Napájení a blokování napájení mikroprocesorů

Napájení a blokování napájení mikroprocesorů

Materiál je určen jako pomocný materiál pouze pro studenty zapsané v předmětu: A3B38MMP ČVUT- FEL, katedra měření, přednášející Jan Fischer © Jan Fischer, 2015

A3B38MMP, 2015, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření

1

Náplň Napájení – síťové napájení, bateriové napájení vestavěných systémů stabilizace napětí napájecího zdroje opakování, (základy viz. před. prof. Zemánek) Stabilizátor se Zenerovou diodou lineární regulátor impulsní regulátor parametry integrovaných regulátorů napětí Výklad na přednášce:


2

Napájení Stabilizátor se Zenerovou diodou Zenerovo napětí UZ, jednotky voltů, minimální používané - od 3,6 V (pozor - není Zenerova dioda na 1,24 V – viz dále band. gap . reference)

I

I1 R

I2

U1 IZD

ZD

Ustab

UZ

U

Paralelní stabilizátor Vhodné pro malé odběry, stálá velikost proudu I1, přerozdělení mezi IZD a I2 růst I2, pokles IZ, pokles U2 Diferenciální odpor Rd Zenerovy diody v pracovní oblasti ∆U/∆ ∆I, jednotky Ohmů Rd =∆ A3B38MMP, 2015, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření

3

Napájení Zdroje referenčního napětí na principu šířky zakázaného pásu (Bandgap) minimálně 1,24 V Používané ve většině současných stabilizátoru a regulátorů napětí info HB206-D___Regul-Handook.pdf ON Semiconductors


4

Napájení Zdroje referenčního napětí na principu šířky zakázaného pásu (Band Gap) minimálně 1,24 V Používané ve většině současných stabilizátoru napětí Zdroje referenčního napětí v ADC na čipu mikrořadiče - Band gap. ref. Funkční obdoba Zenerovy diody (pouze z hlediska zapojení do obvodu), ale na principu „Band Gap“ TL431, viz cvičení MMP Min. napětí – Vref = 2,5 V, dynamický odpor Rd = 0,2 Ohmu, Imax= 100 mA, použito v úloze „voltmetr“, teplotní závislost 50 ppm /0C (změna 50.10-6 . Ur /oC) TLV431 napětí 1,24 V, Imax = 50 mA


5

Napájení Stabilizátor se zdrojem ref. napětí a zesilovačem zpětná vazba, regulátor – zesilovač odchylky porovnání žádané a skutečné hodnoty, podstata všech lineárních stabilizátorů napětí Výkonové ztráta P = IOUT (Uin - UOUT) např. UIN = 6 V, UOUT = 3, 3 V, IOUT = , 0, 1 A P = 2,7 V x IOUT = , 0, 27 W


6

Napájení Stabilizátor se zdrojem ref. napětí a zesilovačem- ideové schéma pro vyšší napětí, než je referenční realizace v integrované verzi


7

Regulátor LM317 Vnitřní referenční napětí Uref = 1,25 V Nejmenší možné výst. napětí UOUT = 1,25 V Minimální napěťový spád na regulátoru „Drop“, „Dropout voltage“ LM 317 - ( přibl. 2 V - viz. graf) Min. proud regulátorem ? (R1 = 120 Ohmů) IOmin 10mA („minimum load current“) („tvrdý“ dělič, nebo dát indikační LED)

Iadj = typ 0,05 až 0,1 mA Pozor na funkčnost děliče, (Pozor - přerušení R1, plné napětí na výstupu - příklad)

Minimální výst. napětí 1,25 V (svorka Adj na GND) A3B38MMP, 2015, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření

8

Regulátor LM317 vnitřní uspořádání Stabilizátor LM317, nemůže být zapojen „ naprázdno „ bez zátěže“ – potřebný pracovní proud – IOmin alespoň 10 mA. proudová ochrana, snímací odpor 0,1 Ohmu


9

Low drop regulátory ST LF33 (3,3 V), drop 0,5 V, pro napájení např. STM32 D103 procesory ARM Cortex M3 , napáj. napětí Ucc= 3,3 V, příp. nižší použití tranzistoru PNP v regulátoru diskuse parametrů - kat. list.


10

Lineární regulátory napětí- hlavní parametry Uo – výstupní napětí – pevné ( většinou), nebo nastavitelné vnějším děličem I max – maximální výstupní proud UOmin – pro nastavitelné regul. , ro bateriové aplikace, IOmin – „Minimum load current“ minimální proud výstupem ( potřebný pro správnou funkci regulace) má význam u nastavitelných regulátorů napětí, Id – (Quiescent current) klidový proud – protéká vstupem regul. a odtéká do GND „země“ – P tot, max. ztrátový výkon čipu - za předpokladu „ideálního“ chlazení


11

Lineární regulátory napětí- hlavní parametry Použití lin. regulátoru napětí – respektování hlavních parametrů Udropout, , I max, ,I min, UOmin – pro nastavitelné regul. , pro bateriové aplikace, ,


12

Pouzdra regulátorů Použití lin. regulátoru napětí – respektování hlavních parametrů max. ztrátový výkon – závistí též na schopnosti odvádět teplo chladičem tepelný odpor Rth , rozdíl teplot , tepelný tok (W) výpočty analogicky - elektrický odpor, napětí a proud tepelný odpor chladiče


13

Pouzdra regulátorů Použití PTOT – (totální) maximální ztrátový výkon obvodu při ideálním odvodu tepla z povrchu pouzdra Tepelný odpor RthJC Thermal resistance junction-case, tepelný odpor mezi čipem a pouzdrem závisí na typu pouzdra RthJA Thermal resistance junction-ambient, tepelný odpor mezi čipem a vnějším okolím ( pouzdrem) – má smysl pouzte u většíh pouzder – např. TO220 TOP Operating junction temperature range rozsah pracovních teplot vlastního čipu


14

Výpočet oteplení čipu regulátoru Elektrotepelné náhradní schéma Rth tepelný odpor analogie jako elektrický odpor Rozdíl teplot – analogie jako spád napětí na odporu Tepelný tok – výkon („proud energie“) – analogie jako elektrický proud Výpočty analogicky, jako podle Ohmova zákona Příklad (řešen na přednášce) Určete teplotu čipu regulátoru napětí LM317 v pouzdře TO220 (RthJA), jestliže na vstupu regulátoru je napětí U1 = 7,5 V, na výstupu U2 = 5 V, regulátorem protéká proud I = 0,2 A. Regulátor nemá další chladič a je umístěn ve vzduchu s teplotou t2 = 20oC Výpočet t1 = t2 + (∆ ∆U . I/ RthJA) = 20+ (7,5 - 5) x 0,2 / 50 = 20+0,5 x 50= 45 oC


15

Napájení Impulsní regulátory, snižující měnič, „step down“, snížení výkonové ztráty v regulátoru, impulsní provoz omezení proudu obvodem – místo tranzistoru (ztráty) dynamické efekt přechodového děje – náběh proudu cívkou (indukčnost) cívka – jako akumulátor energie W =1/2 L I2 „buck converter“

uL = L (di/dt),

di/dt = uL/L

uL = konst, pak lineární nárůst proudu i není možná skoková změna proudu cívkou – odvození průběhu proudu cívkou,.. řešení cívek. PWM – řízení velikosti proudu použité kondenzátory, pojem low ESR, náhradní schéma - malý sériový odpor kondenzátorů, rychlé spínací diody, typicky Schotkyho diody Impulsní regulátor – nutný filtrační kondenzátor na výstupu !!! (analogie vodní tok, akumulační vodní nádrž, vyrovnání průtoku řeky pod přehradou, kolísání hladiny)

Spoje z hlediska rušení, malý odpor (a indukčnost), krátké spoje (funkce diody výklad na přednášce - analogie kolo - „volnoběžka“, versus kolo typu „furtšlap“) A3B38MMP, 2015, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření

16

Funkce impulsního regulátoru - MC34166 – „step down“ Zpětnovazební řízení střední hodnoty proudu cívkou tak, aby na výst. bylo právě žádané napětí U2 (Vo) Dělič R2, R1, porovnání s referencí 5,05 V Možno nastavit napětí U2 větší (a rovno) než Uref

iout

(analogické – nespojité řízení výkonu domácích spotřebičů regulace typu ON - OFF

u2 uf


17

Funkce impulsního regulátoru – LM2596

Pevná frekvence, proměnná střída Pevné, nebo nastavitelné napětí „fixed output voltage“ , zde 5 V LM2596 -5 nebo „adjustable“ (označ. „ADJ“) LM2596-ADJ – vnitřní reference 1,23 V („band gap reference“), nastavení žádaného napětí - odpor. děličem (obdobně u dalších výrobců) Upozornění – průběh proudu cívkou, kolísání napětí na výstupním filtračním kondenzátoru


18

Napájení Obvod L6928 vstup 2 až 5, 5 V výstup od 0,6 V frekvence 1,4 MH, synchronní Uref = 0,6 V UOUT = Uref (1 + (R2/R1)) (vzorec jako u lin. regulátorů) výstup PGOOD – „Power Good“ úroveň H - výstup dosáhl 90 % úroveň L - výstup je nižší než 90 % (žádané hodnoty výst. napětí) RUN – shutdown méně 0,4 V L – zastaví, H – (větší než 1,3V) povolí funkci regulátoru


19

Napájení Step down – nejčastěji používané regulátory v embedded aplikacích Odstraní se problém výkonové ztráty v (v lineárním regulátoru) při napájení např. 12 V, 24 V,.. Zdroj ( akumulátor, napáječ) musí být schopen poskytnout výstupní proud shodný s max. výstupním proudem step down regulátoru !! Volba tlumivky do impulsního regulátoru – kritická Požadována daná indukčnost L a musí být dimenzována na daný proud a danou frekvenci impulsů. Proud tlumivkou – nejen otázka odporu vinutí, ale i feromagnetického jádra Pro daný max. proud tlumivkou - nesmí dojít k nasycení feromagnetika – nesmí se překročit max.indukce. (nasycení jádra tlumivky – růstem proudu – již neroste magnetický tok, pokles diferenciální indukčnosti


20

Napájení Další impulsní regulátory, „Step up“, - zvyšující, impulsní regulátory (Boost converter) využití rázu L D U1

S

C

+

U2

(mechanická analogie – použití kladiva fáze akumulace energie – síla, pohybová energie, zastavení, impuls síly) hydromechanická analogie „vodní trkač“, dlouhé potrubí, tekoucí voda, zastavení na výstupu, ráz, velký tlak,…)


21

Step Up měnič s MC34166 Step UP – zařazen spínač s tranzistorem Q2 „pumpování energie do cívky, sepnut Q1 a Q2, rozepnutí Q1, rozepnutí Q2, , proud protéká D1, L, D2 a nabíjí C0


22

Invertující měnič Invertující měnič – (buck – boost converter) S - sepnut, protéká proud v obvodu: U1, S, L, rozepnutí S – ráz , protéká proud v obvodu L, D a nabíjí C – záporné výstupní napětí,

S U1


D L

C +

U2

23

Invertující měnič s MC34166 Invertující měnič vstup + 12V, výstup - 12 V


24

Napájení – blokování napájecího zdroje Výklad na přednášce: otázka rychlosti odezvy stabilizátoru na změnu odběru , proč je nutno blokovat výstupy regulátoru pomocí C (analogie – vyrovnávací sklad energie)

∆U =

I ⋅T C

Q = CU Q = I T Q náboj, C kapacita, I proud, T čas např. impulsní odběr, ale podobně – impulsní regulátor, dodání energie pouze v diskrétních intervalech Regulátor- volba velikosti tak C, aby nebyly rušivé změny napájecího napětí při impulsních změnách proudového odběru T = 10 uS, I = 500 mA C= 100 uF, změna napětí

I ⋅ T 0,5 ⋅ 10−6 ∆U = = = 0,05 V −4 C 10 A3B38MMP, 2015, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření

25

Napájení – blokování napájení log. obvodů Výklad na přednášce: Impulsní odběr logického obvodu, mikroprocesoru při změně stavu, regulátor není schopen tak rychle reagovat problém indukčnosti rozvodu napájení čím rychlejší mikroprocesor, tím důležitější otázka blokování napájení ( analogie – sklad p. , chladnička, sklep)

UCC log.ob.


+

Cb

26

Napájení – blokování napájení, tlumivky Výklad na přednášce: Impulsní odběry- protékají impulsní proudy rozvodem napájení UCC, ale také zemí GND !!! Lokalizace proudového okruhu Tlumivka v rozvodu napájení – neumožní impulsní proud, úbytek napětí na tlumivce di

uL = L

dt

příklad L= 50 nH, uL= 1V , jaký možný nárůst proudu ?

d i uL 1V 7 = = = 2 ⋅ 10 A/s = 20 A/µ/ = 0,02A / ns -9 d t L 50 ⋅ 10 H Logický obvod s velkým impulsním odběrem – tlumivka neumožní prudkou změnu proudu z rozvodu UCC, jinak roste uL, kde je di/ dt obvod – L UCC log.ob.


+

Cb

27

Napájení – blokování napájení log. obvodů Výklad na přednášce: Omezení impulsního odběru z UCC, nutno použít blokovací kondenzátor dostatečné kapacity Cb. předpoklad proudového impulsu 200 mA pro dobu 2 ns, C= 10 nF

I ⋅ T 0,2 ⋅ 2 ⋅ 10−9 ∆U = = = 0,04 V −9 C 10 ⋅ 10

Kondenzátor s kapacitou 10 nF napájení log. obodu po dobu 2 ns při poklesu napětí o 0,04 V Logický obvod s velkým impulsním odběrem – tlumivka neumožní prudkou změnu proudového odběru (di/ dt) obvod – energie z lokálního blokovacího kondenzátoru Cb , snížení rušení po rozvodu napájení Snížení impulsních proudů rozvodem GND Snížení rušení po rozvodu napájení L U CC a vyzařování rušivé vysokofrekvenční + Cb energie log.ob. GND A3B38MMP, 2015, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření

28

Ovládání akčních členů s indukčním charakterem Výklad na přednášce: L -indukční zátěž !!! u -špič.

Ovládání relé, solenoidových ventilů , U1 T buzení vinutí krokových motorků, SS motorků – nechtěný zvyšující měnič při vypnutí - !!! špičkové napětí (podobně jako „step up“ měniče). u –špička - nebezpečí průrazu přechodu kolektor báze tranzistoru. ( podobně – při PWM řízení ss motorku) D použít ochrannou diodu – (rekuperační dioda) , ale zpomalení odpadu relé, příp. použití rezistoru do série s diodou


U1

T

Mproc.

Mproc.

29

Ovládání akčních členů s indukčním charakterem Výklad na přednášce: Použít ochrannou diodu – rekuperační dioda , ale zpomalení odpadu relé, Velikost uL omezena vnější diodou úbytkem na odporu vinutí

uL = L ∞

di dt 0

∫ u dt = ∫ Ld i L

0

I

uLdt = Ld i ∞

∫ u dt = − L I

D U1

Rs

D U1

Mproc.

T

T

Mproc.

L

0

integrál uL podle času je konstantní roven L . I. při vypínání - změna proudu z počáteční hodnoty I na nulu pří použití rezistoru Rs do série s diodou, průtok proudu, úbytek napětí, uL vzroste, rychlejší průběh přechodového děje ( bez diody, vysoké napětí uL, nejkratší přechodový děj). A3B38MMP, 2015, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření

30

Napájení a blokování napájení mikroprocesorů

Recommend Documents