondiente al circuito de potencia con el objetivo de asegurar que la respuesta obtenida a la salida de la fuente es la esperada. En las simulaciones se presentan datos referentes a tensiones y corrientes de salida del circuito principal y también información del circuito de polarización utilizado para la alimentación del driver que dispara el transistor. También se vigilan las corrientes por el primario y el secundario del transformador para saber el modo de funcionamiento del cargador y por último la tensión en el transistor para controlar que ésta se mantenga dentro de unos márgenes aceptables para la seguridad del propio cargador. Para la programación del microcontrolador se ha empleado el programa Code Composer Studio v5. Es un entorno de desarrollo para crear aplicaciones en dispositivos de Texas Instruments. Magarín Martín, Carlos; Artigas Maestre, José Ignacio
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Re p C a p ositorio d a rgad o 24 d e la Unive r Tra b o r de p V, 10 A C J M E r sidad de Z b ajo F p aquet A h pa r C arlos M osé Igna c M áster en E scuela de I n Zarag o Z aragoza – F in d es de r a veh í Autor M agarí n Director c io Artig a Ingeniería n geniería y o za, Marzo d Zaguan h e M á baterí a í culos e n Martí a s Maest r Electrónic Arquitectu r d e 2013 h ttp://zag u á ste r a s de N e léctri c n r e a r a u an.unizar. e r N iMH d c os e s d e
III Cargador de paquetes de baterías de Ni-MH de 24 V, 10 Ah para vehículos eléctricos. RESUMEN En este documento se describe el proceso de diseño de un convertidor Flyback empleado como cargador de baterías de un vehículo eléctrico. El cargador está pensado para funcionar a partir de la red eléctrica de 230 V y poder suministrar a su salida una tensión máxima de 34 voltios y una corriente máxima de 4 amperios. Variando el índice de carga se estima poder cargar los paquetes de baterías en un tiempo aproximado de tres horas. Los paquetes de baterías están compuestos por un total de 20 baterías de 1.2 V cada una conectadas en serie, formando así un bloque de 24 V. El paquete de baterías a cargar es de níquel-hidruro metálico (Ni-MH), material con gran capacidad de carga y poco efecto memoria aunque presenta una tasa de autodescarga elevada. Para cargar este tipo de baterías se requiere una corriente continua elevada, con tensiones entre 20 y 34 V, monitorizando la tensión y la temperatura de la batería para evitar su sobrecarga y asegurar la carga óptima. Además de estas dos magnitudes también se ha colocado un sensor para medir la corriente que atraviesa la batería. El tratamiento de esta información se recoge con un microcontrolador de la familia MSP430 de Texas Instruments. Éste procesará la información para controlar el ciclo de trabajo del interruptor de la etapa de potencia. Para el diseño de la etapa de potencia se ha empleado el programa Mathcad, distribuido por Parametric Technology Corporation, Con este programa se han dimensionado todos los componentes del circuito. También se han utilizado otros programas informáticos para el diseño de componentes eléctricos más concretos como el transformador, para el que se ha utilizado el programa Ferrite Magnetic Design Tool de EPCOS. La validación del diseño mediante simulación se ha llevado a cabo con el programa PSpice A/D de OrCAD, en el cual se ha introducido únicamente la parte correspondiente al circuito de potencia con el objetivo de asegurar que la respuesta obtenida a la salida de la fuente es la esperada. En las simulaciones se presentan datos referentes a tensiones y corrientes de salida del circuito principal y también información del circuito de polarización utilizado para la alimentación del driver que dispara el transistor. También se vigilan las corrientes por el primario y el secundario del transformador para saber el modo de funcionamiento del cargador y por último la tensión en el transistor para controlar que ésta se mantenga dentro de unos márgenes aceptables para la seguridad del propio cargador. Para la programación del microcontrolador se ha empleado el programa Code Composer Studio v5. Es un entorno de desarrollo para crear aplicaciones en dispositivos de Texas Instruments.
Mi agradecimiento a los maestros de taller por toda su ayuda y a José Ignacio por todas las horas que me ha dedicado para poder seguir adelante.
V ÍNDICE RESUMENIII ÍNDICEV LISTADESÍMBOLOSYACRÓNIMOSVII LISTADEFIGURASIX LISTADETABLASXI CAPÍTULO1INTRODUCCIÓNGENERALYOBJETIVOS13 1.1‐INTRODUCCIÓN14 1.2‐OBJETIVOSDELTRABAJODEMÁSTER15 1.3‐LEGISLACIÓNYOTRASREGULACIONES15 CAPÍTULO2INNOVACIÓNYNOVEDADDELPROYECTO17 2.1‐ESTUDIODELESTADODELARTE18 2.2‐AVANCESCIENTÍFICOSY/OTÉCNICOSQUEPROPONEELPROYECTO18 CAPÍTULO3DESARROLLODELPROYECTO19 3.1‐INTRODUCCIÓN20 3.2‐DIAGRAMADEBLOQUESGENERALDELSISTEMA20 3.3‐FASESYTAREASYSUSINTERACCIONES21 3.4‐CLASIFICACIÓNDEBATERÍAS22 3.5‐MÉTODOSDECARGAPARABATERÍASDENI‐MH23 3.6‐MÉTODODECARGASELECCIONADO24 3.7‐FINALIZACIÓNDECARGA25 3.8‐DISEÑODELAETAPADEPOTENCIA26 3.9‐MODODEFUNCIONAMIENTODEUNAFLYBACK26 3.10‐METODOLOGÍADEDISEÑO27 3.11‐ACONDICIONAMIENTODELOSSENSORES31 3.12‐DISEÑODELAETAPADECONTROL31 3.13‐FIRMWARE32 CAPÍTULO4SIMULACIONESYRESULTADOSEXPERIMENTALES35 4.1‐SIMULACIONES36 4.2‐RESULTADOSOBTENIDOS38 4.3‐CONCLUSIONESOBTENIDASAPARTIRDELESTUDIODELASSIMULACIONES.50 4.4‐MEDIDASEXPERIMENTALES51 4.5‐DISEÑOYMONTAJEDELAPLACA.56
VI CAPÍTULO5PRESUPUESTO61 5.1‐ESTIMACIÓNYCONTROLDECOSTES62 CAPÍTULO6CONCLUSIONES65 6.1‐CONCLUSIONES66 6.2‐LÍNEASFUTURAS67 CAPÍTULO7REFERENCIAS69 ANEXOS71 ANEXOI:DISEÑODELCIRCUITODEPOTENCIA73 ANEXOII:DIAGRAMASDEFLUJODELPROGRAMA75 ANEXOIII:CÓDIGODELPROGRAMA9 ANEXOIVSIMULACIÓNENORCADPSPICEA/D2 ANEXOVMANUALDEUSUARIO1
VII LISTA DE SÍMBOLOS Y ACRÓNIMOS A/D Analógico digital AC Corriente alterna C Corriente que descargaría la batería en una hora en condiciones nominales CCM Modo de funcionamiento continuo CI Circuito integrado D Ciclo de servicio: D = ton/T DC Corriente continua DCM Modo de funcionamiento discontinuo EMI Interferencias Electromagnéticas f Frecuencia I Corriente en régimen estático IC Índice de carga de la batería. Corriente de carga normalizada a C Io Corriente de salida Ip Corriente de pico JTAG Joint Test Action Group. Puerto para testear PCBs Li Litio Lleak Inductancia de fuga LM Inductancia magnetizante de un transformador NiCd Níquel cadmio Ni-MH Níquel hidruro metálico NTC Termistor. Sensor de temperatura resistivo cuya resistencia disminuye con la temperatura P Potencia eléctrica Pb Plomo PCB Placa de circuito impreso PWM Modulación por ancho de pulsos
VIII R Resistencia eléctrica SLA Batería de plomo sellada T Periodo ton Intervalo de tiempo en el que un interruptor permanece encendido toff Intervalo de tiempo en el que un interruptor permanece apagado V Tensión en régimen estático Vref Tensión reflejada Δ Variación
IX LISTA DE FIGURAS Fig.1–Diagramadebloquesdelcargador.................................................................................20 Fig.2–Estructuradelproyecto..................................................................................................22 Fig.3–Métododecargaseleccionadoparalabatería..............................................................25 Fig.4–Deteccióndefinalizacióndelacargapor–ΔV/Δt..........................................................25 Fig.5‐Convertidorbuck‐boost[12]...........................................................................................27 Fig.6–EsquemabásicodelaetapaFlyback [12]......................................................................27 Fig.7–FormasdeondaenmodoCCMparaetapaflyback[12]................................................28 Fig.8–FormasdeondaenmodoDCMparaetapaflyback [11]................................................29 Fig.9–Esquemacompletodelcargador....................................................................................30 Fig.10–Diagramadelcircuitoconmicrocontrolador................................................................32 Fig.11–Estado1,simulación1.1...............................................................................................38 Fig.12–Estado1,simulación1.2...............................................................................................39 Fig.13–Estado2,simulación2.1...............................................................................................40 Fig.14–Estado2,simulación2.2...............................................................................................41 Fig.15–Estado3,simulación3.1...............................................................................................42 Fig.16–Estado3,simulación3.2...............................................................................................43 Fig.17–Estado4,simulación4.1...............................................................................................44 Fig.18–Estado4,simulación4.2...............................................................................................45 Fig.19–Circuitosinclampnisnubberpasoaoff.......................................................................46 Fig.20–Etapaconcircuitodeclamp..........................................................................................47 Fig.21–Etapaconsnubberpasoaoff.......................................................................................48 Fig.22–Formasdeondadeldiododesalida.............................................................................49 Fig.23–Montajedelcargadorelprotoboard............................................................................51 Fig.24–Bancadadeensayos......................................................................................................52 Fig.25–SeñalesdecorrienteytensióndeltransistorconIo=4AVo=32V.............................53 Fig.26–Tensióndeltransistor,corrientedesalidaIo=4A.......................................................53 Fig.27–Corrienteporeltransistorytensiónporeldiododesalida.........................................54 Fig.28–DemostracióndemododefuncionamientodiscontinuoDCM....................................55 Fig.30–Buclesdecorrienteenlaetapaflyback[5]...................................................................56 Fig.31–Filtrodeentradaycomponentesdeseguridadeléctrica.............................................57 Fig.32‐Carabottomdiseñada...................................................................................................58
CARGADOR DE PAQUETES DE BATERÍAS DE NIMH DE 24 V, 10 AH PARA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS CAPÍTULO 2 INNOVACIÓN Y NOVEDAD DEL PROYECTO
Capítulo 2 Innovación y novedad del proyecto 18 2.1 - ESTUDIO DEL ESTADO DEL ARTE En la actualidad hay una gran variedad de cargadores de baterías y también diferentes topologías dependiendo de la batería que están destinados a cargar, pero en la gran mayoría de los casos el diseño de estos cargadores se centra solamente en la etapa de potencia dejando la parte del control de la carga en manos de un circuito integrado analógico que realice todo el muestreo de información y actúe así en consecuencia. Muchos de los cargadores que se encuentran actualmente en el mercado son para baterías de menos capacidad y tensión que las que se utilizan en el proyecto, ya que son cargadores, en su mayoría, para aparatos de radiocontrol como avionetas o coches teledirigidos. Como ejemplo de los cargadores disponibles en el mercado podemos citar los modelos disponibles en febrero de 2013 en la tienda online www.all-battery.com. Disponen de 20 cargadores para baterías de Ni-MH, de los cuales sólo 2 son capaces de cargar paquetes de baterías de 24 V, y uno de ellos a corriente de 0,5 A. Del resto de cargadores, 15 son para baterías de hasta 12V y 3 son para baterías de 36 y 48V. Solamente el modelo “Tenergy Smart Universal Charger (3.5A) for NiMH/NiCD Battery Packs: 19.2v - 24v” [1] con un precio de 40 dólares, sería adecuado para nuestra aplicación. Antes de abordar el trabajo fin de máster se probó este cargador en laboratorio (junto con otro similar de 2 A de corriente), comprobando su inadecuación porque terminaban el proceso de carga bastante antes de que la batería estuviera completamente cargada. Era necesario desconectar y reconectar el cargador varias veces para completar la carga de la batería. Este resultado puede tener relación con tratarse de cargadores de bajo coste, cuyo diseño y fabricación puede no haber pasado los procesos de calidad adecuados. Como conclusión, no se ha encontrado ningún cargador de bajo coste (menor de 100 €) que satisfaga las necesidades de esta aplicación. La otra solución para cargar baterías de este tipo con garantía es utilizar los denominados analizadores de baterías, que son equipos computerizados para realizar diversos test a las baterías, pero a un coste de cientos o miles de euros [2] [3]. 2.2 - AVANCES CIENTÍFICOS Y/O TÉCNICOS QUE PROPONE EL PROYECTO La pequeña lista mostrada en el estudio del estado del arte es la clase de cargadores de bajo coste que se pueden encontrar hoy en día en el mercado. La mayoría son cargadores que pueden llegar a cargar a altas corrientes pero que no son capaces de cargar paquetes de baterías con un número elevado de celdas como puede ser nuestro caso y los cargadores que si que pueden hacer frente a la carga de un número de celdas elevado con corriente elevada lo hacen de forma poco “inteligente”, utilizando controladores analógicos estándares de bajo coste, que les lleva a dejar las baterías a medio cargar para garantizar su seguridad. Estas razones nos han llevado a diseñar un cargador controlado con microcontrolador que puede alcanzar las prestaciones requeridas garantizando la carga completa y la seguridad de las baterías. Uno de los motivos para que esta zona de mercado esté sin explorar es la parte económica que afecta a estos cargadores, ya que a mayores prestaciones, mayor será el precio. Al haber estudiado los diferentes sistemas de carga ya existentes en el mercado observamos que nuestro dispositivo reúne una serie de cualidades que el resto de sistemas no contempla, lo que hace que este producto sea único y aporte un componente novedoso en comparación con el resto de cargadores en el mercado actual.
CARGADOR DE PAQUETES DE BATERÍAS DE NIMH DE 24 V, 10 AH PARA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS CAPÍTULO 3 DESARROLLO DEL PROYECTO
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 20 3.1 - INTRODUCCIÓN Este capítulo sirve para explicar de manera clara y ordenada todo el proceso de diseño que se ha realizado para crear el cargador de baterías. Para situar al lector en los bloques que se han diseñado se ha creado un diagrama de bloques que diferencia claramente cada parte de la etapa. Posteriormente, cuando se explique el diseño de los componentes del cargador se explicarán dichos bloques individualmente. Para entender por qué hemos diseñado el cargador con unas especificaciones tan concretas hace falta saber qué tipo de baterías queremos cargar, de qué manera se desea cargarla, los riesgos que implica aplicar un determinado método de carga etc. Para eso se ha realizado una breve descripción de los tipos de baterías que nos podemos encontrar actualmente en el mercado. Un vez que tengamos descrita nuestra batería pasaremos a explicar el método de carga que se ha implementado para obtener una carga óptima y sin perjudicar el estado de la batería. 3.2 - DIAGRAMA DE BLOQUES GENERAL DEL SISTEMA Fig.1 – Diagramadebloquesdelcargador En la Fig. 1 se puede observar el diagrama de bloques del cargador diseñado. El diseño del dispositivo se divide en 6 grandes bloques: 1 – Filtro de EMI: Los componentes de este bloque reducen las interferencias conducidas y protegen al resto de la etapa. 2 – Rectificador: En este segundo bloque tenemos un puente de diodos y un condensador para fijar un nivel de continua. El mínimo voltaje DC que es producido por el mínimo voltaje AC es un parámetro muy importante. Una regla que se suele utilizar para el diseño es escoger un condensador de 1 µF/W para el caso de alimentación a 230V. [4] 3 – Flyback: Este bloque forma el grueso de la etapa de potencia. Dentro de la flyback tenemos diferentes componentes y subbloques: el transformador, responsable de almacenar energía procedente del primario para depositarla en el secundario y así ser capaces de cargar la FLYBACK RECTIFICADOR FILTROEMI CONTROL CIRCUITODE ARRANQUE SENSORES ENTRADA 230V50HzSALIDA
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 21 batería. El transistor, que será el dispositivo que marque en qué momento el transformador tiene que almacenar energía o entregarla al secundario. El circuito de clamp protege al transistor de la energía almacenada en la inductancia de fuga del transformador. El circuito de snubber protege al transistor de sobreoscilaciones que puedan dañarlo en el paso a off. Por último, el diodo y los condensadores en el secundario del transformador serán los encargados de suministrar una tensión constante a su salida. 4 – Sensores: En este bloque están recogidos los tres sensores que tenemos instalados para enviar información al bloque de control: tensión, corriente de carga y temperatura de la batería. 5 – Control: Formado por un microcontrolador que leerá las señales enviadas por los sensores y decidirá cómo actuar sobre el transistor. 6 – Circuito de arranque: Por último tenemos el circuito de arranque que proporciona una alimentación inicial al driver del transistor al conectar el circuito a la red. En el modo de funcionamiento normal el driver que dispara al transistor está alimentado a través de un devanado auxiliar del transformador. Como al inicio en este circuito no tenemos tensión debido a que no podemos hacer funcionar el transistor sin el propio driver, tenemos que instalar este pequeño circuito que nos ayude a alimentar al driver hasta que la etapa sea capaz de ser autosuficiente. [5] 3.3 - FASES Y TAREAS Y SUS INTERACCIONES La planificación es parte fundamental de cualquier proyecto, pero en este tipo de trabajos en los que hay etapas de diseño profundamente diferenciadas es indispensable para conseguir un resultado satisfactorio. En la Fig. 2se puede observar en detalle la estructura general del proyecto.
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 22 Fig.2 – Estructuradelproyecto 3.4 - CLASIFICACIÓN DE BATERÍAS Actualmente se utilizan baterías recargables para aplicaciones tales como motores de arranque de automóviles, dispositivos portátiles de consumo, vehículos ligeros como bicicletas eléctricas, herramientas y sistemas de alimentación ininterrumpida. También en nuevas aplicaciones como alimentación para vehículos eléctricos están impulsando la tecnología para reducir costes, reducir el peso y aumentar la vida útil. Los diferentes tipos de baterías requieren diferentes formas de carga y éstas dan diferente tipo de información para indicar que han completado el ciclo de carga. Hay fundamentalmente cuatro tipos de materiales para crear baterías: Definicióndelproyecto Eleccióndetopologíade diseño Pruebasyensayos Validarprototipoy documentacióntécnica Diseñodelbloque rectificador Diseñodelbloque Flyback Diseñodelbloque desensores ETAPADEPOTENCIA Prototipo INICIO Diseñodelsoftware delbloquede control Diseñodelcircuito dearranque CONTRO L FABRICACIÓN FIN
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 23 - Baterías de plomo y ácido (SLA): Las más conocidas son las baterías de automóvil. Están formadas por un depósito de ácido sulfúrico y en su interior hay un conjunto de placas de plomo. [6] - Baterías de iones de litio (Li-Ion): Son unas baterías de gran ligereza, una elevada capacidad energética y poca autodescarga. Otro factor importante de estas baterías es que no poseen efecto memoria. Todas estas características han sido las que han propiciado que estas baterías se hayan instalado en todos los aparatos de electrónica de consumo actuales. También presentan una serie de inconvenientes que hacen que éstas no sean el sistema de almacenaje perfecto, como por ejemplo, el estar fabricadas con materiales inflamables que las hace propensas a detonaciones o incendios. También presentan un número limitado de cargas, mucho menor al de las baterías de níquel-cadmio. [7] - Baterías de níquel cadmio (NiCd): Estas baterías se usan cada vez menos debido a su efecto memoria y al cadmio, material muy contaminante. Su lugar está siendo ocupado por las baterías de Ni-MH. [8] - Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH): Estas baterías poseen similar densidad energética a las de NiCd y un menor efecto memoria. Su inconveniente es que presentan una mayor tasa de autodescarga. El ciclo de vida oscila entre las 500 y 700 cargas. [8] 3.5 - MÉTODOS DE CARGA PARA BATERÍAS DE NI-MH El calor es el gran enemigo de las baterías de NiMH. Si se carga una batería con una corriente elevada y una vez alcanzada la carga máxima se sigue suministrando corriente, ésta se disipará en el interior de la batería en forma de calor, pudiendo deteriorarla o incluso destruirla. Existen cargadores de baterías comerciales que detectan el momento de carga máxima, pues en ese punto se observa un pico en el voltaje. Estos cargadores permiten un proceso de carga relativamente rápido, con corrientes de 2 a 3 C, para NiCd, y 1C para NiMH. Tras una carga rápida, se observa que las baterías están tibias. El voltaje para cargar las baterías se mueve en un rango de entre 1.2 y 1.4 veces la tensión nominal de la batería. En general, un método de carga a voltaje constante no se puede usar para cargas automáticas. Para realizar una carga rápida es aconsejable utilizar cargadores inteligentes para evitar la sobrecarga. Un apunte importante es que no se pueden intercambiar cargadores entre los diferentes tipos de baterías, es decir, un cargador para baterías de NiCd no puede ser usado para este tipo de baterías. [9] A continuación se indican los métodos de carga que se suelen utilizar. Método de carga por goteo Es el modo más seguro de cargar las baterías de Ni-MH, ya que se basa en aplicar un corriente de pequeña magnitud incluso sin tener en cuenta el tiempo de carga. Muchos fabricantes aseguran que la sobrecarga es segura a bajas corrientes, por debajo de 0.1C, aunque por norma general se recomienda limitar el tiempo de carga entre 10 y 20 horas. Algunos cargadores pasan a funcionar con un índice de carga (IC) de C/300 al terminar el ciclo de carga para así contrarrestar la descarga natural de la propia batería.
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 24 Método de carga de la variación de tensión Este método es más rápido que la carga por goteo, pero el cargador tiene que saber cuándo terminar la carga para evitar dañar la batería. El método consiste en monitorizar el voltaje de la batería. Cuando la batería se ha cargado por completo, su tensión disminuye ligeramente. Esta disminución de tensión puede ser casi inapreciable en las baterías de Ni-MH cuando la corriente de carga es pequeña. Lo que se suele hacer es controlar la tensión y terminar la carga cuando la variación de tensión con el tiempo es igual a cero, pero se corre el riesgo de provocar un corte en la carga de forma prematura. Con este método se puede aplicar un índice de carga mucho mayor, llegando a un valor de 1 C. Con este índice de carga la caída de tensión al final del proceso de carga está aproximadamente entre 5 y 10mV por celda. Para realizar este tipo de carga se tiene que aplicar corriente constante durante la carga. Método de carga de la variación de temperatura Este método es similar al anterior. Cuando la batería no está completamente cargada, la mayoría de la energía suministrada se convierte en energía almacenada. Sin embargo, a partir del momento en que la batería se ha cargado por completo, la energía suministrada se disipa en forma de calor en la batería. El incremento en la temperatura de la batería puede ser detectado por un sensor. Por norma general una variación de 1 ºC por minuto indica que se ha alcanzado el final de la carga. Con el método de variación de tensión y el método de variación de temperatura se recomienda, una vez que se ha detectado que la batería está cargada, aplicar por un tiempo el método de carga por goteo. [10] En nuestro caso, el control que se ha realizado es una combinación entre la variación de tensión y la variación de temperatura para no poner en peligro a la batería en ningún momento. A continuación se explica de forma detallada la forma de carga que se va a realizar. 3.6 - MÉTODO DE CARGA SELECCIONADO El proceso de carga que se ha llevado a cabo para cargar nuestra batería está dividido en cuatro etapas. - La primera es una etapa de precarga, se trata de acondicionar la tensión de la batería a unos límites seguros para poder aplicar la carga con corriente elevada. Se aplica cuando la batería está completamente descargada, es decir, cuando la tensión es menor a 0.8 veces la tensión nominal de la batería. El índice de carga aplicado en este tramo inicial es de C/8. En nuestro caso, se aplicará una corriente constante de 1.25 A hasta que se alcance una tensión de 19 V. - La segunda etapa es la llamada etapa de carga. En esta parte de la carga se puede aplicar un IC desde C/4 hasta 1 C. En este diseño se ha decidido aplicar un IC de C/2.5, es decir, una corriente de 4A desde que la tensión en bornes es superior a 19 V hasta que se detecta que se ha de producir el cambio de estado mediante los métodos de variación de tensión o variación de temperatura antes nombrados. - La tercera etapa, como ya se ha comentado anteriormente, es la zona de carga por goteo. Este tipo de carga sirve para terminar de cargar la batería. El IC aplicado en esta etapa es de C/20, es decir, 0.5A durante media hora.
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 25 - La cuarta etapa es la que se encargará de contrarrestar la autodescarga natural de la batería. Se aplicará una corriente con un IC de C/300, es decir, 30mA. Esta última etapa puede llegar a tener una duración máxima de hasta 14 horas. En todo momento se siguen midiendo las señales de corriente, tensión y temperatura para saber si se produce algún fallo a lo largo de todo el proceso de carga. Fig.3 – Métododecargaseleccionadoparalabatería 3.7 - FINALIZACIÓN DE CARGA Como ya se ha explicado anteriormente, se han aplicado dos formas para detectar que la batería está cargada, el método de –ΔV/Δt y el método de ΔT/Δt. Además se ha programado un temporizador que controle que el tiempo en que la batería está conectada no es excesivo. Se programa un tiempo máximo en cada estado y si este tiempo se sobrepasa se indica mediante un diodo led que hay un fallo en la batería. Fig.4 – Deteccióndefinalizacióndelacargapor–ΔV/Δt
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 32 A partir de la información de los sensores se determina cuales son las acciones a realizar para cargar la batería. El temporizador se configura para funcionar como control PWM que varíe según la corriente que queremos que atraviese a la batería. Para la programación del microcontrolador se ha utilizado un depurador y un emulador con conexión JTAG. Concretamente se ha utilizado el MSP-FET430UIF. Se ha utilizado la comunicación JTAG con 4 hilos como se puede ver en el documento Hardware Tools de Texas Instruments. [15] Fig.10 – Diagramadelcircuitoconmicrocontrolador 3.13 - FIRMWARE El usuario del cargador no tiene ningún tipo de acceso al control de la batería. El cargador proporciona información al usuario mediante dos diodos led que se iluminan en momentos clave de la carga. En los anexos se puede encontrar el manual de usuario para obtener información acerca del modo de funcionamiento. El objetivo del firmware diseñado es hacer pasar a la batería por los cuatro estados de carga que se han definido en apartados anteriores. Para realizar esta tarea se hace una medida inicial de las tres magnitudes a través del conversor A/D. Con el valor de tensión obtenido nos colocamos en el estado de carga correspondiente. Si la tensión es demasiado baja o demasiado alta se indica que hay un fallo en la batería y el proceso de carga no se inicia. La temperatura de la batería nos permite saber si se encuentra en las condiciones ambientales adecuadas para ser cargada. Si la temperatura es demasiado elevada la carga no se iniciará. Una vez dentro del ejecutivo cíclico se toman diez medidas de corriente por segundo para sacar posteriormente la media aritmética. Estas diez medidas están repartidas en un tiempo de 10 ms para ajustarse a un semiperiodo de la tensión de red. Gracias al promedio de los valores MSP430F5152 CONVERSORA/D ALIMENTACIÓN COMUNICACIÓN JTAG TIMERD
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 33 recogidos también se disminuye el ruido que puedan haber recogido las señales de forma puntual. Cada minuto se toman medidas de tensión y temperatura para poder saber si la batería necesita cambiar de estado o si ha sufrido algún tipo de fallo. Los diagramas de bloques correspondientes al programa y el código introducido en el microcontrolador se encuentran disponibles en anexos.
CARGADOR DE PAQUETES DE BATERÍAS DE NIMH DE 24V, 10AH PARA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS CAPÍTULO 4 SIMULACIONES Y RESULTADOS EXPERIMENTALES
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 36 4.1 - SIMULACIONES En este capítulo se exponen las simulaciones que verifican que, a priori, se cumplen los objetivos de diseño marcados. Las simulaciones se han realizado únicamente de la parte correspondiente a la etapa de potencia como ya se ha comentado en el resumen del proyecto. La batería se ha modelizado como una batería ideal con una resistencia interna. Cada celda tiene una resistencia interna aproximada de 50 mΩ por lo que, al tener 20 celdas, tenemos una resistencia total de 1 Ω. El transistor se modela como un interruptor con una resistencia interna de 0.25 Ω y un condensador en paralelo de 300 pF. Estos valores han sido sacados del datasheet del transistor [16]. El disparo del mismo se ha realizado con un generador de onda cuadrada con un tiempo de paso a on y de paso a off de 100 ns. Este generador trabaja a una frecuencia de 100 kHz y un tiempo de ciclo D variable. Otro de los valores importantes a introducir en la simulación es la inductancia de fuga del transformador, ya que la energía almacenada en ella es la que se va a tener que disipar en el circuito de clamp. Como primera aproximación, el valor de esta Lleak es 0.2 veces la inductancia del primario. [12] Los valores introducidos en la simulación son los siguientes: NombreValor Unidades DVariable k0.98 VbatVariable V Rbat1Ω Cx0.47 µF Rx220 MΩ Puenterectificador Crectificador150 µF Cmkp0.22 µF Rclamp15000 kΩ Cclamp1nF DclampRs=1 mΩ Rsnubber1 kΩ Csnubber0.47 nF DsnubberRs=1 mΩ
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 37 Rmos0.25 Ω Cmos300 pF TransistorNMOSInterruptorideal Rtx10.4 Ω Ltx1198 µH Ltx215.8 µH Ltx3_bias4µH LleakLtx1*(1‐k) µH Cbias15 µF Rbias1 kΩ DbiasRs=1 mΩ Cout11000 µF Cout21000 µF DoutRs=1 mΩ Vdisparo_mosPWM=D/100kHzf=1/100kHz Vin230 Vac Rgnd11 MΩ Rgnd21 MΩ Tabla3 – ComponentesyvaloresparalasimulaciónenPSpice Se realizaron simulaciones en los valores límite de cada estado para obtener unos tiempos de ciclo aproximados y para asegurar que el diseño del circuito de clamp era el correcto, ya que este conjunto de componentes son fundamentales para la seguridad del transistor. El código empleado para realizar la simulación se puede encontrar en el Anexo IV.
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 38 4.2 - RESULTADOS OBTENIDOS ESTADO 1 Simulación 1.1: En esta primera etapa de la carga queremos tener un índice de carga de C/8. Si la tensión detectada es menor de 10 V el microcontrolador dará una señal de alarma y la carga no se iniciará debido a que es una tensión demasiado reducida como para que la batería se encuentre en buen estado. Datos Valor Vbat 10 V Ibat 1.25 A D 0.07 Tabla4–Simulación1.1 Fig.11–Estado1,simulación1.1 Un cálculo sencillo para averiguar cuál es la tensión que soporta el transistor en estado off es sumar la tensión reflejada del secundario al primario más la tensión del primario. Time 27.23ms 27.24ms 27.25ms 27.26ms 27.27ms RMS((I(s_Mosfet))) I(V_Vbat) 0A 1.0A 2.0A SEL>> 1.2647 A 327.063 mA (I(L1_TX1)) I(L2_TX1) -10A 0A 10A 5.7522 A 1.1504 A V1(s_Mosfet) 0V 250V 500V 464.444 V 367.171 V
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 39 Simulación 1.2: El estado 1 llega hasta una tensión aproximada de 19 V, una vez llegados a este punto pasaremos al estado 2. La modificación del tiempo de ciclo que se produzca durante el cambio de estado será de la misma magnitud que la variación que éste pueda sufrir estando en mitad de un estado. Una variación de tiempo de ciclo brusca producirá un pico de corriente que puede dañar los componentes del cargador. Datos Valor Vbat 19 V Ibat 1.25 A D 0.097 Tabla5–Simulación1.2 Fig.12–Estado1,simulación1.2 Time 28.36ms 28.37ms 28.38ms 28.39ms 28.40ms RMS((I(s_Mosfet))) I(V_Vbat) 0A 1.0A 2.0A SEL>> 1.2683 A 396.842 mA (I(L1_TX1)) I(L2_TX1) -10A 0A 10A 6.9363 A 1.5648 A V1(s_Mosfet) 0V 250V 500V 400.142 V 526.731 V
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 40 ESTADO 2 Simulación 2.1: Una vez en el estado 2 pasamos a entregar a la carga una corriente de 4 A, es decir, se carga la batería con un índice de carga de C/2.5. Datos Valor Vbat 19 V Ibat 4 A D 0.215 Tabla6–Simulación2.1 Fig.13–Estado2,simulación2.1 T ime 27.80ms 27.81ms 27.82ms 27.83ms 27.84ms RMS((I(s_Mosfet))) RMS(I(V_Vbat)) 0A 2.5A 5.0A SEL>> 860.413 mA 4.0736 A (I(L1_TX1)) I(L2_TX1) -20A 0A 20A 15.044 A 2.8827 A V1(s_Mosfet) 0V 250V 500V 405.809 V 653.176 V
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 41 Simulación 2.2: En realidad el límite del estado 2 viene impuesto por el método de detección de carga que detecte primero que la batería se ha cargado. Como límite del estado 2 se ha considerado una tensión 1.3 veces la tensión nominal de las baterías. Suponemos que el estado 2 terminará con una tensión de 32 V. Datos Valor Vbat 32 V Ibat 4 A D 0.285 Tabla7–Simulación2.2 Fig.14–Estado2,simulación2.2 T ime 23.21ms 23.22ms 23.23ms 23.24ms 23.25ms RMS((I(s_Mosfet))) RMS(I(V_Vbat)) 0A 2.5A 5.0A SEL>> 3.9375 A 1.1676 A (I(L1_TX1)) I(L2_TX1) -20A 0A 20A 17.522 A 3.7168 A V1(s_Mosfet) 0V 250V 500V 750V 734.994 V 429.659 V
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 48 Simulación 7: Circuito de snubber de paso a off Datos Valor Vbat 32 V Ibat 4 A D 0.285 Tabla14–Circuitoconsnubberdepasoaoff Fig.21–Etapaconsnubberpasoaoff Por último, solamente con el circuito de snubber instalado se obtiene un pico de sobretensión que supera los 800 V, por lo que el transistor sufriría daños irreparables, pero por otra parte, podemos ver como la onda se ha estabilizado mucho antes. T ime 23.41ms 23.42ms 23.43ms 23.44ms 23.45ms RMS((I(s_Mosfet))) RMS((I(V_Vbat))) 0A 2.5A 5.0A SEL>> 4.0190 A 1.1683 A (I(L1_TX1)) I(L2_TX1) 0A 10A 20A 19.690 A 3.7611 A V1(s_Mosfet) 0V 500V 939V 430.496 V 890.713 V
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 49 Simulación 8: Formas de onda del diodo de salida Datos Valor Vbat 32 V Ibat 4 A D 0.285 Tabla15–Formasdeondadiododesalida Fig.22–Formasdeondadeldiododesalida T ime 26.4600ms 26.4800ms 26.5000ms 26.5119ms I(d_Dout) -20A 0A 20A SEL>> 18.313 A V(8,7) 0V 50V 100V -49V 116.823 V
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 50 4.3 - CONCLUSIONES OBTENIDAS A PARTIR DEL ESTUDIO DE LAS SIMULACIONES. Como se puede observar, la tensión a la que está sometido el transistor tiene un valor máximo en las peores condiciones de 750 V. Este resultado confirma el diseño satisfactorio del circuito de clamp. Tal y como se ha justificado en la Fig.20. La introducción de un circuito de snubber de paso a off, aunque en principio no sea obligatoria, favorece en gran medida a mejorar las formas de onda tanto de tensión como de corriente. El cargador es capaz de proporcionar la corriente deseada a la batería en cualquiera de los estados en los que se encuentre. La corriente de pico que atraviesa el devanado primario del transformador se encuentra dentro de los márgenes de diseño para los que ha sido dimensionado. Las formas de onda de tensión y de corriente están dentro del rango de funcionamiento del diodo de salida, ya que ha sido dimensionado para soportar 200V y 32A.
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 51 4.4 - MEDIDAS EXPERIMENTALES Una vez confirmado el diseño mediante simulación, se pasó a construir el cargador. Como primer prototipo se construyó el cargador en una placa protoboard. Fig.23–Montajedelcargadorelprotoboard Una vez validado el circuito de potencia, se pasó al diseño del PCB. Los equipos utilizados en el laboratorio son los siguientes: - Osciloscopio digital Tektronix TDS 714L - Sonda de corriente Tektronix TCP202 - Sonda de tensión diferencial Yokogawa 700924 - Generador de señal Tektronix AFG 3022 - Resistencia CGS HSC100 - Fuente de alimentación programable AC/DC GWINSTEK APS-1102
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 52 Fig.24–Bancadadeensayos Con la fuente funcionando a tensión de red se obtuvieron diferentes formas de onda para varios de los estados de carga de la batería. En la siguiente figura podemos ver formas de onda correspondientes a la corriente por el transistor, la tensión drenador – fuente del transistor y la señal del driver de disparo funcionando con un tiempo de ciclo del 20%. Esta captura de pantalla corresponde con una corriente de salida de 4 amperios y una tensión de salida de 32 V. Éste es el estado de corriente y tensione más desfavorable en el que se puede encontrar el cargador durante todo el proceso de carga. La corriente de pico del primario coincide con el valor obtenido en el diseño teórico. El circuito de clamp está cortando la onda de tensión del transistor alrededor de los 600 V, dejando un amplio margen de seguridad para el transistor. Podemos comprobar, con la bajada de tensión al final de toff, cómo la flyback entra en modo discontinuo. El circuito de snubber de paso a off atenúa las sobreoscilaciones de forma satisfactoria.
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 53 Fig.25–SeñalesdecorrienteytensióndeltransistorconIo=4AVo=32V A continuación se tomó otra medida para verificar que la corriente de salida era del valor esperado de 4 A. Fig.26–Tensióndeltransistor,corrientedesalidaIo=4A
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 54 La corriente a través del diodo de salida no es posible mostrarla en el osciloscopio ya que no es accesible con la sonda de corriente, pero lo que sí que podemos medir es la tensión que éste soporta. Fig.27–Corrienteporeltransistorytensiónporeldiododesalida Combinando las dos imágenes anteriores, podemos diferenciar los tres estados de funcionamiento de la flyback como podemos ver en la Fig.28.
Capít u Fig.28–De m u lo 4 Simulac m ostraciónde m iones y result m ododefunci o ados experim e o namientodis c e ntales c ontinuoDCM 55
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 56 4.5 - DISEÑO Y MONTAJE DE LA PLACA. El diseño de la placa se ha realizado con el programa EAGLE 6.2.0. Se ha diseñado una placa de un tamaño de 140x72x50 mm. La etapa final en el diseño de cualquier etapa de potencia es el diseño físico del circuito impreso (PCB). Si se diseña de forma inadecuada, el PCB puede contribuir a la inestabilidad del cargador y radiar interferencias electromagnéticas de forma excesiva (EMI). El cargador contiene señales de alta frecuencia y una pista inadecuada del PCB puede funcionar como antena. La longitud y la anchura de las pistas afectan a su resistencia e inductancia, lo cual afecta a su respuesta en frecuencia. Todas las pistas que sean atravesadas por corrientes AC deben de ser lo más cortas y anchas posibles. En una etapa flyback hay cuatro bucles de corriente. Estos bucles deben de estar separados. [5] Los bucles son: - Entrada de alimentación en AC. - Interruptor de potencia. - Salida del transformador. - Salida hacia la carga. Fig.29 – Buclesdecorrienteenlaetapaflyback[5] Conforme el diseño va avanzando llega el momento de empezar a pensar en proteger al cargador de posibles fallos que puedan dañarlo y también de instalar un conjunto de componentes que nos ayuden a proteger a nuestro equipo para disminuir la magnitud de las perturbaciones electromagnéticas que pueda emitir.
Capítulo 4 Simulaciones y resultados experimentales 57 Fig.30 – Filtrodeentradaycomponentesdeseguridadeléctrica Como componentes de seguridad hay instalados en la entrada de AC un fusible, una NTC y un varistor: - El fusible tiene como finalidad proteger al equipo en caso de cortocircuito. - La NTC sirve para limitar la corriente de conexión. - El varistor funciona como un pequeño circuito de clamp que actuará ante picos transitorios de tensión en la entrada AC. En cuanto a la compatibilidad electromagnética hay instalador un condensador Cx con su resistencia de descarga y 3 condensadores Cy. [17] - Condensador Cx: Actúa como filtro. Este tipo de condensadores se usan solo en posiciones donde un fallo del condensador no pueda exponer a las personas a riesgos de shock eléctrico. - Condensadores Cy1 y Cy2: Se usan donde un fallo del condensador podría exponer a personar a un shock eléctrico. Estos condensadores están conectados entre fase y toma de tierra y neutro y toma de tierra. El valor de los condensadores está limitado a la corriente de fuga que el sistema pueda permitir, normalmente entre 0.25 y 3.5 mA. - Tenemos otro condensador Cy conectando las masas de los dos lados del transformador. El circuito impreso por ambas caras queda de la siguiente manera:
CARGADOR DE PAQUETES DE BATERÍAS DE NIMH DE 24V, 10AH PARA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS CAPÍTULO 6 CONCLUSIONES
Capítulo 6 Conclusiones 66 6.1 - CONCLUSIONES El presente proyecto contribuye al desarrollo de un tipo de cargadores inteligentes poco comunes en el mercado actual. Este campo de trabajo responde al elevado interés en crear cargadores inteligentes que carguen las baterías de una forma rápida y eficaz. Mirando en perspectiva el proyecto realizado se puede ver que ha sido un trabajo complejo en el que se han tenido que solucionar multitud de problemas en áreas de la electrónica completamente diferentes. Primero, el diseño de la etapa de potencia, donde nos hemos encontrado con multitud de problemas para conseguir un diseño óptimo. Más tarde, el diseño del PCB atendiendo a una gran cantidad de normas de ruteado, posicionamiento de componentes, distribución de los diferentes sistemas en la placa etc. Y por último, terminando con la programación de un microcontrolador que sea capaz de utilizar todos estos circuitos para realizar una carga de batería eficiente e intentando asegurar la vida útil de la batería. Se partía con el objetivo de intentar mejorar los cargadores que se encuentran actualmente en el mercado sin que esto afectase al precio del producto diseñado. Ciertamente se ha podido conseguir, con el inconveniente del aumento del volumen del cargador en comparación con la competencia actual. A partir de un extenso proceso de análisis, diseño, simulación y fabricación podemos llegar a las siguientes conclusiones: - Se ha conseguido diseñar y poner en funcionamiento la etapa flyback en el modo de funcionamiento esperado. - Las formas de onda coinciden básicamente con las esperadas, salvo algunas sobreoscilaciones o sobretensiones, consecuencias de los elementos parásitos que presentan los componentes reales. - El rendimiento obtenido alcanza los valores habituales de este tipo de convertidores. - La principal ventaja que presenta este tipo de cargadores frente a sus competidores es el mayor control enfocado a mejorar la carga de las baterías. Cabe destacar el desarrollo de una metodología de diseño aplicable a diferentes tipos de baterías atendiendo simplemente a unas consideraciones de dimensionado concretas dependiendo del índice de carga y el material de las mismas.
Capítulo 6 Conclusiones 67 6.2 - LÍNEAS FUTURAS Durante el desarrollo de este trabajo se han ido identificando nuevas líneas de trabajo, así como algunas propuestas encaminadas a mejorar el sistema desarrollado. Estas sugerencias se resumen a continuación. - Las principales líneas de investigación de este trabajo estarían encaminadas a aplicar un índice de carga mayor para poder cargar la batería en un tiempo menor. - Otra línea de evolución hace referencia a un diseño de la placa más eficiente redibujando las pistas criticas e intentando disminuir el tamaño total del cargador. - En el afán de mejorar el estudio realizado, se propone desarrollar un nuevo circuito de arranque junto con el circuito auxiliar para reducir el consumo de ambos. - Otra línea de evolución hace referencia a implementar un control inteligente que sea capaz de detectar si la batería a cargar es de NiCd o de Ni-HM pudiendo aplicar las diferentes formas de carga dependiendo del material. - La medida y rediseño del filtro de perturbaciones electromagnéticas y el aumento de las medidas de seguridad. - Modificación del firmware del microcontrolador para incluir una comunicación serie con un ordenador que transmita los parámetros de la batería y pueda servir como data-logger.
CARGADOR DE PAQUETES DE BATERÍAS DE NIMH DE 24V, 10AH PARA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS CAPÍTULO 7 REFERENCIAS
Capítulo 7. Referencias 70 7.1 - REFERENCIAS [1]TenergySmartUniversalCharger(3.5A)forNiMH/NiCDBatteryPacks:19.2v‐24v. [Online].http://www.allbattery.com/TenergySmartUniversalChargerforNiMHandNiCdBatteryPacks19.2vto24v3.5 a‐01039.aspx [2]CBAIVComputerizedBatteryTesterandAnalyzerAzimutMarine..[Online]. http://www.azimutmarine.es/nautica/electricidad/analizadores‐de‐ baterias/analizadores‐de‐baterias.htmlhttp://www.allbattery.com/cbaIVcomputerizedbatterytesterandanalyzer‐‐40a150watts‐52026.aspx [3]UBA5BatteryAnalyzer.[Online].http://www.vencon.com [4]PowerIntegrations,TOPSwitchFlybackDesignMethodology,ApplicationNotes. [5]MartyBrown,PowerSupplyCookbook.:NEWNES,2001. [6]Ukai.http://www.ukai.com/baterias‐plomo/. [7]MarshallBrain.http://electronics.howstuffworks.com/everyday‐tech/lithium‐ion‐ battery.htm. [8]JoséAntonioAlonsoAlonso. http://www.icmm.csic.es/jaalonso/velec/baterias/bateria.htm. [9]http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_nickel_metal_hydride. [10]BatteriesinaPortableWorld.http://www.buchmann.ca. [11]A.Martinez,Fuentesdealimentaciónelectrónicas,, http://psfunizar7.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=18140&Identificador=3453. [12]RobertW.EricksonyDraganMaksimovic,FundamentalsofPowerElectronics.:KLUWER ACADEMICPUBLISHERS,2004. [13]Fairchild,ApplicationNoteAN‐4147. [14]RamónPallásAreny,Sensoresyacondicionadoresdeseñal.:MARCOMBO,S.A.,2003. [15]TexasInstruments,"MSP430HardwareTools,". [16]http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DAT ASHEET/CD00226154.pdf. [17]PowerIntegrations,TOPSwitchPowerSupplyDesignTechniquesforEMIandSafetyAN‐ 15.