PSU en LAN gestuurde MSU

Departement Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding Bachelor in de elektronica-ICT Afstudeerrichting elektronica

PSU en LAN gestuurde MSU

Eindwerk aangeboden tot het behalen van het diploma van Bachelor in de elektronica-ICT door Rebecca Caenepeel

o.l.v. Franky Loret, KHBO Jeroen Deserranno, Connectronics Wim Ramon, Connectronics

Academiejaar 2011 - 2012

KHBO Campus Oostende ● Zeedijk 101 ● B-8400 Oostende ● Tel. +32 59 56 90 00 ● Fax +32 59 56 90 01 ● www.khbo.be

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

MEDEDELING

Deze eindverhandeling was een examen. De tijdens de verdediging geformuleerde opmerkingen werden niet opgenomen.

KHBO Dept. IW&T | 2011-2012

I

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

VOORWOORD

Mijn stage is gekoppeld aan mijn eindwerk. Ik heb er dan ook voor gekozen om na de stageperiode verder te werken op mijn stageplaats. Zodoende heb ik nog 4 maand samengewerkt met mensen van de testen engineeringafdeling van Connectronics Poperinge.

Graag zou ik in de eerste plaats mijn buitenpromotoren Dhr. Jeroen Deserranno en Dhr. Wim Ramon willen bedanken. Ook aan mijn binnenpromotor Dhr. Franky Loret en de vele andere docenten wil ik een dankwoordje richten. Van hen heb ik veel opgestoken gedurende mijn opleiding aan het VTI Ieper en de KHBO Oostende.

Een welgemeend woordje van dank aan alle collega’s van de afdeling die me ruimte en tijd gaven mijn competenties te toetsen en verder te ontwikkelen.

Een warme dankbetuiging aan mijn familie, die mij gedurende de hele opleiding de nodige financiële en morele steun heeft gegeven om dit eindwerk tot een goed resultaat te brengen.

Als laatste wil ik mijn vriend bedanken. Hoewel dit eindwerk veel van mijn vrije tijd eiste, steunde hij mij doorheen de hele opleiding.


II

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

ABSTRACT (NEDERLANDS)

Connectronics is een divisie van Connect Group. Dit bedrijf staat onder andere in voor het ontwerp en testen van PCB’s. Connectronics heeft verschillende testsystemen nodig voor het testen van de ontworpen PCB’s. De testen en testsystemen worden bepaald aan de hand van de eisen van de klant. Momenteel wordt er een algemeen testsysteem opgebouwd. Deze eindverhandeling bespreekt de realisatie van de voeding en het meetsysteem die gebruikt kunnen worden voor het maken van een specifiek testsysteem voor een product. De voeding is manueel en digitaal instelbaar, vanaf 0,8V tot 48V. De ingangsspanning kan variëren van 12V tot 60V. Wanneer deze voeding gekoppeld wordt aan de ontworpen meeteenheid, zal de voeding digitaal instelbaar zijn. De meeteenheid kan spanning en stroom meten tot op 0,1V nauwkeurig. Deze waarden zouden via LAN-verbinding verstuurd moeten worden. In deze eindwerkscriptie zal besproken worden hoe deze voeding en meeteenheid zijn opgebouwd. Om de communicatie te testen werd gebruik gemaakt van RS232. Later zou dit veranderd worden door LAN communicatie. Verder wordt er in deze eindverhandeling besproken wat de afgelegde weg is van deze dissertatie, samen met uitgevoerde metingen en problemen. Voor de voeding werd er gebruik gemaakt van de LTC3810-5.


III

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

ABSTRACT (ENGELS)

The Connect Group supports customers by the design and production of cables and cable-harnesses; PCB assembly, final product assembly and tests. Connectronics is a division of Connect Group. When they design a new PCB, they also need to test it. They use different controllers to make a test system. In this test system they need a boundary scan, supply, measurement system, barcode scanner,… . When they have to make a new test system, the necessary controllers must be selected. In this thesis the supply and measurement system are designed. So Connectronics can use these two controllers in a following test system. The supply is adjustable from 0,8V to 48V. The value of the step is 0,1V. The input voltage can be variable between 12V and 60V.The supply is digital and manual adjustable.

The power supply is manually adjustable when working autonomously. When the measurement system is connected to the supply unit, then it is digital adjustable. The measurement system can measure voltage and current. These measured values will be transmitted with RS232 for testing, and will be transmitted later with LAN. This thesis describes what has been realized, how it was made and what has been worked out in theory. The supply is based on the LTC3810-5 and for the MSU the HY3131 is used.


IV

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

INHOUD Mededeling ........................................................................................................................................ I Voorwoord .........................................................................................................................................II Abstract (Nederlands) ........................................................................................................................III Abstract (Engels) ............................................................................................................................... IV Lijst met illustraties .......................................................................................................................... VII Lijst met tabellen ...............................................................................................................................IX Alfabetische lijst met afkortingen....................................................................................................... X Inleiding..............................................................................................................................................1 Situering bedrijf ..............................................................................................................................1 Doel en opdracht dissertatie ...........................................................................................................3 Voorstudie ......................................................................................................................................4 1.

PSU (Power Supply Unit) .............................................................................................................5 1.1

Blokschema .........................................................................................................................5

1.2

Bespreking blokken .............................................................................................................5

1.2.1

DC/DC convertor ..........................................................................................................6

1.2.2

Manuele/digitale regeling .......................................................................................... 37

1.2.3

Realisatie ................................................................................................................... 40

2. MSU (Measurement Supply Unit) .................................................................................................. 48 2.1 Hardware ................................................................................................................................ 48 2.1.1 Blokschema ...................................................................................................................... 48 2.1.2 Bespreking blokken .......................................................................................................... 48 2.2 Firmware................................................................................................................................. 76 2.2.1 Flowchart ......................................................................................................................... 76 2.2.1.1 Shut down ..................................................................................................................... 77 2.2.1.2 DMM uitlezen ................................................................................................................ 77 2.2.1.3 PSU instellen.................................................................................................................. 78 2.3 Uiteindelijke realisatie ............................................................................................................. 79 3. Kostprijsberekening ...................................................................................................................... 85 3.1 PSU ......................................................................................................................................... 85 3.2 MSU ........................................................................................................................................ 85 Besluiten........................................................................................................................................... 86 Besluiten op technisch gebied ....................................................................................................... 86 Besluiten op organisatorisch gebied .............................................................................................. 86


V

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Besluiten van de realisatie ............................................................................................................ 87 Bibliografie ....................................................................................................................................... 88 Bijlage A: Exel bestand met berekening weerstanden regelkring ....................................................... 90 Bijlage B: Schema ontwerp................................................................................................................ 91 Bijlage C: Testbord DMM .................................................................................................................. 95 Bijlage D: Register instellingen DMM ................................................................................................ 96 Bijlage E: Kostprijs ............................................................................................................................. 98


VI

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

LIJST MET ILLUSTRATIES Figuur 1: Blokschema PSU ...................................................................................................................5 Figuur 2: Basis schema switching regulator .........................................................................................6 Figuur 3: Pin configuratie ....................................................................................................................7 Figuur 4: Intern schema ......................................................................................................................8 Figuur 5: INTVCC current in functie van INTVCC voltage .........................................................................9 Figuur 6: Current sense threshold in functie van ITH voltage............................................................... 10 Figuur 7: Efficiëntie in functie van de input spanning ........................................................................ 10 Figuur 8: Efficiëntie in functie van de belastingstroom ...................................................................... 11 Figuur 9: ITH spanning in functie van de belasting stroom .................................................................. 11 Figuur 10: Efficiëntie in functie van de belasting ............................................................................... 12 Figuur 11: Vergelijking van de belasting stroom in pulse skip mode en forced continuous mode ....... 13 Figuur 12: Instelling voor coincident en ratiometric tracking ............................................................. 14 Figuur 13: Visualisatie uitgangsspanning bij coincident en ratiometric tracking ................................. 14 Figuur 14: Floating TG driver en Negative BG return ......................................................................... 15 Figuur 15: Operating modes voor IC/Driver Supply............................................................................ 16 Figuur 16: ρt in functie van de junctie temperatuur .......................................................................... 18 Figuur 17: Switching frequentie in functie van RON ............................................................................ 19 Figuur 18: Correctie van de frequentie shot met belastingstroom veranderingen ............................. 20 Figuur 19: Maximum switching frequentie in functie van de duty cycle ............................................. 20 Figuur 20: Instelling Vsense ............................................................................................................... 23 Figuur 21: ρt van de mosfet. ............................................................................................................. 23 Figuur 22: Eerste schema .................................................................................................................. 25 Figuur 23: Uitgangsspanning bij de eerste simulatie .......................................................................... 25 Figuur 24: Spanning op de SS/TRACK pin bij de eerste simulatie ........................................................ 25 Figuur 25: Schema tweede simulatie ................................................................................................. 26 Figuur 26: VOUT van de tweede simulatie ......................................................................................... 27 Figuur 27: Spanning verloop op de SS/TRACK pin van de tweede simulatie ....................................... 27 Figuur 28: VOUT van de derde simulatie ........................................................................................... 27 Figuur 29: Spanning op de SS/TRACK pin van de derde simulatie....................................................... 27 Figuur 30: Schema van de derde simulatie ........................................................................................ 28 Figuur 31: Uitgangsspanning van het voorbeeldschema .................................................................... 28 Figuur 32: Uitgangsspanning van het voorbeeldschema .................................................................... 29 Figuur 33: Spanning op de SS/TRACK pin van het voorbeeldschema .................................................. 29 Figuur 34: Het voorbeeldschema ...................................................................................................... 29 Figuur 35: Invloed van C2 op de uitgangsspanning ............................................................................ 30 Figuur 36: Invloed van C1 op de uitgangsspanning ............................................................................ 30 Figuur 37: Schema regelbare voeding met rimpel ............................................................................. 31 Figuur 38: Rimpel uitgang ................................................................................................................. 31 Figuur 39: Uitgangsspanning met batterij van condensatoren ........................................................... 32 Figuur 40: Schema regelbare voeding met uitgangscondensator ....................................................... 32 Figuur 41: Schema van de regelbare voeding met LC filter ................................................................ 33 Figuur 42: Uitgangsspanning met LC-filter ......................................................................................... 33 Figuur 43: Schema regelbare voeding met batterij van condensatoren en LC-filter............................ 34


VII

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 44: Uitgangsspanning met een batterij van condensatoren en LC-filter .................................. 34 Figuur 45: Schema met twee uitgangsfilters ...................................................................................... 35 Figuur 46: Uitgangsspanning wanneer twee filters aan de uitgang bevestigd worden. ....................... 35 Figuur 47: Uitgangsspanning ............................................................................................................. 35 Figuur 48: Rimpel grootte van de regelbare voeding ......................................................................... 36 Figuur 49: Schema van de regelbare voeding .................................................................................... 36 Figuur 50: Gevonden oplossing voor de manuele/digitale instelling .................................................. 37 Figuur 51: Werking rotary encoder.................................................................................................... 38 Figuur 52: Schema regelkring ............................................................................................................ 40 Figuur 53: Uitgangsspanning bij een ingestelde waarde voor 7.8V zonder belasting op de uitgang .... 43 Figuur 54: Ingestelde voeding op 5.3V............................................................................................... 44 Figuur 55: Voeding ingeschakeld op 5.3V met belasting van 33Ohm ................................................. 44 Figuur 56: Voeding ingesteld op een spanning van 5.3V met een belasting van 22Ohm ..................... 45 Figuur 57: Spanning op de NDRV pin wanneer de LTC3810 defect was. ............................................. 45 Figuur 58: Spanning op de NDRV pin ................................................................................................. 46 Figuur 59: INTVCC spanning .............................................................................................................. 46 Figuur 60: Spanning op de BOOST pin. .............................................................................................. 47 Figuur 61: Blokschema MSU .............................................................................................................. 48 Figuur 62: Blokschema voeding ......................................................................................................... 49 Figuur 63: DMM uitlezen met SPI ...................................................................................................... 51 Figuur 64: DMM instellen via SPI ....................................................................................................... 52 Figuur 65: Registerinstellingen interrupt ........................................................................................... 52 Figuur 66: Voorstelling van een IRQ .................................................................................................. 52 Figuur 67: Blokschema klok DMM ..................................................................................................... 53 Figuur 68: Registers om de klok in te stellen voor de DMM ............................................................... 53 Figuur 69: Blokschema spanning referentie generator ...................................................................... 54 Figuur 70: Registers om de spanning referentie generator in te stellen ............................................. 54 Figuur 71: Register voor het analoog geschakelde netwerk ............................................................... 55 Figuur 72: Blokschema analoog geschakeld netwerk ......................................................................... 56 Figuur 73: Blokschema OPAMP en comparator ................................................................................. 57 Figuur 74: Register instelling van de OPAMP en comparator ............................................................. 57 Figuur 75: Blokschema Pre-filter en ADC input MUX ......................................................................... 58 Figuur 76: Bijhorende registers voor de Pre-filter en de ADC input MUX ........................................... 58 Figuur 77: Blokschema ADC............................................................................................................... 59 Figuur 78: Bijhorende registers van de ADC....................................................................................... 59 Figuur 79: Instelling van AD1CHOP .................................................................................................... 60 Figuur 80: Waarden voor de versterking van de ingangsspanning en referentiespanning. ................. 60 Figuur 81: Visualisatie van de gemeten spanning .............................................................................. 61 Figuur 82: Bijhorende registerinstellingen ......................................................................................... 61 Figuur 83: Instelling AD1RH en AD1RL ............................................................................................... 62 Figuur 84: Instelling van AD1OS ........................................................................................................ 62 Figuur 85: Foto van het oefenbord .................................................................................................... 64 Figuur 86: Voedingsconnectie ........................................................................................................... 64 Figuur 87: Blokschema evaluatie bord ............................................................................................... 65 Figuur 88: Voorstelling specificaties van de microcontroller .............................................................. 66


VIII

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 89: Samenstelling van een karakter ........................................................................................ 67 Figuur 90: UART aansluiting .............................................................................................................. 67 Figuur 91: Voorstelling van een PWM signaal. ................................................................................... 69 Figuur 92:: Niet overlappende signalen van de PWM complementaire uitgangen ............................. 69 Figuur 93: Instellingen van de blokgolf .............................................................................................. 70 Figuur 94: Single master en single slave in SPI ................................................................................... 71 Figuur 95: SPI master met meerdere slaves ....................................................................................... 72 Figuur 96: Werking SPI ...................................................................................................................... 72 Figuur 97: Werking SPI ...................................................................................................................... 73 Figuur 98: Status Led......................................................................................................................... 74 Figuur 99: Beeld om de microcontroller te programmeren ................................................................ 75 Figuur 100: Eerste flowchart Figuur 101: DMM uitlezen............................................................. 76 Figuur 102: PSU instellen .................................................................................................................. 76 Figuur 103: Print screen gebruikte terminal ...................................................................................... 80 Figuur 104: Instellingen software terminal v1.9................................................................................. 80 Figuur 105: Voorgeprogrammeerde macro's ..................................................................................... 81 Figuur 106: Includes USART............................................................................................................... 81 Figuur 107: Instellingen variabelen volgens het type oefenbord ........................................................ 82 Figuur 108: Instelling UART ............................................................................................................... 82 Figuur 109: Methoden UART ............................................................................................................. 83 Figuur 110: Vervolg methoden USART............................................................................................... 83

LIJST MET TABELLEN Tabel 1: Verschillen tussen LTC3810 en de LTC3810-5 ....................................................................... 40 Tabel 2: Pariteit ................................................................................................................................ 68


IX

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

ALFABETISCHE LIJST M ET AFKORTINGEN ̅ , NSS CS DMM DSP EMI ESR FB I²C IC IG LAN MISO MOSFET MOSI MSU OST PCB PSU PWM RG SLCK SPI UART USART USB VFB VIN VOUT ρt


Slave Select Chip Select Digitale multimeter Digtal Signal Processing Electromagnetic Interference Equivalent series Resistance Feedback Inter IC Integrated circuit Input gain Local Area Network Master Input Slave Output Metal-oxide-Semidconductor Field-effect Transistor Master Output Slave Input Measurement Supply Unit One Shot Timer Printed Circuit Board Power Supply Unit Pulse Width Modulation Reference Gain Klok Serial Peripheral Interface Universal Asynchronous Receiver Transmitter Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter Universal Serial Bus Feedback Spanning Ingangsspanning Uitgangsspanning Temperatuur Coëfficient

X

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

INLEIDING SITUERING BEDRIJF

“De Connect Group levert de beste Electronic Manufacturing Services aan een brede waaier van markten. De Connect Group ondersteunt klanten in de ontwikkeling en productie van kabels, kabelbomen, samenbouw en testen van PCB’s en eindproducten.” (twisted, 1970) De hoofdzetel is gevestigd in Kampenhout met een filiaal in Poperinge. In Nederland is een bedrijfsafdeling gevestigd in Rijen. Connectronics is ook vertegenwoordigd in Kladno (Tsjechië). In Roemenië zijn er twee vestigingen. Er is Connect Systems Roemenië en Connectronics Roemenië S.R.L., beiden in Oradea.

De missie van het bedrijf is: “Het succes van onze klanten in industriële en professionele markten in Europa verbeteren door, als leverancier van totaaloplossingen, de beste Electronic Manufacturing Services aan te bieden.” (twisted, 1970)


1

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

De technologie-diensten van Connect Group omvatten:

- Design-in voor samenbouw van kabels; - Co-engineering; - Component definiëring; - PCB layout; - Ondersteuning bij ontwikkeling; - First stage prototyping; - FMEA; - Controle designregels; - Mechanische design; - Obsolete component management; - Last time buy. De testen omvatten: - In-circuit test; - Functionele test; - Flying Probe; - 3D X-ray; - Automatic Optical Inspection (AOI); - Burn-in Test; - Life Cycle Test (Hass/Halt).

Connect Group heeft diverse afzetmarkten: - Medische wereld; - Spoorwegen; - Luchtvaart; - Automotive; - Militair; - Telecommunicatie.


2

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

DOEL EN OPDRACHT DISSERTATIE

Wanneer in het bedrijf een product ontworpen wordt moet het ook worden uitgetest en dat gebeurt in verschillende stappen. Telkens is een voeding en een meeteenheid nodig. Het bedrijf heeft momenteel een geschikte voeding in de testtoren maar deze is te groot en te duur om te gebruiken in een stand alone applicatie. De digitale multimeter is het belangrijkste instrument om de spanning en de stroom te meten. De opdracht van dit eindwerk bestaat erin om deze regelbare voeding en meeteenheid te ontwerpen, te testen en te bouwen. De voeding moet een instelbare uitgangspanning hebben tussen 0,8V en 48V. De ingangsspanning kan variëren tussen 12V en 60V. De voedingsspanning moet veranderen in stappen van 0,1V. Deze voeding zou een stroom moeten kunnen leveren tot 5A. De voeding is manueel instelbaar wanneer hij autonoom werkt. Wanneer de meeteenheid gekoppeld wordt aan de voeding , is deze voeding niet meer manueel maar digitaal instelbaar. Het tweede deel waaruit mijn thesis bestaat, is het ontwerpen, bouwen en testen van een meeteenheid. Deze meeteenheid zou bestaan uit vier kanalen die spanning en stroom kunnen meten. Deze gemeten waarden zouden verstuurd worden via een LAN-verbinding. Ook de waarden om de voeding digitaal in te stellen zouden doorgestuurd worden. Op basis van deze opdracht is de titel “Een PSU en LAN gestuurde MSU” gekozen. De afkorting PSU (Power Supply Unit) is voor de voeding die instelbaar is. De LAN gestuurde MSU (Measurement Supply Unit) slaat op het gedeelte van de meeteenheid en het versturen van de gegevens via een LAN-verbinding.


3

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

VOORSTUDIE

Eens het onderwerp bekend, werden enkele gegevens opgezocht: -

Bestaat dit toestel al? Welke varianten bestaan er reeds? Welke verschillen zijn er met bestaande ontwerpen? Waarom zou mijn ontwerp nog gemaakt worden? Welke schema’s kunnen gebruikt worden?

Deze opzoekingen zijn gedaan om twee redenen: -

Wat zijn de vraag en het aanbod van gelijkaardige producten? Bestaan deze toestellen al? Alleen zo kunnen de verschillen vergeleken worden. Er werd nagegaan welke schema’s al bestaan om zo onnodig werk te vermijden.

Bij de opzoekingen werd tot de vaststelling gekomen dat er al heel wat verschillende voedingen bestaan. Telkens was er één van onderstaande factoren die aanhaalde dat de voeding moest gemaakt worden: -

-

De specificaties klopten niet: o Geen manuele of digitale regeling; o Kon niet afgeregeld worden vanaf 0,8V tot 48V; o De stapgrootte was veel te groot. De voeding was te groot; De kostprijs was te hoog.

De digitale multimeter moet kunnen communiceren met de voeding. Zo werd gezocht naar een combinatie van een digitale multimeter en een voeding die met elkaar zouden kunnen communiceren. Dit werd echter niet gevonden.


4

Caenepeel Rebecca

1.

3AI1EO

PSU (POWER SUPPLY UNIT)

1.1 BLOKSCHEMA

Figuur 1: Blokschema PSU

1.2 BESPREKING BLOKKEN Om de PSU te realiseren is gebruik gemaakt van een synchrone switching regulator controller, geschakeld als een step down convertor, omdat deze grotere stromen kan leveren. Een geschakelde convertor kan grotere stromen leveren omwille van zijn werkingsprincipe. Zo gebruikt de convertor schakelende MOSFET’s waarbij zeer weinig energie verloren gaat. Er wordt energie op de spoel opgebouwd en dan terug vrijgemaakt. Een schakelende voeding zal enkel zijn duty cycle aanpassen, en eventueel zijn frequentie, om de uitgang constant te houden. Als er een lineaire voeding zou gebruikt worden om de uitgangsspanning te regelen, zou die gewoon de overtollige spanning opnemen. Dit is verschillend met de schakelende voeding. Deze schakelende step down convertor wordt verder in detail besproken. In dit blokschema (figuur 1) worden twee regelkringen weergegeven die verschillend zijn, namelijk een manuele en een digitale. Zo kan de voeding digitaal of manueel ingesteld worden. Er is een switch om de juiste regeling te kiezen. In de volgende onderverdelingen wordt het blok DC/DC convertor besproken en de realisatie van de regelkring. De specificaties van de voeding zijn de volgende: -

-

-

Om een stabiele uitgangsspanning te verkrijgen moet het IC een minimumspanning van 12V bij de ingang aangeboden krijgen. Het gekozen IC heeft een maximum ingangsspanning van 60V. Zo zal de ingangsspanning variëren tussen 12 en 60V; De uitgangsspanning is regelbaar van 0,8V tot 48V. Deze is minimum 0,8V omdat dit het minimum is dat de step-down convertor kan genereren. De uitgangsspanning van 48V en de gevraagde maximum uitgangsstroom van 5A waren gewenst door het bedrijf. De gekozen synchrone switching regulator controller kan een stroom leveren tot 25A;


5

Caenepeel Rebecca -

-

3AI1EO

De stapgrootte is 0,1V. Dit is gekozen omdat deze voeding zal gebruikt worden in allerlei testsystemen en dan zijn meestal spanningen nodig die fijn regelbaar zijn tot 0,1V; Deze voeding is manueel en digitaal instelbaar. Het mag echter niet zijn dat hij op hetzelfde moment digitaal en manueel regelbaar is. Zo werd besloten dat, wanneer de meeteenheid wordt aangesloten, de voeding automatisch digitaal ingesteld wordt. De realisatie hiervan wordt later besproken; Wanneer de voeding van manueel naar digitaal instelbaar gaat of omgekeerd, zal de waarde van de potentiometer niet veranderen. Dat wil zeggen dat, als de voeding digitaal is ingesteld en deze wordt losgekoppeld, de ingestelde waarde behouden blijft.

1.2.1 DC/DC CONVERTOR Spanning kan op verschillende manieren omgevormd worden. Zo bestaan er diverse types spanningsomvormers: -

DC/DC step down convertor; Buck convertor; Boost convertor; Buck-boost convertor; Spanning regulator; Transformator; …

Een DC/DC convertor biedt de mogelijkheid om een aangeboden spanning te veranderen naar een gewenste spanning. Een DC/DC convertor kan op een andere manier opgesplitst worden in twee groepen. Namelijk DC/DC convertors die continu of discontinu zijn. Van continue DC/DC convertors zal de DC/DC convertors voortdurend werken en dus geen periode hebben waar de DC/DC convertor uitgeschakeld is. Bij discontinue DC/DC convertors is de stroom door de spoel op sommige tijdstippen wel gelijk aan 0A. De DC/DC convertor die gekozen werd, werkt op het principe van een switching regulator. Een belangrijk onderdeel in de DC/DC-convertor is de elektronische schakelaar. In deze schakelingen worden telkens een schakelaar, inductantie en diode gebruikt om de energie om te vormen van de ingang naar de uitgang. Een eenvoudige schakeling van een switching regulator is te zien in figuur 2.

Figuur 2: Basis schema switching regulator

De voornaamste voordelen van een geschakelde voeding zijn de hoge efficiëntie en de lage verliezen. Met geschakelde voedingen kan omhoog en omlaag getransformeerd en geïnverteerd worden.


6

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Bij sommige uitvoeringen zijn de ingangsspanning en de uitgangsspanning van elkaar gescheiden. Met het IC worden MOSFET’s zodanig geschakeld dat de gemiddelde spanning de juiste uitgangsspanning is. Om een step down convertor in te stellen wordt gebruik gemaakt van een regelkring. Dit is een kring tussen de uitgangsspanning en een bepaalde klem van het IC die controleert of deze spanning gelijk is aan de 0,8V. De klem wordt meestal aangeduid met FB (feedback) of VFB( dit refereert naar feedback spanning). Wanneer de spanning op deze pin lager is dan 0,8V zal het IC de MOSFET’s zo sturen dat de uitgangsspanning verhoogt. Wanneer de spanning echter hoger ligt dan 0,8V aan de terugkoppelpin, dan zal het IC de MOSFET’s zodanig instellen dat de uitgangsspanning verlaagt. Door een weerstand delend netwerk tussen deze twee pinnen, uitgang en de feedbackpin, te plaatsen wordt de regelkring beïnvloed zodat de regelspanning en de uitgangsspanning zichzelf regelen. Voor deze applicatie is gekozen voor de LTC3810-5 van Linear Technology. Deze keuze werd gemaakt omdat het een geschakelde step-down convertor is en dus met zekerheid de 5A kan leveren. Ook de beschikbaarheid, kostprijs, package, vormfactor, energie dissipatie en EMC-gedrag speelden hierin een rol. De maximum ingangsspanning is 60V wat goed is voor deze applicatie die een maximum uitgangsspanning van 48V heeft. De LTC3810-5 kan stromen tot 29A schakelen, wat zeker voldoende is. Deze specificatie werd later gecontroleerd bij de simulaties. 1.2.1.1 BESPREKING LTC3810-5 Pin configuratie

Figuur 3: Pin configuratie

Hieronder wordt het IC verder uitgelegd. Telkens worden pinnen uitgelegd en kunnen deze teruggevonden worden in figuur 3.


7

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Intern schema

Figuur 4: Intern schema

Figuur 4 beschrijft het intern schema van de LTC3810-5. Hierin staan de referenties van de componenten die later zullen gebruikt worden. Uit dit schema kan er besloten worden dat het IC zijn referentiespanningen, 5V en 0,8V, haalt van de INTVCC. Dit gedeelte wordt omkaderd in figuur 4.


8

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Uit figuur 4 kan afgeleid worden wanneer het IC in shutdown modus gaat. Dit is, zoals hierboven al vermeld , wanneer de spanning van de ̅̅̅̅̅̅̅̅ pin onder 1,5V komt. Wanneer het IC te warm wordt zal de overtemp sense hoog worden en dus in shutdown modus gaan. Ook wanneer de INTVCC onder 4,2V komt of wanneer de UVIN onder 0,8V komt, zal het IC in shutdown modus gaan. Dan zullen beide externe MOSFET’s switches uitgeschakeld worden en wordt de voedingsstroom gereduceerd tot 240µA.

In het ontwerp van dit schema en in de metingen zal met deze voorwaarden rekening moeten worden gehouden. In dit schema is te zien dat de PGOOD pin wordt gestuurd door de waarden van de VFB pin. PGOOD staat voor Power Good output. Deze pin wordt naar massa getrokken zolang de uitgangsspanning niet ±10% van de theoretische uitgangsspanning bedraagt. Uit het interne schema blijkt dat de VFB pin invloed heeft op het switch logic gedeelte. Hieruit blijkt dat de ITH pin en de SENSE+, SENSE – pinnen stroom- terugkoppelingen zijn. De VON en de ION zorgen voor de instelling van de schakelfrequentie van het IC. Grafieken De foldback stroombegrenzing biedt verdere beveiliging als de uitgang kortgesloten wordt. Als de VFB daalt, zal de ITHB dalen en vastgehouden worden op 1V. Het reduceert de stroom van de spoel tot 1/6 van zijn maximumwaarde. De foldback stroombegrenzing wordt uitgeschakeld bij het opstarten.

Figuur 5: INTVCC current in functie van INTV CC voltage

In figuur 5 is te zien dat vanaf 4,2V de stroom gaat stijgen op deze pin. Zo zal het IC uit de shutdown mode komen. Uit figuur 6 kan besloten worden dat de spanning op de pin van VRNG invloed heeft op de ITH pin en de current sense threshold.


9

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 6: Current sense threshold in functie van I TH voltage

Wanneer de spanning op de VRNG klem stijgt zal de absolute waarde van de spanning op de I TH pin en de current sense threshold ook stijgen. Uit verschillende grafieken kan men zien dat de efficiëntie afhankelijk is van veel factoren. Zo is ze afhankelijk van de mode die gekozen wordt (dit wordt later besproken), maar ook van de ingangsspanning en de belastingsstroom. Dit is terug te vinden in figuur 7. Naarmate de ingangsspanning verhoogt, daalt de efficiëntie. De efficiëntie ligt ook een heel stuk lager bij een lagere belastingsstroom. Dan is er een steilere daling dan bij een hogere belastingsstroom.

Figuur 7: Efficiëntie in functie van de input spanning

Figuur 8 laat zien dat bij een ingangsspanning de efficiëntie daalt wanneer de belastingsstroom stijgt. Zo is te zien dat bij een hogere ingangsstroom de efficiëntie daalt bij het stijgen van de ingangsspanning.


10

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 8: Efficiëntie in functie van de belastingstroom

In figuur 9 is bepaald dat de belastingsstroom invloed heeft op de spanning die op de ITH pin staat.

Figuur 9: ITH spanning in functie van de belasting stroom

Wanneer de belastingsstroom stijgt zal dus ook de spanning op de ITH pin hoger zijn. Werking Bij normale werking wordt de bovenste MOSFET aangestuurd met een vast interval gegeven door de one-shot timer (OST). Wanneer de bovenste MOSFET uitgeschakeld is, zal de onderste MOSFET aangestuurd worden tot de stroom door de comparator ICMP hoog genoeg is. Dit zal de OST terug starten en zo wordt de volgende cyclus gestart. De spanning op de ITH pin stelt de comparator threshold spanning in die overeenkomt met de stroom door de spoel. De spanning, komende van de error amplifier (EA), wordt aan deze spanning toegevoegd. De EA vergelijkt het feedback-signaal met een interne 0,8V referentie spanning. Als de belasting stroom stijgt, veroorzaakt dit een daling in de terugkoppelspanning. De I TH spanning zal dan stijgen tot de gemiddelde stroom door de spoel terug identiek is aan de belastingsstroom. Het feedback signaal wordt aangeboden aan de VFB pin. Deze pin wordt via een feedback weerstand verbonden met de VOUT om de uitgangsspanning in te stellen. De I TH spanning wordt aangeboden aan de ITH pin. Deze pin zorgt voor de fout versterker compensatie. De spanning op deze pin kan variëren tussen 0V en 2,6V. Een spanning van 1,2V correspondeert met de zero sense voltage en zero sense current.


11

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Verdere werking van het IC zal duidelijk worden bij het schema ontwerp.

1.2.1.2 SCHEMA ONTWERP Pulse skip mode of continuous mode Er is gekozen om de LTC3810-5 in continuous mode te laten werken, omdat bij het ontwerp de frequentie constant zal veranderen; dit wordt later uitgelegd. De mode wordt ingesteld met de pin MODE/SYNC. Met deze pin kan de step down convertor werken in pulse skip mode of kan het IC gedwongen worden om in continuous mode te werken. Wanneer deze pin een spanning aangeboden krijgt die hoger is dan 0,8V dan zal de LTC3810-5 werken in pulse skip mode. Als deze onder 0,8V komt zal het IC werken in continuous mode. Als deze pin met de feedback weerstand van een tweede spoel verbonden wordt, kan een tweede uitgangssignaal gemaakt worden1. Pulse skip mode is wanneer een kleine belastingsstroom gewenst is. Wanneer er een te lage stroom is, zal ITH dalen tot onder de zero current level (1,2V) en zullen de beide MOSFET’s uitgeschakeld worden. Deze MOSFET’s zullen laag blijven tot de spanning op de I TH pin stijgt tot boven zero current die een nieuwe cyclus initialiseert. De pulse skip mode is vergrendeld door de comparator F wanneer de MODE/SYNC onder de 0,8V komt te staan. Dan is de step down convertor ingesteld in continuous mode. Deze mode is minder efficiënt als gevolg van ohmse verliezen, maar heeft als voordeel een betere transient response bij lage stromen. Het heeft ook de mogelijkheid om in stand te blijven bij een dalende stroom. Het voordeel van pulse skip mode is te zien in figuur 10. Daaruit is af te leiden dat de efficiëntie bij pulse sklip mode groter is bij lagere stromen, dan bij continuous mode. Bij grotere stromen is de efficiëntie even groot bij pulse skip mode of continuous mode.

Figuur 10: Efficiëntie in functie van de belasting

1

Meer info kan terug gevonden worden in de datasheet van de LTC3810-5


12

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Ook bij een dalende belasting is er een verschil bij continuous mode en pulse skip mode.

Figuur 11: Vergelijking van de belasting stroom in pulse skip mode en forced continuous mode

Bij forced continuous mode zal bij een dalende belasting de stroom negatief worden. Dit in tegenstelling tot de pulse skip mode waarvan de stroom nooit negatief wordt. Er is een verschil tussen beide signalen. Bij pulse skip mode duurt het langer dan bij forced continuous mode voordat de stroom terug positief wordt. Dat is eigenlijk vrij normaal want in beide gevallen moet de gemiddelde stroom even groot zijn. Dit is terug te vinden in figuur 11. SS/TRACK Soft-Start/Tracking Input. Voor een soft start wordt een condensator met deze pin verbonden die met massa is verbonden. Deze pin bepaalt de steilheid van de flank bij het opstarten van de uitgangsspanning (ongeveer 0,6s/µF). Voor een samenvallende of ratiometrische uitgangsspanning moet deze pin aan een weerstand delend netwerk hangen, zodat de weerstandswaarde de steilheid van de stijgende flank bepaalt. Er is een mogelijkheid om gelijkloop te verkrijgen tussen twee uitgangsspanningen, op voorwaarde dat beide spanningen gecreëerd worden met een LTC3810-5. Zo ontstaat een coïncident of een samenvallend verloop. Er zal via een extra weerstand delend netwerk (figuur 12a) een spanning doorgegeven worden naar de SS/TRACK pin van de tweede convertor. Het gevolg hiervan is dat de uitgangsspanning van beide convertors eenzelfde flanksteilheid heeft (figuur 13a). Een ratiometrische uitgangsspanning heeft geen extra weerstand delend netwerk nodig (figuur 12b). De spanning van de SS/TRACK pin, die aan de tweede LTC3810-5 aangeboden wordt, komt van de weerstand deler van het terugkoppel netwerk. Dit heeft als resultaat dat de flank van beide uitgangsspanningen niet dezelfde steilheid heeft, maar beide spanningen zullen op hetzelfde tijdstip juist ingesteld zijn (figuur 13b). Om dit correct te kunnen toepassen moet de hoogste spanning telkens VOUT1 zijn en de laagste VOUT2.


13

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 12: Instelling voor coincident en ratiometric tracking

Figuur 13: Visualisatie uitgangsspanning bij coincident en ratiometric tracking

Fault monitoring/protection De overvoltage en undervoltage comparatoren (figuur 6) houden de PGOOD output laag als de feedback spanning van de uitgang niet rond de 10% van de ingestelde waarde staat, nadat de interne timer van 120µs verlopen is. De UVIN pin is 0,8V met 10% hysteresis wat toestaat de VIN threshold te programmeren met een gepaste weerstandsdeling geconnecteerd met de VIN. Als één van beide ingangen van de comparators onder de UV threshold komt, zal de LTC3810-5 in shutdown modus gaan. De drivers worden vervolgens uitgeschakeld. Gate drivers De gate van de geschakelde MOSFET’s worden aangestuurd door de BG (Bottom Gate) en de TG Top Gate). De BG varieert tussen de spanning van de BGRTN en de DRVCC pin. De BGRTN pin connecteert de source van de pull down MOSFET in de BG driver en is normaal verbonden met de massa. Wanneer een negatieve spanning aan deze pin aangeboden wordt, zal de gate van de MOSFET negatief aangestuurd worden. Dit voorkomt een valse turn-on gedurende hoge dV/dt overgangen aan de SW pin. DRVCC geeft spanning aan de BG uitgang driver. Deze pin wordt normaal verbonden met de INTVCC. De DRVCC wordt best verbonden met BGRTN door middel van een condensator die een lage ESR waarde heeft en een capaciteitswaarde heeft van 1µF tot 10µF.


14

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

De TG pin stuurt de gate van de bovenste geschakelde N-kanaal MOSFET. De TG zal een spanning sturen die tussen de BOOST pin en de SW pin ligt . De BOOST pin wordt verbonden met de SW pin door middel van een condensator die een lage ESR waarde heeft en een capaciteit van 0,1µF. De spanning op de SW pin varieert tussen -0,7V en VIN. De LTC3810-5 bevat zeer lage weerstand drivers om de MOSFET’s goed te kunnen aansturen. Dit minimaliseert de transitieverliezen en staat het parallel plaatsen toe voor MOSFET’s applicaties met grotere stromen. Een floating high side driver stuurt de bovenste MOSFET en een low side driver stuurt de onderste MOSFET. Dit wordt voorgesteld in figuur 14.

Figuur 14: Floating TG driver en Negative BG return

De onderste driver wordt gevoed door de DRVCC pin. De bovenste MOSFET is gestuurd door de floating bootstrap condensator, CB. Deze wordt normaal opgeladen gedurende elke off cyclus door een externe diode van DRVCC, wanneer de MOSFET uitgeschakeld is. De bovenste driver heeft als extra kenmerk dat hij het doorslaan van de onderste MOSFET minimaliseert. Als de bovenste MOSFET aangestuurd wordt, zal de switch mode dV/dt de gate van de onderste MOSFET verhogen, zelfs wanneer de onderste MOSFET met de massa verbonden is. Dit noemt men de Miller capaciteit. Als de spanning op de gate hoog genoeg is kunnen de boven- en onderkant van de MOSFET doorslaan. Om dit te voorkomen is de BGRTN pin voorzien, zodat de negatieve voeding kan gebruikt worden om het Miller effect tegen te gaan. De LTC3810-5 intern circuit en de bovenste en onderste MOSFET drivers werken op de voedingsspanning ( INTVcc, DRVCC pinnen) tussen 4,5V en 14V. De LTC3810-5 heeft twee geïntegreerde comperatoren die met een constante waarde vergelijken of de ingangs- ofwel de uitgangsspanning als bron wordt gekozen voor de voedingsspanning van het IC. Om het efficiëntst te zijn moet, tijdens het opstarten, de voeding van het IC gekoppeld worden met de ingangsspanning en verder gestuurd via de uitgang indien de uitgangsspanning hoger is dan 4,7V. De voeding kan constant afgeleid worden van de ingang als de uitgang kleiner is dan 4,7V. Er is ook een mogelijkheid om een externe spanning te gebruiken. IC/driver voeding spanning De LTC3810-5 heeft verschillende modes waarin hij kan werken. De LTC3810-5 stelt automatisch vast in welke mode hij werkt.


15

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

De 4 modes worden hieronder nog eens apart uitgewerkt en vindt u terug in figuur 15 1. Het IC genereert 5,5V start-up voeding via een kleine externe N-kanaals MOSFET die werkt als lineaire regulator. De drain wordt geconnecteerd met de VIN. Zijn gate wordt aangestuurd door de NDRV pin. Wanneer de uitgang 4,7V bedraagt, wordt de voedingsspanning afgeleid van de uitgang omdat de efficiëntie dan hoger ligt. Zo is er een korte opstarttijd want de externe MOSFET zorgt voor het vlug opladen van de condensators (C INTVCC en CDVRCC). Deze externe MOSFET werkt alleen wanneer de DC/DC convertor opstart. Voor deze mode moet de EXTVCC in het gebied liggen tussen 4,7V en 15V. 2. Deze mode is gelijkaardig met de vorige maar de externe MOSFET wordt continu gebruikt daar waar ze vroeger enkel diende om op starten. Zo verbruikt de MOSFET meer vermogen, en zal de levensduur kleiner zijn. De step down convertor zal niet opnieuw opstarten wanneer de uitgang onder 4,7V komt. 3. In deze mode wordt niet gewerkt met een externe MOSFET. In plaats daarvan wordt hier een weerstand gebruikt met een hoge weerstandswaarde. Deze weerstand wordt gekoppeld met de ingangsspanning. Wanneer de INTVCC de waarde van 9V bereikt, zullen de drivers aangestuurd worden en de uitgangscondensator zal opladen. Wanneer de uitgang een waarde bereikt van 4,7V, zal het IC de voedingsspanning van deze pin afleiden en niet meer van de INTVCC pin. Er moet wel op gelet worden dat de condensatoren niet onder de 4V ontladen worden, anders kan de LTC3810-5 niet opgestart worden. 4. Er is een externe voeding aanwezig ( tussen 4,5V en 14V) en wordt direct verbonden met de IC/driver supply pin. De INTVCC en de EXTVCC worden hier met elkaar verbonden.

Figuur 15: Operating modes voor IC/Driver Supply

Voor deze eindverhandeling werd gekozen om mode 2 te gebruiken. Hier is het nadeel dat de externe MOSFET continu gebruikt wordt. Deze modus kan werken met een uitgangsspanning lager dan 4,7V. Mode 4 kan ook gebruikt worden in deze schakeling. Hier is echter een extra voeding nodig wat niet echt handig is. Mode 3 kan ook gebruikt worden maar dan zal door de weerstand een grotere stroom vloeien. Dus kan besloten worden dat mode 2 het makkelijkst realiseerbaar is.


16

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Zoals in figuur 15 getoond wordt, zijn de pinnen NDRV, EXTVCC en INTVCC gebruikt voor de instelling. De NDRV pin zorgt voor de aansturing van de gate van een externe MOSFET boost netwerk. Deze spanning uit de MOSFET zorgt voor de instelling van de twee switching MOSFET’s. De pin wordt verbonden met een weerstand die aangesloten is aan de ingangsspanning. Deze weerstand is noodzakelijk omdat deze NDRV pin een open collector is. Wanneer deze pin niet aangestuurd wordt zal er een ongedefinieerde spanning op de gate staan. Alle interne schakelingen, behalve de uitgangsdrivers (dit zijn de twee schakelende MOSFET’s die zorgen voor de uitgangsspanning), worden gevoed met de INTVCC pin. INTVCC wordt best verbonden met de massa aan de hand van een condensator die minimum 0,1µF bedraagt. Power MOSFET selectie De externe MOSFET wordt voornamelijk bepaald door de maximum ingangsspanning en de belasting stroom. De UVIN pin zorgt voor de instelling van de minimum ingangsspanning, is de ingang naar de interne UVLO, en wordt vergeleken met een interne 0,8V referentie. Een extern weerstand delend netwerk is geconnecteerd met deze pin en de ingangsspanning. Met deze pin en spanningsdeler kan de minimum ingangsspanning ingesteld worden. Wanneer UVIN een kleinere spanning heeft dan 0,8V zal de LTC3810-5 in shutdown modus gaan.

De stroom door de spoel wordt bepaald door het meten van de spanning over een sense weerstand die aangesloten is tussen de SENSE+ en SENSE-. De maximum sense spanning wordt ingesteld door de spanning op de VRNG pin. In de ontworpen schakeling is de VRNG pin met INTVCC gekoppeld. De current mode control loop zal niet toestaan dat de spoelstroom een minimum heeft van VSENSE(MAX)/RSENSE. Om de sense weerstand te kiezen kan de volgende formule gebruikt worden: . In deze toepassing is de maximum stroom 5A. Dan is R SENSE gelijk aan 0,0330Ω. Een extern weerstand delend netwerk, dat verbonden is met de INTVCC, kan gebruikt worden om de spanning op de VRNG pin te bepalen. De spanning aangeboden op deze pin moet tussen de 0,5V en 2V liggen om inwendig op de VRNG pin spanningen te bekomen van 60mV tot 320mV. Er zijn twee manieren om de sense pinnen aan te sluiten, met of zonder een weerstand. Wanneer een weerstand gebruikt wordt moet deze aangesloten worden tussen de source en de SGND. De SENSE+ wordt verbonden met de source van de MOSFET en aan de bovenkant van de weerstand. De SENSE- wordt verbonden met de onderkant van de weerstand of aan de SGND. Het voordeel bij het gebruik van een sense weerstand is dat de stroomlimiet ingesteld wordt. Het heeft echter als nadeel dat deze weerstand de efficiëntie verlaagt en dat het een extra kost is. De weerstand zorgt voor een stroomdaling waarop de MOSFET trager schakelt met een dalende efficiëntie tot gevolg. Wanneer geen sense weerstand wordt gebruikt zal de weerstand van de onderste MOSFET kunnen worden gebruikt als sense weerstand. Daarvoor moet de SENSE+ aangesloten worden aan de drain en de SENSE- aan de source. Dit verbetert de efficiëntie en de onresistance van de MOSFET moet berekend worden. In deze configuratie wordt geen gebruik gemaakt van een extra sense weerstand maar wordt de MOSFET gebruikt om aan te sluiten aan de sense pinnen. Deze schakeling heeft 3 MOSFET’s. De eerste MOSFET werd reeds besproken bij het uitleggen van de verschillende modes. De volgende 2 MOSFET’s worden gebruikt voor het schakelen van de voeding.


17

Caenepeel Rebecca

3AI1EO dit is bij een temperatuur van 25°C. De waarde van ρt kan in figuur 16

gevonden worden. ρt is de normalisatie factor bij 25°C.

Figuur 16: ρt in functie van de junctie temperatuur

De LTC3810-5 is ontworpen om gebruikt te worden met 4,5V tot 14V gate drive voeding om MOSFET’s te sturen waar de V GS(MIN) ≥ 4,5V is. Om een zo groot mogelijke efficiëntie te hebben moeten de RDS(ON) en de ingangscapaciteit zo klein mogelijk zijn, omdat de lage weerstand de conductie verliezen vermindert en een lage condensator waarde de transitie verliezen vermindert . Soms kan net voor de gate een weerstand geplaatst worden. Deze weerstand mag zeker niet groter zijn dan 10Ω. Dit heeft als voordeel dat de ruis en de EMI, veroorzaakt door de hoge transities, verminderd worden. De frequentie waarmee het IC werkt is belangrijk voor de bovenste geschakelde MOSFET, omdat de periode en de duty cycle van de MOSFET de uitgangsspanning bepalen. Zoals eerder vermeld zorgt de OST voor deze periode. Deze OST zorgt er tijdig voor dat een puls een ideale en perfecte duty cycle veroorzaakt. Zo blijft de frequentie hetzelfde wanneer veranderingen op de VIN plaats vinden.

De nominale frequentie kan ingesteld worden met een externe weerstand RON (in het blok schakelfrequentie wordt meer uitleg gegeven). Deze kan ingesteld worden met een externe condensator wanneer het IC werkt in de pulse skip mode. Dit wordt niet gebruikt en zal dus ook niet besproken worden2. De keuze van de frequentie is een afweging tussen de component grootte en de efficiëntie. Een lage frequentie is goed voor de efficiëntie doordat de MOSFET weinig verliezen heeft, maar vereist dan een grotere spoel waarde.

2

Meer info over de pulse skip mode is terug te vinden in de datasheet


18

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Schakel frequentie Deze frequentie wordt bepaald door de ION en VON pin. Bij de ION pin wordt een weerstand aangesloten en met de VIN pin verbonden. De pin kan ook net na de spoel aangesloten worden om in te stellen via de VOUT. In de datasheet zijn verschillende mogelijkheden om de V ON pin in te stellen. Deze pin kan bijvoorbeeld met de uitgangsspanning verbonden worden of via een weerstand delend netwerk. Wanneer deze pin met de massa bevestigd wordt, zal de ingang van de comparator (zie figuur 6) op 0,7V komen te staan. Wanneer deze pin met de INTVCC wordt bevestigd, zal de comparator 2,4V meten aan de ingang. Deze pin kan met INTVCC bevestigd worden bij schakelingen die een hoge VOUT hebben, zodat een lagere RON kan gebruikt worden. In figuur 17 wordt de schakelfrequentie getoond in functie van de RON.

Figuur 17: Switching frequentie in functie van R ON

Wanneer een weerstand Ron van de VIN naar de ION bevestigd wordt, zal de on-time tijdig omgekeerd evenredig werken met VIN. Voor een step-down convertor resulteert dit in een constante frequentie indien VIN constant blijft. Dit wordt in volgende formule weergegeven. [Hz]

Wanneer de schakeling een veranderende ingangsspanning heeft en is toch een constante frequentie vereist, dan zou het beter zijn dat de RON met de VOUT verbonden wordt. Wanneer het IC ingesteld is in mode 1 mag de uitgangsspanning echter niet onder 2,4V zakken. Door de veranderende stroomwaarde van de spoel zal ook de spanning veranderen, dit geeft een frequentieverandering als gevolg. Deze instelling is niet positief omdat bij dit ontwerp de stroom afhankelijk is van de belasting en dit is verschillend, en dus zeker niet constant. Dit is momenteel echter niet bekend en zal zeker niet constant zijn. Deze onstabiliteit kan opgelost worden door een weerstand delend netwerk te schakelen van de ITH naar de VON en de VOUT. Dit wordt weergegeven in figuur 18.


19

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 18: Correctie van de frequentie shot met belastingstroom veranderingen

De duty cycle is belangrijk bij het ontwerp. De minimum off-time is de kleinste tijd die de LTC3810-5 nodig heeft om de onderste MOSFET aan te schakelen, de comparator te activeren en de MOSFET terug uit te schakelen. Deze tijd bedraagt ongeveer 250ns. Figuur 19 toont de maximum duty cycle in functie van de frequentie.

Figuur 19: Maximum switching frequentie in functie van de duty cycle

Selectie van de spoel De waarde van de spoel is afhankelijk van de rimpel die de belasting stroom mag hebben. Een lage rimpelstroom veroorzaakt kernverliezen in de spoel, en ESR verliezen in de uitgangscondensator. Hoge efficiëntie kan verkregen worden bij een lage frequentie met een kleine rimpelstroom. Er is een mogelijkheid dat de onderste diode in de MOSFET geleidt in de dead time, de tijd tussen het geleiden van de beide schakel MOSFET’s. Dit is dus zeker niet gewenst en leidt tot een efficiëntieverlies van 1%. Om dit te vermijden kan aan de uitgang een diode aangesloten worden. Voor de ingangscondensator zou best gekozen worden voor een combinatie tussen een keramische of een aluminium condensator. Dit is omdat de ingangsspanning hoger is dan 30V en omdat de ESR verliezen laag zijn en hoge stromen aankunnen. De keuze van de uitgangscondensator is afhankelijk van de ESR om de rimpel zo klein mogelijk te houden.


20

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

De uitgangsspanning is te berekenen aan de hand van volgende formule: (

)

De spanning tussen RFB1 en RFB2 wordt vergeleken met 0,8V. De spanning op dit punt zal de instelling zijn voor de uitgangsspanning. Wanneer dit punt 0,8V bedraagt zal de step down convertor niet bijsturen. Wanneer dit punt echter verschillend is van 0,8V zal de LTC3810-5 de uitgang bijsturen totdat de spanning op dit punt 0,8V bedraagt. De uitgangsspanning kan enkel gerealiseerd worden als de uitgangsspanning kleiner is dan 93% van de ingangsspanning. De UVIN stelt de under voltage lockout in. Als de spanning op deze pin onder 0,8V komt zal het IC in shutdown modus gaan. De weerstanden kunnen berekend worden door volgende formule.

Als deze undervoltage lockout niet nodig is kan deze pin met de INTVCC verbonden worden. De diode bij de boost pin zorgt voor de voeding van de gate van de bovenste MOSFET. De condensator bij deze MOSFET wordt opgeladen via de diode wanneer de switch node laag is. Wanneer de bovenste MOSFET aangeschakeld wordt, zal de switch stijgen naar V IN en de boost pin tot ongeveer VIN + VINTVCC. De reverse breakdown van de externe diode moet groter zijn dan VINMAX. De waarde van de RNDRV wordt later bepaald bij de berekeningen van de componenten. Deze berekende waarde was moeilijk realiseerbaar. Dit komt door de berekende waarde (die later wordt beschreven) in te vullen in onderstaande formule, als de waarde van UIN(MIN) hoger uitkomt dan 12V. Als dit voorkomt zal het IC niet correct werken. Dan kan de fault time operation uitgeschakeld worden door een weerstand te verbinden met de INTVCC. Deze weerstand mag een waarde hebben van 500kΩ tot 1MΩ.

Berekeningen randcomponenten Hieronder zijn de berekeningen terug te vinden van de randcomponenten van de synchronous switching regulator controller en het eerste schema ontwerp. De simulaties zijn begonnen met dit ontwerp. Eerst werden er de RUV1 en RUV2 (terug te vinden in figuur 6) berekend. Er zijn in de datasheet twee formules te vinden over de RUV1 en RUV2 namelijk: (

) en

(

).

De eerste formule bepaalt de grens wanneer het IC moet uitgeschakeld worden als de spanning daalt. De tweede formule bepaalt de grens wanneer het IC moet ingeschakeld worden als de spanning stijgt. Wanneer beide formules worden vergeleken, is te zien dat de waarden 10% van elkaar verschillen en dit komt omdat het IC werkt met een hysteresis lus. In deze applicatie is de tweede formule het beste. Wanneer de minimum waarde wordt bepaald via deze formule, zal het IC constant werken. Indien de eerste formule zou gebruikt worden, zou het IC pas met een hogere spanning in werking treden als die stijgt. Er moest een van beide weerstanden gekozen worden om de andere te kunnen berekenen. Voor RUV1 is er gekozen geweest voor 22kΩ. Daardoor heeft de RUV2 een weerstandswaarde van 1,8kΩ. Zo is de een minimum spanning van VIN gelijk aan 11,65V. Daarna KHBO Dept. IW&T | 2011-2012

21

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

is de frequentie gekozen, om vervolgens de RON te kunnen berekenen. De frequentie, 300kHz,is gekozen aan de hand van de grafieken die al eerder vermeld zijn. Zo kon de R ON berekend en ingesteld worden aan de hand van de uitgangs- of ingangsspanning. Er is van beiden waarde berekend. Omdat beide spanningen variabel zijn is er telkens een minimum en maximum weerstandswaarde berekend. De eerste berekeningen zijn met VIN. Wanneer de frequentie 300kHz is, zal de tON gelijk zijn aan 4*10-6 seconden. is een formule, gevonden in de datasheet, kan omgevormd worden om de RON waarde te bepalen. Voor een minimum ingangsspanning van 12V is de RON weerstand gelijk aan 10526Ω. Voor een maximum ingangsspanning van 60V is een weerstand berekend van 2105Ω.

Wanneer berekend wordt met de variabele uitgangsspanning, wordt de volgende formule gebruikt: Voor een minimum uitgangsspanning is RON gelijk aan 14619Ω. Voor de maximum uitgangsspanning heeft RON de waarde van 877192Ω.

Welke weerstand gebruikt zal worden, zal besloten worden in de simulatie. De frequentie zal veranderen als de uitgangs- of ingangsspanning verandert. Tijdens de simulaties zal gecontroleerd worden wat de beste keuze is voor alle instellingen. Daarna is de spoel berekend. In de datasheet kan de ΔILMAX berekend worden aan de hand van de spoelwaarde of de spoelwaarde aan de hand van de ΔILMAX. Voor deze berekeningen is de spoel waarde gekozen aan de hand van de ΔILMAX en voor een maximum rimpel van 3A. Zo wordt de spoel (

waarde bepaald aan de hand van volgende formule. (

)(

)

(

)( )(

). )

Hier zijn twee waarden. Een waarde bij een VOUT van 0,8V heeft een waarde van 877nH. Voor een maximum uitgangsspanning 60V is de spoel waarde gelijk aan 10,667µH. Volgende berekeningen zijn om te bepalen of de MOSFET geschikt is voor deze schakeling. De vermogens worden berekend en hiermee de temperatuur bepaald. Deze mag niet hoger zijn dan 150°C, zoals gesteld in de datasheet van de MOSFET. Er is gekozen voor de Sir880DP. De maximum stroom wordt bepaald door de spanning op de sense pinnen. Wanneer de spanning op de Vsense pinnen te hoog wordt zal de instelling van het IC veranderen. Deze spanning zal de instelling van de OST veranderen, terug te vinden in figuur 6. Om de maximum spanning van deze VSENSE te bepalen wordt deze ingesteld via de VRNG pin. Met de karakteristiek uit figuur 20 kan de spanning van VRNG bepaald worden. De spanning op deze pin stelt de nominale spanning van de sense voltage in. De maximum uitgangsstroom kan ingesteld worden van 0,5V tot 2V door een weerstandsdeling aan INTVCC. De nominal sense voltage wordt


22

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

default op 95mV geplaatst wanneer deze met de massa wordt bevestigd. Als deze pin met de INTV CC wordt aangesloten zal deze pin default op 215mV ingesteld worden.

Figuur 20: Instelling Vsense

VRNG heeft een spanning van 215mV omdat deze aan de INTVCC pin aangesloten is in dit schema ontwerp. De maximum stroom die door de schakeling mag , wordt berekend. In de datasheet van de MOSFET blijkt dat de ρt gelijk is aan 0,085. Dit kan uit figuur 21 afgeleid worden. Er kan gezien worden dat bij een temperatuur van 25°C de ρt gelijk is aan 0,085.

Figuur 21: ρt van de mosfet.

Het vermogen van de onderste MOSFET wordt berekend.

Voor VIN wordt de maximum waarde genomen en voor VOUT de minimum waarde. Dit heeft het maximum vermogen weer. Deze heeft als waarde 0,5367W. TJ=70+0.535W*15°C/W=78,0512°C (Deze formule wordt uit de datasheet van de MOSFET gehaald) CMILLER = (9,2nC-7,6nC)/40V= 40pF Met deze Miller capaciteit kan de PTOP berekend worden.


23

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

[

]

= 0,69683W TJ= 70°C+0,69683W*15°C/W= 80,45°C Na beide berekeningen kan besloten worden dat de MOSFET geschikt is voor deze schakeling. Hun junctie temperatuur mag niet hoger komen dan 150°C. Dit is hier zeker niet het geval. ICC is nodig om de RNDRV te berekenen.

Voor RNDRV heb je twee verschillende formules om te berekenen. [

]

⁄

RNDRV moet dus tussen deze twee waarden liggen. COUT moet berekend worden aan de hand van volgende formule: (

)

(

)

ESR is de weerstand van de gekozen condensator. Deze is terug te vinden in de datasheet van het type condensator. Na het doornemen van veel datasheets is tot het besluit gekomen om 100µF en 0.47µF in parallel te plaatsen. Zo wordt een rimpel van 0,081V verkregen. De ESR van deze condensatoren in parallel was 0,023Ω. In de datasheet kunnen de componenten van de regelkring berekend worden. Deze zijn afhankelijk van de belasting die aangeschakeld zal worden. De belasting is niet gekend en daarom zijn deze waarden proefondervindelijk vastgelegd in de simulaties. Met dit schema is de simulatie begonnen. 1.2.1.3 SIMULATIES De eerste simulaties zijn op basis van het eerder opgestelde schema. Tijdens de berekeningen waren de waarden van de spoel en RON verschillend. De waarde van RNDRV stond niet vast. Hiervoor konden verschillende keuzes worden gemaakt omdat in de berekeningen slechts een minimum en maximum waarde berekend was. Zoals eerder aangegeven zijn de waarden C7, C4 en R7 niet berekend omdat de formules niet gevonden werden in de datasheet. De regelweerstanden hebben de waarden van 0,5kΩ en 30kΩ. Zo is de regelkring ingesteld op een uitgangsspanning van 0,8V.


24

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 22: Eerste schema

Figuur 23: Uitgangsspanning bij de eerste simulatie

Figuur 24: Spanning op de SS/TRACK pin bij de eerste simulatie


25

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Van de schakelende MOSFET’s is niet het juiste type gebruikt omdat het niet bestond in dit simulatieprogramma. Figuur 23 toont de uitgangsspanning die eigenlijk verkeerd is want de theoretische spanning zou 0,8V moeten zijn en nu is ze hoger dan 5V. Figuur 24 toont de spanning op de SS/TRACK. Uit dit figuur kan besloten worden dat deze spanning niet constant is. Figuur 22 toont de schakeling. Er staan meetpinnen om aan te tonen waar gemeten werd voor de onderstaande figuren. Dit zal later telkens terug komen. Er kan gezien worden op welke pin de bijhorende figuur gemeten werd. De uitgangsspanning in dit schema is dus verkeerd verbonden. De eerder beschreven mode 2 werd niet correct toegepast. De INTVCC is met de uitgang verbonden. Daardoor kan de uitgang niet correct ingesteld worden. Voor de volgende simulaties zijn er enkele veranderingen aangebracht. Zo is de mode 2 juist toegepast en is de PGOOD met een weerstand via de INTVCC verbonden. Deze verandering is gebeurd omdat de PGOOD eigenlijk open drain is. Er kan niet met zekerheid gezegd worden dat de LED juist zou kleuren. Voor de simulaties werd een weerstand aangekoppeld met de INTV CC zodat deze zeker geen invloed zou hebben op de rest van de schakeling.

Figuur 25: Schema tweede simulatie


26

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 26: VOUT van de tweede simulatie

Figuur 27: Spanning verloop op de SS/TRACK pin van de tweede simulatie

De spanning op de SS/TRACK is nog altijd niet stabiel. De uitgangsspanning is al op 0,8V maar de rimpel is momenteel veel te groot. Hierna zijn de beide weerstanden van de regelkring aangepast. Deze werden gewijzigd in 59kΩ en in 1,8kΩ, zodanig dat de uitgangsspanning op 27V wordt ingesteld. Deze verandering is aangebracht zodat kon getest worden of de schakeling ook werkt op hogere spanning.

Figuur 28: VOUT van de derde simulatie

Figuur 29: Spanning op de SS/TRACK pin van de derde simulatie


27

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 30: Schema van de derde simulatie

Na deze simulatie kan besloten worden dat de instelling niet goed is voor een regelbare uitgangsspanning. De uitgangsspanning daalt en is dus niet stabiel. De spanning op de SS/TRACK pin heeft momenteel een ander verloop. Daarom is de datasheet van de LTC3810-5 erbij genomen. Hierin wordt vermeld dat de weerstand RNDRV de soft start bepaalt. De soft start is dus nodig om het IC op te starten. Het IC moet opgestart worden wanneer de ingangsspanning aangesloten wordt. Ook wanneer een kortsluiting plaatsvindt, zal het IC opnieuw opstarten. De condensatorwaarde aan de SS/TRACK bepaalt de steilheid van deze flank3. De NDRV pin stuurt de gate van de eerste externe MOSFET aan die zorgt voor de spanning van de INTVCC. De RNDRV moet zodanig gekozen worden dat de INTVCC op de juiste spanning wordt ingesteld. Als deze waarde verkeerd wordt ingesteld kan dit zorgen voor een onregelmatige spanning op de SS/TRACK pin. Figuur 31 geeft weer wat het resultaat is van de invloed op de uitgangsspanning wanneer de SS/TRACK pin een dalend verloop vertoont.

Figuur 31: Uitgangsspanning van het voorbeeldschema

3

Dit werd eerder al besproken bij de werking van iedere pin.


28

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Het voorbeeldschema van het programma is geopend en gesimuleerd om te weten wat de spanningen op de pinnen en de werking van sommige componenten moeten zijn.

Figuur 32: Uitgangsspanning van het voorbeeldschema

Figuur 33: Spanning op de SS/TRACK pin van het voorbeeldschema

Figuur 34: Het voorbeeldschema


29

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

De spanning op de SS/TRACK daalt deze keer niet. Daardoor is de uitgangsspanning stabiel. Wanneer beide schema’s vergeleken worden, kan besloten worden dat enkele pinnen anders ingesteld zijn in het voorbeeldschema dan in het ontworpen schema. Het voorbeeldschema gebruikt de eerste mode om het IC in te stellen. Dit was voor deze applicatie het beste. De uitgangsspanning is hoger dan 4,2V en verandert niet. Zo hoeft de eerste MOSFET niet constant ingeschakeld zijn. De waarden van sommige componenten zijn ook verschillend.

Zo is de pin PLL/LPF anders verbonden dan bij het ontworpen schema. De VRNG pin is niet via een weerstandsdeling verbonden maar rechtstreeks met de INTVCC. Er is geen weerstand delend netwerk om de UVIN in te stellen want deze pin wordt gewoon aan de ingangsspanning bevestigd. Dit heeft als invloed dat de minimumspanning van het ic 0,8V is. In het ontworpen schema is dit niet zo.

Voordat het ontworpen schema werd veranderd, is eerst nagegaan wat de invloeden zijn van condensatoren C2 en C1. Wanneer C2 werd weggelaten was een kleine verandering in de uitgangsspanning te zien. Dit spanningsverloop is terug te vinden in figuur 35.

Figuur 35: Invloed van C2 op de uitgangsspanning

De uitgangsspanning zonder C2 wordt vlugger opgestart en in het begin zijn er meer oscillaties. Wanneer C1 wordt weggelaten is er een verloop op de uitgangsspanning, zichtbaar in figuur 36.

Figuur 36: Invloed van C1 op de uitgangsspanning

Na controle van de functie van enkele pinnen zijn de verschillen tussen het ontworpen schema en het voorbeeldschema veranderd. Het ontworpen schema werd aangepast, al naar gelang de resultaten van de simulaties. Met deze veranderingen was de spanning op de SS/TRACK pin niet stabiel. De verschillende waarden van de componenten werden aangepast en diverse instellingen gewijzigd.


30

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Zo was er soms wel een stabiele uitgangsspanning, maar wanneer de simulatie langer liep, was de spanning op de uitgang niet meer stabiel. Uiteindelijk is de SS/TRACK pin anders ingesteld. In de beschreven theorie hiervoor is er gesteld geweest dat de SS/TRACK pin met een weerstand aan de INTVCC verbonden kan worden. Zodoende kon de regelbare uitgangsspanning wel gerealiseerd worden. Na deze verandering is het schema op punt gesteld door enkele componentenwaarden te veranderen.

Figuur 37: Schema regelbare voeding met rimpel

In figuur 37 wordt het schema weergegeven waarmee een regelbare voeding kan worden gemaakt. De rimpel van de uitgangsspanning moet echter nog gereduceerd worden tot minder dan 0,05V. De uitgangsspanning die momenteel te zien is, vindt u terug op figuur 38.

Figuur 38: Rimpel uitgang


31

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Wanneer de waarde van de uitgangscondensator veranderd wordt, verkleint de rimpel wel maar deze is nog veel te groot. Wanneer verschillende condensatoren na elkaar worden geplaatst heeft dit ook een rimpel die nog te groot is, dit is terug te vinden in figuur 39.

Figuur 39: Uitgangsspanning met batterij van condensatoren

Het schema van deze schakeling is terug te vinden in figuur 40.

Figuur 40: Schema regelbare voeding met uitgangscondensator

Omdat een batterij van condensatoren niet goed genoeg is op de uitgang werd beslist om een LC filter te plaatsen. Deze filter werd berekend op 300kHz met volgende formule :

√

. Er is voor

een frequentie van 300kHz gekozen omdat de LTC3810-5 op een schakelfrequentie werkt van 300kHz.


32

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 41: Schema van de regelbare voeding met LC filter

Figuur 42: Uitgangsspanning met LC-filter

In figuur 42 is het resultaat te zien met een filter op de uitgang. Dit geeft echter geen goed resultaat, misschien omdat de filter in resonantie is. Daarom is geprobeerd een batterij van condensatoren voor deze filter te plaatsen. Dit schema is te zien in figuur 43.


33

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 43: Schema regelbare voeding met batterij van condensatoren en LC-filter

Figuur 44: Uitgangsspanning met een batterij van condensatoren en LC-filter

Dit heeft al een veel beter effect op de uitgangsspanning maar de rimpel blijft te groot. Daarom is een tweede filter toegevoegd aan de schakeling.


34

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Het schema is terug te vinden in figuur 45.

Figuur 45: Schema met twee uitgangsfilters

Figuur 46: Uitgangsspanning wanneer twee filters aan de uitgang bevestigd worden.

Wanneer twee filters aan de uitgang geplaatst worden, is er geen verschil met de rimpel grootte. Daarom wordt de tweede filter terug verwijderd en wordt een batterij van condensatoren aan de uitgang gekoppeld. Het resultaat is terug vinden in figuur 47 en 48. In figuur 49 is het schema van deze simulatie terug te vinden.

Figuur 47: Uitgangsspanning

Hier is te zien dat de rimpel kleiner is met een extra batterij van condensatoren. In figuur 48 wordt de grootte van deze rimpel gemeten.


35

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 48: Rimpel grootte van de regelbare voeding

De grootte van de rimpel is 41mV wat zeker goed is voor deze realisatie.

Figuur 49: Schema van de regelbare voeding

Met de schakeling in figuur 49 zijn nog enkele simulaties gemaakt om te controleren of de uitgangsspanning regelbaar was van 0,8V tot 48V. Deze simulatie was positief. Daarna is nog een simulatie uitgevoerd om te controleren of de schakeling de gevraagde stroom kon leveren. Het resultaat van de simulaties is dat de maximum stroom 26A bedraagt. Er kan dus besloten worden dat deze schakeling zeker voldoende is.


36

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

1.2.2 MANUELE/DIGITALE REG ELING

Voor de regelkring moest een oplossing gevonden worden om de regelweerstand digitaal en manueel te kunnen instellen. Voor de digitale regeling is het gemakkelijk om een digitale potentiometer in te stellen via SPI of I²C, maar het is echter ingewikkeld om manueel in te stellen. Het is mogelijk om manueel in te stellen met SPI of I²C maar dan moet een microcontroller gebruikt worden en dit is een onnodige extra kost. Om manueel in te stellen kan een gewone potentiometer gebruikt worden maar dan kan het niet digitaal. Een mogelijke oplossing is dat gewerkt wordt met een schakelaar waarbij twee weerstanden geplaatst worden: één om manueel en één om digitaal te regelen maar dit zou tot onnodige kosten leiden. Er bestaan digitale potentiometers die instelbaar zijn met een klok en een richting. Per kloksignaal zal de weerstand verhogen of verlagen naargelang de ingestelde richting. Dit heet Up-Down instelling. Er is voor deze methode van instellen gekozen omdat dit het best realiseerbaar is om via beide methoden in te stellen. Er moet met de microcontroller een klok gegenereerd worden, een enable om het IC aan te sturen en een pin hoog of laag plaatsen voor de richting. Met deze methode kan de potentiometer digitaal ingesteld worden. Om manueel in te stellen moeten een klok en een richting gegenereerd worden. Hiervoor is volgende oplossing gevonden, zichtbaar op figuur 50.

Figuur 50: Gevonden oplossing voor de manuele/digitale instelling


37

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Het type rotary encoder dat hier wordt gebruikt heeft een massa klem, C, en twee out-of-fase signalen A en B. Wanneer de rotary encoder kloksgewijs draait zal B voorijlen op A. Wanneer de rotary encoder in tegenwijzerzin gestuurd wordt, zal A voorijlen op B, wat resulteert in faseverschillen tussen A en B. Nu zijn er nog geen signalen om de klok en de richting te sturen. De quadrature detector kijkt naar de fase tussen A en B. De quadrature clock convertor evalueert naar de faseverschuiving tussen A en B, haalt daaruit een klok signaal en een U/ ̅ signaal. Voor het U/ ̅ signaal controleert de rotary encoder naar de faseverschuiving tussen A en B. Met deze signalen kan de potentiometer ook manueel ingesteld worden. Er is enkel nog tussen de quadrature detector en de potentiometer een switch geplaatst zodat automatisch overgeschakeld kan worden naar manueel of Figuur 51: Werking rotary encoder digitaal instellen. Zodra de meeteenheid aangesloten wordt, zal de switch ingesteld worden om de digitale regeling uit te voeren. Omdat de CB pin constant op 0 staat wanneer de meeteenheid aangekoppeld wordt, wordt hij ingesteld op 1. Er is gekozen voor de rotary encoder om dan verder te kunnen werken met de quadrature detector. De rotary encoder is de TW-70019. De quadrature detector werd maar bij een fabrikant gevonden. Zo is de vergelijking gemaakt tussen de twee IC’s van de fabrikant. Voor de quadrature detector is de LS184 gekozen. De switch is gekozen op basis van prijs, beschikbaarheid, aansturing en frequentie die de switch kan schakelen. De belangrijkste factor is de frequentie, want als deze te laag is zal de schakeling niet werken of zal ze afwijkingen vertonen. Er werd gekozen voor de DG9415. Het zoeken naar de juiste potentiometer was moeilijk omdat de combinatie van enkele factoren het moeilijk maakte. De potentiometer moest namelijk een niet-vluchtig geheugen bevatten. Hij moest instelbaar zijn via UP/DOWN pulsen, de offset weerstand mocht niet te groot zijn en de stapgrootte, die nog kon verschillen, moest klein genoeg. Er kon een combinatie gemaakt worden van verschillende potentiometers: een grote potentiometer met een grote regeling en een kleine, met een kleinere stapgrootte, voor de fijne regeling. De offset is verschillend naargelang de keuze van de weerstanden van de regelkring. Deze weerstanden worden bepaald door de formule voor de uitgangsspanning van de step down convertor. Deze is :


38

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

De VOUT is gekend, en door de keuze van RFB2 kan de offset van RFB1 bepaald worden. In een Exel4 bestand is deze formule omgebouwd zodanig dat, wanneer er een R FB2 ingevuld wordt, de RFB1 een waarde krijgt. Dit werd automatisch ingevuld bij bepaalde uitgangsspanningen. Bij de 0,9V uitgangsspanning is de maximum offset van de R FB1te zien bij de bijhorende RFB2. Zo kan in deze tabel afgeleid worden wat de stapgrootte is in Ohm. Tevens is te zien wat de maximum weerstand moet zijn om 48V te bereiken. Na het opstellen van deze tabel was het zoeken naar een potentiometer die overeenstemt met een van de berekende digitale weerstanden. Met de vooropgestelde gegevens werd een weerstand gezocht die voldoet aan al deze eisen. De uiteindelijke potentiometer werd de MAX5482 en kan via SPI of Up-Down ingesteld worden. Deze instelling gebeurt door pin SPI/̅̅̅̅. Er zijn twee weerstanden die afhankelijk van elkaar kunnen ingesteld worden. Via de INC kan de klok ingesteld worden en is de richting is in te stellen met U/ ̅ . Via CS kan de potentiometer geactiveerd worden. Deze MAX5482 heeft een stapgrootte van 48Ω en een waarde van 50kΩ. Als een RFB2 gekozen wordt van 1500Ω zijn er twee potentiometers nodig van 50kΩ, dus zullen de stapgrootte en offset verdubbelen. De stapgrootte is 0,85V als twee potentiometers samen worden aangestuurd. De offset bedraagt 140Ω voor beide potentiometers samen. Dit is kleiner dan 187Ω, dus deze weerstand is geschikt. Deze offset is terug te vinden in bijlage A. Er is een tabel opgesteld met verschillende mogelijkheden van de regelweerstanden. Hier ziet men de stapgrootte en de offset. De minimum spanning meet 0,87V. Dit is iets te groot maar kan nog verkleind worden met de tolerantie van de potentiometer. De maximum spanning zal groter zijn dan 48V, dit is afhankelijk van de ingangsspanning. De maximum uitgangsspanning is 93% van de ingangsspanning.

In figuur 52 bevindt zich het schema van de regelkring. Het is de aangepaste versie van het schema in figuur 50. Er is een switch toegevoegd die aangestuurd wordt door een pull down weerstand. Wanneer de meeteenheid wordt aangesloten zal de pin hoog worden. Is de meeteenheid niet aangesloten, dan wordt de pin met de massa verbonden.

4

Dit bestand vindt u terug in de bijlage A


39

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 52: Schema regelkring

1.2.3 REALISATIE 1.2.3.1 PRINT ONTWERP Na de simulaties is de schakeling ontworpen op het oefenbord. Er is een wijziging gebeurd in de keuze van de componenten. De LTC3810-5 heeft een veel kleinere package dan een LTC3810. De verschillen tussen beide types zijn terug te vinden in tabel 1. Tabel 1: Verschillen tussen LTC3810 en de LTC3810-5

De pinnen zijn dezelfde gebleven alsook de instelling en de werking van het IC. De formules om alles te berekenen zijn ook dezelfde. Om te meten moet enkel rekening gehouden worden met het feit dat de minimum spanning van de INTVCC 6V is in plaats van 4V. Via een oefenbord werd duidelijk welke aanpassingen eventueel moesten gebeuren om de schakeling te doen werken. Er werd een weerstand toegevoegd tussen de bovenste geschakelde MOSFET en de gate. Tijdens de simulaties was dit niet nodig maar door metingen is duidelijk geworden dat deze weerstand een positieve invloed heeft op de schakeling. Zo was er minder storing op de gate van de MOSFET.


40

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Tijdens het meten met het oefenbord waren veel storingen. Toen de componenten van plaats veranderd werden en bijgevolg de draadjes korter werden, was de storing minder. De waarden van de componenten zijn dan veranderd. In bijlage B staan de schema’s in verband met het print ontwerp. De schema’s zijn gemaakt aan de hand van het resultaat van de simulaties en de metingen op het oefenbord. Er is rekening gehouden met eventuele wijzigingen die nog kunnen worden doorgevoerd. Zo werden volgende wijzigingen aangebracht: -

Er zijn meerdere ingangscondensatoren voorzien die later eventueel kunnen bijgevoegd worden. Deze heten C1, C10, C11 op het schema; Er zijn meerdere uitgangscondensatoren voorzien die later eventueel kunnen bijgevoegd worden. Deze heten C6, C7, C8 op het schema; De weerstand RON die verbonden wordt met ION kan verbonden worden met VIN of met VOUT (R18 of R19 kortsluiten); Er is een testpin voor PGOOD toegevoegd om de spanning te kunnen meten op deze pin (TP1); MODE/SYNC kan eventueel met massa of met INTVCC verbonden worden. Dan moet R16 of R17 kortgesloten worden; SS/TRACK kan via een weerstand met INTVCC geconnecteerd worden door R15 kort te sluiten en C12 open te laten of R15 open laten maar C12 een condensator te solderen; VRNG kan met massa of INTVCC verbonden worden door R15 of R14 kort te sluiten.

Tijdens het tekenen van het schema moesten nog enkele componenten aangemaakt of aangepast worden omdat deze niet bestonden in de bibliotheek van Eagle. Ook de LTC3810-5 stond er nog niet in. Daarom is deze component zodanig ontworpen zodat het gelijkaardig is aan deze van de simulaties. Het schema is hierdoor ook zeer gelijkaardig en overzichtelijk. Er werden diverse soorten print layout’s ontworpen. Het laatste ontwerp was het beste en is in bijlage B te vinden. De banen van het vermogenscircuit op de print zijn 2 mm. Zo kan er maximum 7A doorvloeien. Om de dikte van de baantjes te bepalen is beroep gedaan op iemand van de CAD groep. Deze persoon heeft de eigenschappen van de print ingevuld in het programma waar hij mee werkt. Dit resultaat was 2 mm. De schakeling is opgebouwd voor een stroom van 5A. De maximum stroom van 7A is zeker voldoende.

Er is gekozen voor componenten met een kleine package waarbij de print zo klein mogelijk en de baantjes zo kort mogelijk kunnen gemaakt worden. Zo is de kans op storingen veel kleiner. Daarom werd besloten om de print op twee lagen te maken. Er werd een massavlak aangebracht met het idee de storingen te beperken. Er werd geen rekening gehouden met het feit dat het massavlak mogelijk te dicht staat bij de schakelende MOSFET’s. De spoel is haaks op de MOSFET’s geplaatst teneinde zo weinig mogelijk de storingen van de schakelende MOFSFET’s op te vangen.


41

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Er zijn veel via’s geplaatst om de massa door te verbinden. Er is een vermogensbaan die van de bovenkant naar de onderkant moest verbonden worden. Daarom zijn zes via’s naast elkaar geplaatst waardoor zeker de hoge stroom kan vloeien. Het bedrijf werkt met een externe firma om de printplaten te maken. Hierdoor zou het vier weken duren vooraleer een print zou gemaakt zijn. Daarom werd er een gemaakt op school. Het nadeel is echter dat, wanneer er gesoldeerd wordt, de baantjes en padjes van een zelfgemaakte print vlugger loskomen dan wanneer de print door een professioneel bedrijf wordt gemaakt.

1.2.3.2 METINGEN Nadat de print geëtst en geboord was, werd ze bespoten met flux. Na het drogen werd ze getest op kortsluiting en of alles goed met elkaar werd verbonden. Er mochten geen verkeerde verbindingen zijn. Normaal werd dit al gecontroleerd bij het ontwerp maar een dubbelcheck bood absolute zekerheid. Er waren enkele kortsluitingen en deze zijn weg gewerkt. De componenten werden dan gesoldeerd. Hierbij werd een fout ontdekt in het ontwerp. De schakelende MOSFET’s hebben een geleidend vlak onderaan. Hiermee werd geen rekening gehouden en kon kortsluiting optreden. Dit werd eenvoudig opgelost door het draadje, dat als via diende, uit te solderen en wat koper weg te krassen. Hierna is spanning aan de print gelegd maar aan de uitgang werd geen spanning gemeten. De oorzaak was dat de aansluitingen in Eagle niet overeenstemden met de pinaansluiting van de MOSFET die zorgt voor de spanning op de INTVCC pin. De gate en de drain waren van plaats verwisseld. Dit was aan te passen door een verkeerd draadbruggetje, dat gelegd was bij de SS/TRACK pin, te veranderen. Deze was verbonden met de massa in plaats van met de INTVCC. Na deze aanpassingen was er wel een uitgangsspanning. Nu volgde een test op de juiste spanning met de instelling van de regelkring. De weerstanden waren ingesteld voor een uitgangsspanning van 7,8V. Figuur 53 toont het scoopbeeld van de gemeten spanning op de uitgang. Deze spanning is gemeten zonder dat een belasting door de voeding was geschakeld.


42

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 53: Uitgangsspanning bij een ingestelde waarde voor 7.8V zonder belasting op de uitgang

Er waren nog storingen op de uitgang. Deze waren al sterk verminderd dan wanneer getest werd met een oefenbord. Om deze storingen weg te werken werd een LC-filter berekend. De componenten werden berekend aan de hand van volgende formules:

=

=0,125

Voac is de rimpel die aanwezig is aan de uitgang en die moet gereduceerd worden.

Er is voor een spoelwaarde gekozen van 1µH. Daardoor is de condensator waarde gelijk aan 22µF. Ondertussen is getest of de ingangsspanning kon variëren. Deze spanning was heel goed regelbaar. Daarna is de voeding ingesteld op 5,3V. Dit scoopbeeld is terug te vinden in figuur 54.


43

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 54: Ingestelde voeding op 5.3V

Er waren terug storingen te zien op deze scoop. De uitgangsspanning was ongeveer 5,2V. In figuur 55 werd een belasting van 33Ω met de schakeling verbonden. Daardoor vloeide een stroom van 153mA.

Figuur 55: Voeding ingeschakeld op 5.3V met belasting van 33Ohm

De uitgangsspanning toonde geen verschil met de belasting van 33Ohm of zonder belasting. Daarom werd de belasting verhoogd naar 22Ω. Daardoor vloeide er een stroom van 230mA. In figuur 56 is de uitgangsspanning zichtbaar. Deze spanning was dezelfde gebleven.


44

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 56: Voeding ingesteld op een spanning van 5.3V met een belasting van 22Ohm

Daarna werd een LC-kring met de schakeling gekoppeld. Bij deze meting werd kortsluiting gemaakt met de meetpinnen en was de LTC3810 defect. Dit kon met zekerheid vastgesteld worden omdat er zich op de NDRV pin maar 150mV bevond. Dit scoopbeeld is te zien in figuur 57. De MOSFET werkte nog uitstekend.

Figuur 57: Spanning op de NDRV pin wanneer de LTC3810 defect was.

Wanneer het IC vervangen werd en spanning aan de schakeling aangelegd, werd geen uitgangsspanning gemeten. Hierop is de spanning op de NDRV gecontroleerd. Het spanningsverloop is terug te vinden in figuur 58. Dan werd gecontroleerd of er voldoende spanning stond op de UVIN pin. Deze spanning was gelijk aan 2,21V, hoger dan 0.8V en dus groot genoeg. De spanning op de


45

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

INTVCC was gelijk aan 2,15V wat dus veel te laag is. Deze spanning moet gelijk zijn aan 6,2V. De oorzaak werd gezocht en de spanning op de VRNG klem werd gecontroleerd.

Figuur 58: Spanning op de NDRV pin

Wanneer de ingangsspanning wijzigt, verandert ook de waarde van de INTVCC wat eigenlijk niet mag. De INTVCC werd ingesteld zodat hij zijn spanning kreeg. Pas toen kon bepaald worden waar ergens het probleem zat. In figuur 59 is te zien dat de INTVCC niet direct op zijn waarde kwam om te kunnen werken. De waarde werd dan later verhoogd.

Figuur 59: INTVCC spanning

Er werd gecontroleerd of de waarde wel goed was en of dat er een uitgangsspanning was. Deze was er niet. Dus werd de spanning van de gate van de eerst geschakelde MOSFET gecontroleerd.


46

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Er werd vastgesteld dat deze MOSFET niet aangestuurd werd. Misschien kon het dat de diode, verbonden aan de BOOST pin, defect was. Dus werd hier de spanning gemeten. Het spanningsverloop is terug te vinden in figuur 60.

Figuur 60: Spanning op de BOOST pin.

Er werd 7V spanning gemeten op deze pin. Deze was 0,4V minder dan de spanningswaarde van INTVCC op dat moment, deze pin kreeg zijn spanning. Vervolgens werd er gecontroleerd of de EXTVCC spanning kreeg. Was dit het geval, dan zou het IC in een verkeerde mode werken. ION en VON werden gecontroleerd op de juiste instelling want dit was belangrijk: deze pinnen bepalen de schakelfrequentie. Moest deze frequentie echter 0 zijn, zou het IC niet werken. De MODE en SS/TRACK werden ook gecontroleerd.

Bij de controle van de ION spanning bleek dat deze niet aangestuurd werd. Dit was vrij normaal want deze weerstand werd aangestuurd door de uitgangsspanning. Deze was laag doordat het IC niet opstartte. Dit mocht echter geen probleem zijn want het IC moet zo kunnen opstarten. Om te weten waar de fout lag, werd de weerstand die aan de I ON aangesloten was, gekoppeld aan de ingangsspanning. Na deze verandering werkte deze schakeling nog altijd niet. Dus werd de spanning op de SS/TRACK gemeten. Op deze pin was geen spanning. Dit mocht echter geen invloed hebben op de schakeling. De spanning op de ION werd veranderd en dus moest gecontroleerd worden of de verhouding van de frequentie met de gevraagde uitgangsspanning klopte. Dit bleek in orde te zijn. Er werd nog gecheckt of er zich een onderbreking of kortsluiting bevond in de terugkoppeling. Alles werd gecontroleerd en goed ingesteld. In de data sheet is vermeld, dat wanneer de shutdown pin onder de 1,5V aangesloten wordt, dat de SS/TRACK pin laag wordt gehouden. Dit is ook wat gebeurd is. De shutdown pin was verbonden met 7V. Er zou dus er zich een defect bevinden in het schema.


47

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

2. MSU (MEASUREMENT SUPPLY UNIT)

2.1 HARDWARE 2.1.1 BLOKSCHEMA

Figuur 61: Blokschema MSU

2.1.2 BESPREKING BLOKKEN

2.1.2.1 VOEDING Dit blok, in het blokschema (figuur 61), zorgt ervoor dat alle andere blokken de nodige spanning krijgen. De spanningen voor de verschillende IC’s zijn onderling ook verschillend. Zo heeft de DMM een spanning nodig van 3,6V, waar de ATMEL een spanning nodig heeft van 3,3V.

De spanningsregelaar van 3,3V is vlot verkrijgbaar maar niet deze van 3,6V. De meeste spanningsregelaars hebben een vaste ingangsspanning. De PSU kan werken met een variabele ingangsspanning. Dit is ook de bedoeling voor de MSU, omdat dezelfde spanning kan gebruikt worden voor beide toestellen.

Daardoor is de TL783 van Texas Instruments het best geschikt. Deze regulator kan spanningen leveren van 1,25V tot 125V. Het maximum spanningsverschil tussen ingangs- en uitgangsspanning is 125V. In figuur 62 is het blokdiagram van dit IC zichtbaar. Er is bewust gekozen om niet te werken


48

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

met een vaste voedingsspanning. Het is onbekend in welk test systeem deze eenheid zal gebruikt worden. Wanneer met een vaste voedingsspanning wordt gewerkt moet een extra module voorzien worden. Als deze meeteenheid kan werken met een variabele ingangsspanning moet geen extra voeding toegevoegd worden. Deze eenheid kan werken op een voedingsspanning die verder in dit testsysteem voor een andere eenheid wordt gebruikt.

Figuur 62: Blokschema voeding

Door R2 en R1 te kiezen, kan de uitgangsspanning geregeld worden. In figuur 62 is te zien hoe deze spanningsregelaar werkt, net zoals de step down convertor met een referentiespanning.

Uit het schema blijkt: VR2 + Vref = VR1 + VR2 of Vref = VR1

Vo = Vref + (Vref/R1) * R2

Met R1 wordt de uitgangsstroom (Vref/R1) bepaald en met R2 VR2 en indirect Vo.

De regelkring werkt als volgt: de opamp probeert de spanning VR1 gelijk te krijgen aan 1,73V en dat doet hij door de MOSFET meer of minder in geleiding te brengen.


49

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

2.1.2.2 MULTIPLEXER

De multiplexer zorgt voor de kanaalselectie, zodat het ene gewenste kanaal uit vier kanalen gekozen kan worden. Dit kanaal wordt aangestuurd door de microcontroller. Voor de multiplexer zou er bij ieder kanaal een zekering geplaatst worden ter beveiliging voor een te grote stroom. Deze multiplexer wordt aangesproken met twee signalen, dit om één van de vier kanalen door te schakelen. Op het eerste kanaal wordt de PSU aangesloten. Als de voeding niet aangesloten is, kan een ander signaal op dit kanaal worden aangesloten. Door de multiplexer moet er een grote stroom vloeien. Daarom kan de multiplexer niet uitgevoerd worden met een doorsnee IC, maar moet een schakeling worden gemaakt. De eerste schakeling die bedacht werd, had als hoofdcomponent een MOSFET. Deze schakeling was echter niet bruikbaar voor deze realisatie want de minimum spanning die de multiplexer kon schakelen was 10V. Dit was te hoog want de spanningen onder de 10V konden niet geschakeld worden. Er werd gezocht naar een schakeling met een relais. Deze was wel realiseerbaar maar de prijs om een kanaal te sturen is ongeveer vier maal hoger dan die van het meet-IC en zijn randcomponenten. De keuze van de realisatie hangt van verschillende factoren af. De componenten zijn misschien goedkoper om de schakeling van de DMM in viervoud uit te voeren, maar er zijn nog andere elementen die een belangrijke rol spelen, zoals de kost om deze printen in viervoud te maken. Er is een mogelijkheid dat het veel goedkoper is om de schakeling met MOSFET’s uit te voeren. Het hangt ervan af wat de grootte van de print is, en hoeveel storingen de MOSFET’s zullen veroorzaken door te schakelen. Dat kan immers de MOSFET een storing geven waardoor mogelijks de schakeling niet meer zou werken. Dus om een goede keuze te maken moet nog dieper gezocht en eventueel enkele metingen uitgevoerd worden.

2.1.2.3 DMM Spanning en stroom kunnen met hetzelfde IC gemeten worden. Er moeten bepaalde instellingen veranderen. Autoranging is ook realiseerbaar met dit IC. Er is voor fabrikant HYCON Technology gekozen, en specifiek voor de HY3131 omwille van de grote stromen en spanningen die gemeten kunnen worden. De HY3131 kan nog meer dan spanning en stroom meten. Voor het bedrijf was het noodzakelijk dat ze later nog weerstanden kunnen meten. Dit IC heeft volgende specificaties: -

AC/DC 5V, 50V, 500V en 1000V; AC/DC 50mV/500mV; AC/DC 500/50000µA, 50/500mA, 5/20A; 50 Ω, 500Ω, 5kΩ, 50kΩ, 500kΩ, 5MΩ, 50MΩ; Een diode tester; 50nF, 500nF, 5µF, 50µF, 500µF, 5mF, 50mF;


50

Caenepeel Rebecca -

3AI1EO

0.5Hz ~ 600kHz ( voor een analoge ingang); 0.5Hz ~60MHz ( voor een digitale ingang); Duty cycle : 0.01% ~99.99%; Thermokoppel metingen.

Het IC werkt op 3,6V en op een 4.9152MHz interne oscillator. De firma heeft ook een testbord voorzien met de nodige randcomponenten. Het schema van het testbord is terug te vinden in bijlage C. Hierin is te zien dat de pinnen voor spannings-, weerstands- en capaciteitsmetingen worden aangesloten tussen de P1 en de COM. In bijlage C worden er enkele jumpers weergegeven. Deze zorgen voor de juiste instelling van de DMM (Digitale Multi Meter). Jumper J6 mag niet kortgesloten zijn terwijl Jumper J2 dat wel moet zijn. Jumper J8 en J17 zijn hetzelfde voor spanning en stroommetingen. Jumper J8 moet pin 1 met pin 2 verbinden en jumper J17 moet open blijven staan en geen verbinding geven. Deze instellingen moeten gebeuren zodat de juiste spanning op de juiste pinnen aangeboden wordt. Naarmate de grootheid wordt gemeten zijn er verschillenden instellingen nodig voor de meetmethode van de grootheden. Deze jumpers zouden later vervangen worden door een relais of een schakelend circuit. Voor de stroommetingen met een bereik van mA/µA wordt het signaal aangesloten tussen de connectoren COM en P3. Stromen tussen P4 en COM zijn voor stroommetingen met in de ordergrootte van Ampère. Jumper P6 wordt kortgesloten en jumper J2 wordt open gelaten zodat hij niet verbonden wordt. De HY3131 wordt aangesproken met SPI. Om via SPI te kunnen aangeven dat de controller data wil lezen uit de registers, moet de eerste bit van het adres 1 zijn. Dit wordt weergegeven in figuur 63.

Figuur 63: DMM uitlezen met SPI

Wanneer de Chip Select (CS) laag komt te staan moet het adres van het te lezen register doorgestuurd worden. De eerste bit is dus gelijk aan 1, dan zijn bit 2 tot 8 gelijk aan het adres dat uitgelezen moet worden. Na het versturen van deze byte zal er een klokperiode nodig zijn zodat de DMM deze data kan lezen en verwerken. Na deze vertraging zal de data van het gevraagde adres verstuurd worden. Zolang de Chip Select laag staat, zal telkens de waarde van het volgende register verstuurd worden. Wanneer de Chip Select hoog komt te staan, is er geen communicatie met de DMM meer mogelijk.

Om data in de registers te schrijven moet de eerste bit van het adres gelijk zijn aan 0. De methode om data te schrijven wordt voorgesteld in figuur 64.


51

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 64: DMM instellen via SPI

Wanneer de Chip Select laag komt wordt er terug een adres verstuurd. De eerste bit van dit adres is gelijk aan 0, bits 2 tot en met 8 bevatten de adreswaarde waar de data naartoe wordt geschreven. Wanneer deze byte verstuurd wordt, is geen vertraging meer met de lengte van een klok puls. Dit wil zeggen dat de waarde die in dit register moet geprogrammeerd zijn, mag verstuurd worden. Wanneer een tweede waarde verstuurd wordt, zal deze waarde in het volgend register weggeschreven worden. Zo kunnen alle opeenvolgende registers ingesteld worden tot de Chip Select terug hoog komt te staan. 2.1.2.1.1

Instelling interrupts

De DMM kan met interrupts werken. Deze kunnen worden ingesteld in registers 1F en 1E. Beiden worden in figuur 65 weergegeven.

Figuur 65: Registerinstellingen interrupt

Het INTE register is er om alle interrupts in te schakelen en wordt, wanneer één van de interrupts aangesproken wordt, de corresponderende bit hoog geplaatst. De interruptbits die zouden gebruikt kunnen worden in deze applicatie zijn AD1IE en AD1IF. De gemeten waarden van de spanning en stroom staan in het AD1 register. Dus wanneer een nieuwe waarde in dit register is geplaatst, zal een interrupt gegenereerd worden en weet de controller dat deze waarde gemeten is. Wanneer een interrupt wordt gegenereerd zal een IRQ gegenereerd worden. Dit wordt voorgesteld in figuur 66.

Figuur 66: Voorstelling van een IRQ

Bij een IRQ moet de CS hoog staan. Wanneer de CS hoog staat zal de DO hoog komen. Wanneer de DO echter laag blijft kan geen interruptaanvraag ontstaan. IRQ is wanneer de CS en DO hoog komen te staan. Na een interruptaanvraag wordt de CS terug laag en kan er gelezen en geschreven worden.


52

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Hieronder worden enkele blokken van de DMM apart besproken zodat de werking duidelijk is wanneer de instellingen worden besproken om een spanningsmeting uit te voeren. 2.1.2.1.2

Instelling van de klok

Het blokschema van de klok is weergegeven in figuur 67. In figuur 68 zijn de registers weergegeven waarmee de klok ingesteld wordt.

Figuur 67: Blokschema klok DMM

Figuur 68: Registers om de klok in te stellen voor de DMM

De HY3131 heeft een interne oscillator. Via de pinnen XOUT en XIN kan een externe oscillator aangesloten worden. Via de ENOSC bit, in register R33, kan de oscillator in- of uitgeschakeld worden. Met de ENXI bit, in hetzelfde register, wordt de klok geselecteerd. Hier wordt de keuze gemaakt tussen een interne of externe oscillator. Daarna wordt de klok doorgegeven via SYSCLCK naar de AD1CLCK. Tussen deze twee waarden wordt de klok gedeeld door 30. Er wordt eveneens een tweede klok gegenereerd uit de SYSCLCK, de AD2CLK. Hier kan via de SAD2CLK in register R26, ingesteld worden dat de SYSCLCK gedeeld wordt door 2 of door 4. Zo bekomen we twee kloksignalen AD1CLK en AD2CLK. Het IC kan op twee manieren gereset worden. -

Door in register 37h de waarde 0x60 te schrijven; Wanneer de VDD een kleinere spanning bereikt dan 1,9V.

2.1.2.1.3

Spanning referentie generator

Wanneer spanning wordt gemeten moet de DMM een referentiespanning hebben. Deze wordt ingesteld via de referentiegenerator. In figuur 69 is het blokschema terug te vinden en in figuur 70 de bijhorende registers.


53

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 69: Blokschema spanning referentie generator

Figuur 70: Registers om de spanning referentie generator in te stellen

De Voltage Reference Generator 2 zal de AGND spanning genereren die als referentiepunt dient voor het meetsysteem. De Voltage Reference Generator 1 zal enkele andere spanningen genereren. Zo worden drie soorten spanningen gegenereerd: -

Met een constante K1; de formule is gelijk aan K1(VDD-VSS); Met een constante K2; de formule is gelijk aan K2(REFO – AGND); Met een constante K3; de formule is gelijk aan K3(VDD-VSS).

De Bandgap Voltage Reference kan 1,2V genereren ten opzichte van de AGND. Via de SREFO bit, register 30, wordt gekozen welk signaal zal worden gebruikt voor de REFO ( referentie spanning). Voor deze referentie spanning kan gekozen worden tussen de Bandgap Voltage Reference en de spanning op PB<6>. Via de ENREFO controlebit, in register 31, wordt deze spanning in- of uitgeschakeld. Wanneer de ENREFO controlebit is uitgeschakeld zal de REFO uitgang geen vaste waarde aannemen en is dus zwevend. In dit blok wordt nog de referentiespanning voor de ADC gecreëerd. Dit wordt bekomen met de ACM voltage generator. Hier wordt er via de SCAM controlebit, in register R25, ingesteld wat de spanning moet zijn ten opzichte van de VSS. Er kan gekozen worden tussen 0,9V, 1,2V, 1,125V en 1,5V.


54

Caenepeel Rebecca 2.1.2.1.4

3AI1EO Analoog netwerk

Hier wordt autoranging toegepast. Op deze manier kan het bereik aangepast worden waarbinnen het IC kan meten. Hoe hoger het bereik, hoe minder nauwkeurig het resultaat. Dit wordt later duidelijk wanneer de DMM wordt uitgelezen via de computer. Constant meten op het grootste bereik zou dus niet nauwkeurig genoeg zijn. Figuur 72 geeft het blokschema weer en figuur 71 de bijhorende registerwaarden.

Figuur 71: Register voor het analoog geschakelde netwerk

Dit analoog netwerk wordt gebruikt om spanning, stroom, weerstanden en condensatoren uit te meten. In het blokschema ziet men ook de uitwendige weerstanden. Deze waarden zijn gelijk aan de weerstanden op het oefenbord.

In het bovenste rode blok, in figuur 72, wordt de mode gekozen en wat er zal gebruikt worden als massa. Met de mode wordt ook bepaald met welke waarde de referentiespanning vergeleken wordt in de operationele versterker OP3. Volgens de stand van de schakelaars wordt de spanning op het FB knooppunt en SENSE knooppunt bepaald. Deze schakelaars worden ingesteld in de registers R2E tot R2A. Aan de hand van de instelling van deze registers kan autoranging worden toegepast. Het belang van deze schakelaars wordt verder verklaard wanneer een spanningsmeting wordt uitgelegd. De referentiespanning wordt bepaald door de waarde van SFVR bit, SMODE<3> bit en CMP0 bit. De SDIO schakelaar kan gesloten of geopend worden om de spanning te delen wanneer een diode wordt uitgemeten. De spanning op de pinnen FB, SENSE, RLU, RLD en PB<8> kan gebruikt worden tijdens de ADC meting.


55

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 72: Blokschema analoog geschakeld netwerk

2.1.2.1.5

OPAMP en comparator

Figuur 73 geeft het blokschema weer van dit onderdeel en figuur 74 toont de bijhorende registers.


56

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 73: Blokschema OPAMP en comparator

Figuur 74: Register instelling van de OPAMP en comparator

De OPAMP’s kunnen in- en uitgeschakeld worden via de controlebits ENOP1 en ENOP2. Via de Registers SOP1P en SOP2P worden beide OPAMP’s ingesteld. Beide spanningen kunnen gebruikt worden als referentiesignaal van AD1 om een spanning te meten. In figuur 73 zijn nog twee comparatoren voorzien om te bepalen of de gemeten waarde binnen het bereik valt. Het signaal dat vergeleken moet worden, wordt gekozen door de instelling van SCMPI bits, in het R20 register. De boven- en ondergrens worden bepaald door de waarden van SCMPRH en SCMPRL controlebit, in het R21 register. Deze beide comparatoren kunnen in- en uitgeschakeld worden via de ENCMP bit.


57


3AI1EO Pre-filter en ADC input MUX

In het blokschema, dat weergegeven wordt in figuur 75, staan drie onderdelen. -

Pre-filter; ADC input MUX; Temperatuur sensor.

De temperatuursensor wordt hier verder niet besproken omdat deze niet werd gebruikt in de applicatie. De pre-filter en de ADC input MUX kunnen gebruikt worden bij de bepaling van de instelling van de referentiespanning voor het meten van die spanning.

Figuur 75: Blokschema Pre-filter en ADC input MUX

Figuur 76: Bijhorende registers voor de Pre-filter en de ADC input MUX


58

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

De pre-filter dient om de ruis weg te filteren uit het gemeten signaal en helpt het signaal stabiel te houden. Daarom moet deze filter tussen de pinnen FTP en FTN aangesloten worden. De instellingen voor deze filter zijn afhankelijk van SAD1FP<3:0> bits, SAD1FN<2:0>bits en SFT<1:0>bits. De ADC input MUX bepaalt de waarde die de ADC nodig heeft om de meting uit te voeren. De registers AD1P en AD1IN bevatten de positieve en negatieve ingangssignalen van AD1. Ze worden ingesteld via het register SAD1I. Registers AD1RH en AD1RL bevatten de positieve en negatieve signalen van de referentiespanning voor AD1. Deze worden ingesteld door de registers SAD2IP en SAD2IN. Deze vier waarden zijn dan ook nog eens in te stellen voor de AD2 (Register for High Resolution ADC). AD2 wordt niet gebruikt bij deze metingen en zal dan ook niet verder besproken worden. 2.1.2.1.7

High Resolution ADC (AD1)

Figuur 77: Blokschema ADC

Figuur 78: Bijhorende registers van de ADC

Aan de hand van figuur 77 wordt de werking van de ADC uitgelegd. AD1IP en ADIN zijn de positieve en negatieve ingangssignalen van de ADC. AD1RH en AD1RL zijn de positieve en negatieve referentiesignalen van de ADC. Via de ENAD1 bit kan de ADC in- of uitgeschakeld worden. AD1CHOP zorgt voor de instelling van de chopper. Zo wordt bepaald of bij het resultaat van de meting een offset moet bijgevoegd worden of niet. Dit is terug te vinden in figuur 79.


59

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 79: Instelling van AD1CHOP

In het AD1IG register wordt de versterking van de ingang vastgelegd. Dit wordt weergegeven in figuur 80, samen met de waarde van de versterking van de referentiespanning, die terug te vinden is in het AD1RG register.

Figuur 80: Waarden voor de versterking van de ingangsspanning en referentiespanning.

Het AD1OS register zorgt voor de instelling van de zero input voltage. Wanneer het gemeten signaal niet symmetrisch is, zal AD1 beter functioneren met deze instelling. 2.1.2.1.8

Spanning en stroom meten met het testbord

Op de site van de fabrikant kan een programma gedownload worden waarmee het testbord uitgelezen kan worden. Het programma heet HYCON3131EVA en bezit al de instellingen om de spanning uit te meten met verschillende bereiken. Het programma heeft 4 vooraf ingestelde spanningsbereiken. Dit zorgt ervoor dat deze instellingen konden overgenomen worden. Na het bestuderen van de instelling is een algemene instelling opgesteld om spanning te meten. Daarna is nog een instelling uitgevoerd om de spanningsbereiken te veranderen. Dit is onderverdeeld omdat later, wanneer de bereiken moeten worden veranderd, niet alles opnieuw zou moeten ingesteld worden.

Deze instelling is terug te vinden in de bijlage D. In figuur 81 en 82 wordt een screenschot weergegeven van het programma die de spanning meet en de register-instellingen zichtbaar maakt.


60

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 81: Visualisatie van de gemeten spanning

Figuur 82: Bijhorende registerinstellingen


61

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Uit figuur 81 kan worden afgeleid dat de referentie van de kalibratie 5V is en dat de eenheid is ingesteld op 1V. De maximumspanning in dit bereik is 66000000 of 6,6V. De gemeten spanning is echter 4,99 V. Bij het uitlezen van de DMM wordt vastgesteld dat de waarde van het AD1 register gelijk is aan 5BAEDA, uitgedrukt in hexadecimale waarden. Wanneer deze waarden omgezet worden naar het decimaal talstelsel, wordt een waarde van 6008538 opgemerkt. Om deze waarden om te zetten naar de gemeten waarden werd in de datasheet naar volgende formule gezocht:

IG (Input Gain) staat voor de versterking van de gemeten spanning en is terug te vinden in het register R25 bit 4 en 5. In figuur 82 is zichtbaar dat deze waarde gelijk is aan 01. Wanneer de bit een grijze achtergrond heeft is de waarde 0. Bij een witte achtergrond is de waarde gelijk aan 1. In figuur 81 is het zichtbaar dat deze combinatie gelijk is aan een versterking van 1,8. VIN is de gemeten spanning. RG (Reference Gain) is de versterking van het referentiesignaal. In figuur 82 is deze waarde terug te vinden in register R23 bit 4. De waarde is gelijk aan 0. De waarde van de versterking is dan gelijk aan 1,0 en wordt teruggevonden in figuur 80. VR is de waarde van de referentiespanning die gebruikt wordt door de ADC. VR is de verschilwaarde van het positieve en negatieve referentiesignaal dat terug te vinden is in AD1RH en AD1RL, in register R28. Deze waarden, opgezocht in figuur 82, geven aan dat AD1RH gelijk is aan 011 binair en AD1RL aan 001 binair. In figuur 83 worden de mogelijke instellingen weergegeven van AD1RH en AD1RL. Zo kan besloten worden dat de positieve spanning gelijk is aan de spanning op PB<6>, deze bedraagt 1,2V. De waarde voor AD1RL is AGND, deze is gelijk aan 0V. Zo heeft VR de waarde van 1,2V.

Figuur 83: Instelling AD1RH en AD1RL

De waarde van DVOS (zero input voltage) is terug te vinden in de AD1OS in register R22. In figuur 84 is te zien dat deze waarde ingesteld is op 000 binair. Deze waarde is gelijk aan 0, dit is terug te vinden in figuur 84.

Figuur 84: Instelling van AD1OS

Zo kan besloten worden dat het tweede gedeelte van de formule wegvalt. De formule wordt omgevormd zodat VIN kan berekend worden.


62

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Dit is totaal verschillend van de werkelijke gemeten spanning. Daarna is de fout opgespoord. Er werd gecontroleerd aan de hand van de chopperinstelling of er al dan niet een offset meer of minder moest zijn. Het resultaat was dat geen offset moest bijgevoegd of verwijderd worden. Uiteindelijk werd de fabrikant gecontacteerd en werd het duidelijk dat nog met enkele andere waarden rekening moest gehouden worden. Zo moest bij de formule in de datasheet nog eens vermenigvuldigd worden met een factor van 223. Er diende ook rekening gehouden te worden met de stand van de schakelaars zoals te zien in figuur 82 De stand van deze schakelaars zorgt voor een weerstand delend netwerk. Dit zal verder verduidelijkt worden met de uitwerking van deze gemeten waarde. In register R2E tot R2B wordt de stand van deze schakelaars weergegeven en is het duidelijk dat de schakelaars PS7 en PS8 gesloten zijn. Zo wordt een weerstand delend netwerk bekomen van 1MΩ in serie met 100kΩ. Deze weerstanden zijn verbonden aan pin PA<7> en PA<8>, en met de 10MΩ. Deze weerstand is verbonden met de pin PA<9>. Dit resulteert in de volgende formule: (

)

Wanneer deze omgevormd wordt, wordt wel de juist gemeten waarde bekomen. Tijdens dit eindwerk restte geen tijd meer om uit te zoeken hoe de stroom berekend en gemeten wordt. 2.1.2.4

MICROCONTROLLER

2.1.2.4.1 BESPREKING VAN HET MICROCONTROLLER OEFENBORD Voor dit eindwerk is een oefenbord van ATMEL aangekocht. Er is gekozen voor de 32-bit AT32UC3C-EK. Deze beschikt over een AT32UC3C0512 microcontroller. Eigenlijk biedt het oefenbord meer mogelijkheden dan nodig voor deze eindverhandeling. Het is het bedrijf die deze keuze maakte omdat een dergelijk oefenbord later nog kan gebruikt worden voor andere applicaties.

De specificaties die vooropgesteld zijn voor dit toestel zijn: -

32-bit controller; PWM (Pulse Width Moldulation) controller USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitters) communicatie; SPI (Serial Peripheral Interface) communicatie; Ethernet communicatie; Enkele I/O pinnen.


63

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 85: Foto van het oefenbord

In figuur 85 is de foto te zien van dit microcontroller oefebord. Er zijn vier mogelijkheden om spanning aan te sluiten op dit bord: 1. 2. 3. 4.

Met een USB virtual com port (USB VCP); Met een USB user interface; Via een externe voedingsconnector; Via een externe 2-pins connector.

Als de voeding wordt aangesloten via mogelijkheid 3, dan kan het bord gevoed worden met een voedingsspanning tussen 9 en 12V. Wanneer het echter volgens mogelijkheid 4 wordt aangesloten, kan de voeding variëren tussen 3,3 en 5V. Eens de spanning is aangesloten, zal er een groene led branden, zal het bord opstarten en zal de microcontroller de geprogrammeerde firmware uitvoeren. De positie van de verschillende connectoren is te zien in figuur 86.

Figuur 86: Voedingsconnectie

Het blokschema van de AT32UC3C-EK is terug te vinden in figuur 87.


64

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 87: Blokschema evaluatie bord

In deze figuur is te zien dat de USART 0 en 1 verbonden zijn met de LIN interface. De USART 2 is voor de USB VCP aansturing verbonden met een ander IC, de AT32UC3B125. De SPI en PWM interfaces kunnen verbonden worden met een extensie bord.


65


3AI1EO

BESPREKING VAN DE MICROCONTROLLER

Figuur 88: Voorstelling specificaties van de microcontroller

De ATMEL AT32UC3B125 heeft een 6 kanaals 20-bit PWM controller. Deze kan ingesteld worden in verschillende configuratiemogelijkheden, zoals polariteit, edge alignment en waveform non overlap control. Deze kanalen werken onafhankelijk van elkaar en de duty cycles kunnen ook onafhankelijk van elkaar worden ingesteld. De PWM controller wordt later uitvoerig besproken.

Deze controller heeft 4 USART kanalen. Deze kanalen hebben elk een onafhankelijke baudrate generator. Dit onderdeel wordt later ook uitvoerig besproken. De controller kan werken op 5V of op 3,3V. Andere specificaties van de microcontroller zijn terug te vinden in figuur 88.

Het voordeel van deze controller is het laag stroomverbruik. De controller kan DSP instructies en floating point instructies verwerken.


66

Caenepeel Rebecca 2.1.2.4.2.1

3AI1EO

UART

Bij de UART is het bekendste protocol de RS232 standaard. Dit is een vorm van seriële communicatie. Een karakter bestaat uit 5,6,7,8 of 9 bits met ervoor een start bit en erna een stop bit. Dit is terug te vinden in figuur 89.

Figuur 89: Samenstelling van een karakter

Bij de ontvanger wordt constant gecontroleerd of een start bit gedetecteerd wordt. Als er een start bit is gedetecteerd, zal hij de acht waarden opslaan en controleren of er een stop bit volgt. Wanneer dit niet het geval is, zal de data ongeldig zijn en de ontvanger zal verder wachten op een start bit.

Figuur 90: UART aansluiting

Er wordt met de DTR (data terminal ready) aangegeven dat de terminal klaar is om data te versturen of te ontvangen. Als één van beide terminals data wil versturen zal deze terminal een Request to send naar de ontvanger zenden. Eenmaal de ontvanger klaar is om data te ontvangen, zal deze een Request to send terug sturen. De zendende terminal zal de data versturen via de transmit data lijn. De ontvanger zal dan, volgens figuur 90, deze data ontvangen via de receive data lijn. Wanneer de data verzonden is, zal een puls gegeven worden op de Clear to send lijn, die mag niet verwaarloosd worden door de stop bit. Het kan namelijk zijn dat de terminal meerdere bytes moet versturen. Iedere byte heeft, zoals hier boven besproken, een start en stop bit. Om te melden dat geen bytes meer volgen wordt een Clear to send verstuurd. De snelheid waarmee de data wordt verzonden wordt uitgedrukt in baudrate.


67

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

De definitie van baudrate is: Baud is de overdrachtssnelheid van een seriële verbinding. Het beschrijft de hoeveelheid bits die per seconde via een serieel kanaal verzonden worden. De baudrate meet het aantal signaalveranderingen van de carrier die op één seconde plaatsvinden. Baud wordt vaak verward met het aantal bits dat per seconde verzonden wordt. (baudrate) Soms kan een klok mee verstuurd worden via de UART, dan verloopt de data transport synchroon. Wordt geen klok mee verstuurd, dan zal de uitwisseling van data asynchroon verlopen en werken beide terminals met een aparte klok. Bij het versturen van data kan eventueel een pariteitbit mee gestuurd worden. Zo kan gecontroleerd worden of geen foute data overdracht heeft plaats gevonden. In tabel 2 worden de mogelijkheden voor de pariteitscontrole opgesomd. Zo is er bijvoorbeeld een even pariteitscontrole. De bit, die zorgt voor de pariteitscontrole, zorgt ervoor dat het aantal waar 1 voorkomt even is. Bij een oneven pariteitscontrole zorgt deze bit dat een oneven aantal 1 voorkomt in de byte. Meestal wordt de startbit niet meegerekend. Wanneer echter plaats voorzien is voor een pariteitscontrole en die niet wordt uitgevoerd kan gekozen worden voor mark en space. Bij mark wordt de pariteitsbit altijd met 1 ingevuld en bij space met 0. Tabel 2: Pariteit

2.1.2.4.2.2

PWM

Pulse Witdh Modulation of PWM is een techniek om analoge resultaten te verkrijgen via een digitale manier. De controller wordt gebruikt om blokgolven te creëren. Het tijdstip waarop de blokgolf een hoog signaal afgeeft, wordt de pulsbreedte genoemd. Om het gemiddelde analoge signaal te veranderen moet de pulsbreedte aangepast worden. Zo kunnen verschillende soorten blokgolven gemaakt worden. In Figuur 91 worden enkele mogelijke signalen voorgesteld. De duty cycle is de verhouding van de tijd die hoog is ten opzichte van de tijd die laag is, gedurende een periode. Bijvoorbeeld een duty cycle van 0% wil zeggen dat er geen hoog signaal aanwezig is. Een duty cycle van 25% wil zeggen dat er 1/4 van de periode een hoog signaal is en dat het tijdens de andere periode laag is.


68

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 91: Voorstelling van een PWM signaal.

Voor een PWM signaal moet er dus telkens een frequentie en een duty cycle worden meegegeven. Een microcontroller kan voor een PWM signaal twee uitgangen voorzien. Dan is het tweede signaal het tegenovergestelde van het eerste, dit wordt voorgesteld in figuur 92. Er wordt echter voor gezorgd dat er geen overlapping kan bestaan tussen beide signalen. Zo zal er telkens een bepaalde tijd zijn tussen het schakelen van de kanalen. Dit voorkomt onnodige fouten als beide kanalen op het zelfde tijdstip zouden schakelen. Dit komt omdat de uitgangen gestuurd worden met MOSFET’s of transistoren. Deze componenten hebben een bepaalde uitschakelvertraging. Daarom wordt een tijd gewacht om de andere MOSFET of transistor in te schakelen zodat geen energie verloren gaat.

Figuur 92:: Niet overlappende signalen van de PWM complementaire uitgangen


69

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 93: Instellingen van de blokgolf

Figuur 93 geeft weer hoe een PWM signaal gerealiseerd wordt. Als basis wordt een klok gebruikt waarvan vooraf de frequentie bepaald is. Vervolgens wordt gekozen voor een driehoek spanning of een zaagtand spanning. Dan zorgen de comparatoren voor de blokgolven. Wanneer de driehoek- of zaagtand spanning boven een bepaalde spanning komt zal de uitgang hoog komen. Wanneer de spanning dan onder een bepaalde waarde komt zal de uitgangsspanning laag komen te staan.


70

Caenepeel Rebecca

2.1.2.4.2.3

3AI1EO

SPI

SPI is een full duplex systeem dat werkt in een asynchrone mode. Een SPI interface communiceert aan de hand van een master en slave mode. In figuur 94 is er te zien hoe een master en slave met elkaar verbonden worden

Figuur 94: Single master en single slave in SPI

Het SPI systeem bestaat uit verschillende lijnen, namelijk: -

-

Master Out Slave In (MOSI): over deze lijn wordt de data doorgevoerd van de masteruitgang naar de slave ingang. Master In Slave Out (MISO): over deze lijn wordt data doorgevoerd van de uitgang van een slave naar de ingang van de master. Gedurende het verzenden mag er maar één slave actief zijn. Serial Clock (SLCK): deze lijn wordt aangestuurd door de master en regelt de snelheid van de data transfer. Slave Select (NSS of ̅̅̅): met deze lijn wordt er bepaald met welke slave er gecommuniceerd wordt.

Om te beginnen met communiceren, moet de master eerst de klok naar buiten brengen. Deze klok mag geen grotere frequentie hebben dan de maximum frequentie die de slave aankan. Daarna zal de master de Chip Select goed zetten en data beginnen versturen ofwel verstuurt de slave de data naar de master.


71

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 95: SPI master met meerdere slaves

Figuur 95 laat zien hoe meerdere slaves verbonden worden met de master SPI. Alle datalijnen worden in parallel gekoppeld, behalve de NSS, wat vrij logisch is. Alle lijnen, behalve de NSS, worden gemeenschappelijk gebruikt. De NSS lijn zorgt ervoor dat de data van de gemeenschappelijke lijnen bij de juiste slave terecht komt ofwel dat een slave kan communiceren met de master. Figuur 96 toont hoe de SPI werkt wanneer er 8 bits per keer worden verstuurd en wanneer de NCPHA ingesteld is met een 1.

Figuur 96: Werking SPI

In figuur 97 wordt getoond hoe de SPI werkt wanneer er 8 bits per keer worden verstuurd en wanneer de NCPHA bit ingesteld is met een 0.


72

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 97: Werking SPI

2.1.2.4.3 DE PROGRAMMER Om de microcontroller te kunnen programmeren zijn er bepaalde mogelijkheden: -

In system programming (ISP); High voltage serial programming (HVSP); Parallel programming (PP); JTAG programming (JTAG Prog).

Er werd gekozen voor de Dragon programmer van ATMEL.

Er werd eerst een controller gekozen en dus moest rekening gehouden worden met de keuze van de programmer, zodat deze met elkaar konden communiceren. De keuze viel op de Dragon programmer van ATMEL omwille van drie redenen. De aankoopprijs viel mee, er kon gemakkelijk gecommuniceerd worden met de controller en vooral, de programmer was gebruiksvriendelijk. De programmer moest ondersteund worden door AVR Studio, de ontwikkelingsomgeving van de microcontroller. De programmer heeft twee soorten interfaces om te programmeren. Namelijk via JTAG of via debug Wire. De dragon wordt gevoed via een extra kabel.

Er moet niets manueel ingesteld worden om met de Dragon programmer te werken. De driver wordt automatisch geïnstalleerd en door AVR Studio ondersteund. Alleen de programmer moet geselecteerd worden. Hij wordt verbonden met de computer en via JTAG wordt deze geconnecteerd met het oefenbord van de controller.

Op het bord van de programmer zijn twee status LED’s voorzien (figuur 98). LED 2 is de kleinste led en dus de onderste op figuur 98. LED 1 is de bovenste op figuur 98.


73

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 98: Status Led

Als de tweede LED groen oplicht, wil dit zeggen dat er dataoverdracht plaatsvindt via USB. Indien de eerste LED rood oplicht, betekent dit dat de programmer niet geconnecteerd is met AVR Studio. Als de eerste LED groen kleurt wil dit zeggen dat er data overdracht is van AVR Studio naar de controller. De eerste LED kan ook geel oplichten: dan is er een upgrade van de firmware ofwel wordt de firmware geïnitialiseerd . Wanneer de LED niet kleurt wil dit zeggen dat de programmer verbonden is met AVR Studio maar dat geen dataoverdracht plaats vindt. 2.1.2.4.4

AVR STUDIO

De omgeving waarbinnen de code wordt ontwikkeld en de microcontroller wordt geprogrammeerd is AVR Studio, gratis aangeboden door ATMEL. Er werd voor ATMEL gekozen omdat op hun site vrij veel informatie terug te vinden was, zo ook op de site van AVR Studio. In dit eindwerk is gebruik gemaakt van AVR 5.0, aangedreven door Visual Studio, wat vroeger al positief bleek tijdens mijn opleiding aan de KHBO. Er moet nu eerst gecontroleerd worden of er bij het builden een hex file wordt aangemaakt die later nodig is om te programmeren. Pas dan kan de code gebuild en geprogrammeerd worden in de microcontroller.

Daarna wordt in de menubalk geklikt op tools en gekozen voor AVR programmer. Er wordt een nieuw venster geopend waarin de Dragon programmer en het type microcontroller worden gekozen (figuur 108). Daarna klikken op het tabblad programmer en kiezen voor de hex file van het project dat in de controller moet geprogrammeerd worden. Als op program geklikt wordt, wordt de file geladen in de controller.


74

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 99: Beeld om de microcontroller te programmeren

2.1.2.5 LAN-SWITCH

Deze LAN-switch dient voor het ontvangen en sturen van data via het LAN-protocol. Zo kan ervoor gezorgd worden dat de data ontvangen en direct doorgestuurd wordt naar een ander toestel. Er kunnen verschillende toestellen aangesloten worden op het netwerk.

Voor deze applicatie werd geen gebruik gemaakt van LAN maar wel van UART en van het RS232 protocol. Er werd eerst gebruik gemaakt van UART om de code te testen. Later kan er overgegaan worden op LAN.


75

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

2.2 FIRMWARE

2.2.1 FLOWCHART

Figuur 100: Eerste flowchart

Figuur 101: DMM uitlezen

Figuur 102: PSU instellen


76

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

2.2.1.1 SHUT DOWN

In figuur 100 is de eerste flowchart te zien. Wanneer de controller opgestart wordt, worden eerst algemene instellingen geprogrammeerd, zoals PWM, UART, SPI en de variabelen worden op hun beginwaarde ingesteld. Als de algemene instellingen geprogrammeerd zijn, wordt gewacht op het ontvangen van data via de UART. Op het moment dat een commando ontvangen wordt, zal een acknowledge teruggestuurd worden via de UART. Dit is ter controle of de UART niet defect is. Als de UART defect is, en er wordt data verstuurd naar de controller, zal geen acknowledge teruggestuurd worden. Op die manier weet de gebruiker dat er een probleem is met de UART connectie. Anderzijds wordt bij het ontvangen gecontroleerd welk commando gestuurd werd. Als een commando gestuurd werd voor shut down, zal de voeding in shut down mode gesteld worden door de pin lager dan 1,5V brengen. Daarna wordt terug gewacht op een nieuw commando via de UART.

2.2.1.2 DMM UITLEZEN

Wanneer het ontvangen commando gelijk is aan het commando om de DMM uit te lezen, zal de code verder gaan om de DMM uit te lezen. Dit wordt teruggevonden in figuur 101. Na het ontvangen van het commando wordt gecontroleerd of er spanning of stroom moet gemeten worden. De beide stappen zijn gelijk, maar er moeten andere waarden ingesteld worden in de registers om het relais aan te sturen. Eens deze waarden ingesteld zijn wordt een controle verricht om te weten of de DMM en de SPI communicatie goed werken. Daarom wordt telkens de ingestelde waarde terug uitgelezen en gecontroleerd. Indien deze waarden niet gelijk zijn, is er zeker een probleem met de DMM of SPI. Daarom wordt er via de UART een foutmelding verstuurd. De controller zal ook niet langer doorgaan met het verwerken van de code. Er kan immers niet correct gewerkt worden met deze fout. Wanneer beide waarden toch gelijk zijn aan elkaar wordt er een interrupt gegenereerd om de waarden uit te lezen. Hierop wordt er een controle uitgevoerd op deze ingelezen waarde . Als deze waarde gelijk is aan 7FFFFF wil dit zeggen dat er een overflow is. Dus zullen de instellingen moeten veranderen zodat de waarde binnen het bereik valt. Na de nieuwe instelling wordt deze waarde terug uitgelezen om zeker te zijn dat de SPI interface en DMM nog altijd goed werken. Wanneer de ingelezen waarde niet kleiner is dan 7FFFFF zal er via de UART een foutmelding verstuurd worden voor de DMM. Ook hier zal de controller geen verdere code uitvoeren.

Wanneer de waarde wel kleiner is dan 7FFFFF kunnen de ingelezen registerwaarden omgevormd worden met de registerwaarden van de DMM. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen spanning en stroom. Aan de hand van de registerwaarden moeten enkele bewerkingen uitgevoerd worden om de gemeten spanning en stroom te weten, dit werd besproken in het stuk over de DMM. De werkingen om stroom en spanning te meten verschillen ten opzichte van elkaar. Als de spanning omgevormd is, wordt nagezien of er een commando was om de DMM uit te lezen of de PSU in te


77

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

stellen. Hierop wordt de DMM uitgelezen en worden de gemeten waarden verstuurd via de UART. Hierna wordt terug gewacht tot een nieuwe waarde aangeboden wordt. 2.2.1.3 PSU INSTELLEN

Is een commando aangeboden om de PSU in te stellen, dan wordt de DMM uitgelezen (figuur 102). Hiervoor wordt terug verwezen naar figuur 101. De algemene instelling voor de spanning wordt ingevoerd omdat niet bekend is wat de instelling is van de DMM. Er wordt ook hier terug gecontroleerd of de SPI en de DMM correct werken en of de gemeten waarde correct is. Wanneer deze waarde gemeten is, wordt gecontroleerd (figuur 102) of de ingestelde waarde, die via de UART verzonden is, tussen de 0,8 en 48V ligt. Indien deze waarde niet binnen het bereik ligt, wordt daarvan melding gemaakt. Nu is het terug wachten op een nieuw commando.

Is de waarde wel juist ingesteld, dan worden de instellingen van de regelkring berekend. Hier wordt het verschil genomen tussen de gemeten waarde en de ingestelde waarde. Deze ingestelde waarde wordt vergeleken met een marge. Zo wordt bepaald of de PSU nog nauwkeuriger kan ingesteld worden dan de gemeten waarde. Daarna wordt gecontroleerd of de ingestelde waarde groter of net kleiner is dan de gemeten waarde. Is de gemeten waarde kleiner, dan zal de potentiometer moeten stijgen in waarde. De pin om de richting van de potentiometer in te stellen wordt hoog.

Als de gemeten waarde echter hoger is, zal de potentiometer moeten dalen in waarde, en wordt de pin laag geplaatst om de richting in te stellen. Hierna wordt berekend hoeveel pulsen er moeten worden gegeven om de potentiometer in te stellen. Van deze berekende waarde wordt er 10% genomen zodat tijdig opgemerkt wordt of de DMM juist ingesteld is. Er wordt ook gecontroleerd of de berekende waarde niet kleiner is dan 10. Wanneer er niet boven de 10 pulsen moet worden ingesteld, heeft het geen zin om er nog 10% van te nemen. Het zou dan heel lang duren voordat de potentiometer goed zal ingesteld worden. Wanneer het aantal pulsen berekend is, zal de klok naar buiten gebracht worden. Voordien werd de klok wel intern gegenereerd maar werd niet op de pin gebracht. Wanneer de klok wel naar buiten gebracht wordt, zal er bijgehouden worden hoeveel pulsen al gegeven zijn, om zo op de berekende aantal pulsen de klok terug af te schakelen. Na deze instelling wordt terug de PSU uitgemeten. De gemeten waarden worden gecontroleerd met de instelling. Indien deze niet overeenstemmen wordt in dit verband een foutmelding van de PSU gestuurd via de UART. Verder wordt geen code meer uitgevoerd door de controller. Als blijkt dat de gemeten waarde wel klopt met de instelling, wordt gecontroleerd of de PSU al zijn ingestelde waarde bereikt heeft. Moest de ingestelde waarde nog niet bereikt zijn, wordt de regelkring opnieuw ingesteld totdat de PSU op punt staat. Daarna wordt een vast tijdsinterval gewacht vooraleer de spanning opnieuw te meten. Op die manier kan gecontroleerd worden of de PSU stabiel is gebleven of niet. Indien niet, zal op bepaalde tijd een interrupt uitgevoerd worden om de stabiliteit van de voeding verder te controleren.


78

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Als er zich geen stabiliteit voordoet zal via de UART een melding versturen dat de PSU onstabiel is. Weerom voert de controller geen verdere code meer uit.

2.3 UITEINDELIJKE REALISATIE

Van de MSU werd uiteindelijk niets gerealiseerd. Er is veel tijd besteed in het beheersen van de kennis van de LTC3810-5 te beheersen. De ATMEL wordt geprogrammeerd via AVR Studio. Er is informatie opgezocht om met dit programma te werken. De nodige stukken voor de realisatie zijn doorgenomen in de datasheet van ATMEL. De voorbeeldcodes werden bekeken totdat alles duidelijk werd. Na enig overleg is besloten dat dit te moeilijk was voor de eindverhandeling. Er werd gedacht dat het instelbaar was via de methodes die al in de ATMEL bibliotheken terug te vinden waren. Deze werkte echter met variabelen die niet overeenstemden met het type bord. Ook de gebruikte pinnen stemden niet overeen met de werkelijke pinnen van de controller. Het was niet haalbaar om alle ad methodes aan te passen, enerzijds omdat de ingestelde variabelen niet konden veranderen (want ik had geen bevoegdheid om in de document te veranderen) en anderzijds omdat dit te veel tijd zou vergen. Daarom is besloten een oefenbord te gebruiken dat het bedrijf heeft ontworpen. Deze had geen SPI interface maar dit werd opgelost door middel van een FPGA die op dit bord geïmplementeerd was. Hier was een eigen protocol nodig en werd de realisatie tot stand gebracht.

Normaal zou de DMM nog verder getest worden, zodat er meer inzicht was om de stroom uit te lezen. Door omstandigheden kon met dit bord niet meer verder gewerkt worden.

GEBRUIKTE TERMINALS Om met de computer te kunnen communiceren via UART is gebruik gemaakt van een software terminal. Er zijn verschillende terminals uitgetest. Het probleem was telkens dat het programma de data omzette in ASCII tekens. Daardoor konden niet alle hexadecimale waardes verstuurd worden naar de controller. Er moest dus een programma gevonden waarmee deze waarden konden verstuurd worden via UART. Figuur 103 toont de weergave van het gebruikte programma. Verder wordt dit programma stap voor stap besproken.


79

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 103: Print screen gebruikte terminal

De bovenste balk dient voor de instellingen. In figuur 104 wordt deze balk wat duidelijker toegelicht. In de eerste kolom wordt met de knop ‘Connect’ verbinding gemaakt met het toestel gekoppeld aan de poort, ingesteld met de waarde van de COM poort. Er kan opnieuw ingesteld worden. In de derde kolom kan de baudrate ingesteld worden. Voor deze applicatie wordt een baudrate van 19200 bps gebruikt. Daarna kunnen de pariteit en het aantal stop bits ingesteld worden. In deze applicatie wordt geen pariteit gebruikt en het aantal stop bits is gelijk aan 1.

Figuur 104: Instellingen software terminal v1.9


80

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Er wordt ook geen handshaking gebruikt, deze wordt ingesteld in de laatste kolom. In de balk eronder wordt gekozen voor de instelling van het scherm waarop de waarden worden weergegeven.

Met deze terminal kan ook voorgeprogrammeerde tekst verstuurd worden, figuur 105.

Figuur 105: Voorgeprogrammeerde macro's

CODE Eerst worden enkele voorbeeldcodes geopend om toegang te krijgen tot de bibliotheek. Hieronder worden de grote lijnen van de voorbeeldcode UART besproken.

Figuur 106: Includes USART

Enkele includes worden toegevoegd (figuur 106) zodat verder kan gewerkt worden in de code met methodes uit de bibliotheek. Er wordt in deze voorbeeldcode nagegaan met welk oefenbord er gewerkt wordt omdat dezelfde code voor verschillende oefenborden kan gebruikt worden. Als blijkt dat het type oefenbord en de code overeenstemmen, zullen enkele variabelen ingesteld worden (figuur 107)


81

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Figuur 107: Instellingen variabelen volgens het type oefenbord

De klok en de pinnen RX en TX worden ingesteld samen met de configuratie van UART (figuur 108). De GPIO wordt aan de UART gelinkt en data worden via de UART verzonden.

Figuur 108: Instelling UART


82

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

In het voorbeeld programma wordt er gewerkt met methodes. Deze zijn terug te vinden in de bibliotheek van de UART en worden hieronder besproken.

Figuur 109: Methoden UART

Een woordje uitleg bij de verschillende methodes:

- Usart_reset dient om de UART te resetten en als argument wordt het adres van de UART meegegeven. - Usart_init_rs232 dient om de UART in te stellen, geeft het adres van de UART als argument terug, de opties die nodig zijn om de UART en de frequentie in te stellen. - Usart_init_rs232_tx_only is dezelfde als de vorige en kan alleen ontvangen worden met de UART. Deze methode geeft dezelfde argumentenlijst als de voorgaande. - Usart_init_hw_handshaking zorgt voor de instelling wanneer ook effectief handshaking wordt toegepast. In deze applicatie wordt dit niet gebruikt. - De usart_init_modem methode dient om de UART in te stellen met het modem protocol. - Usart_init_sync_master en usart_init_sync_slave zijn beiden om de UART in te stellen met een protocol dat gelijkt op RS232 in master of slave mode. Deze twee methodes worden niet gebruikt en zullen ook niet verder uitgelegd worden.

Figuur 110: Vervolg methoden USART

- Usart_tx_ready (figuur 110): geeft een waarde terug als de UART klaar is om data te ontvangen. Het argument dat moet worden meegegeven is de bron van de UART. - Usart_write_char: dient om een karakter te versturen via de UART. Als argumenten dient men terug de bron en het karakter mee te sturen. - Usart_putchar verstuurt een karakter en heeft dezelfde argumentenlijst als de usart_write_char.


83

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

- Usart_tx_empty kan gebruikt worden om na te gaan of data verzonden is via de UART. Deze methode heeft het argument nodig om te communiceren over welke UART connectie het gaat. - Usart_test_hit kan eventueel gebruikt worden tijdens deze applicatie. Hier kan gecontroleerd worden of de UART een karakter heeft ontvangen. Deze methode heeft als argument enkel de bron nodig van de UART. - Usart_read_char controleert de RX buffer en zal de waarde opslaan op een bepaalde plaats. Daarom moeten als argumenten de bron van de UART meegegeven worden en de plaats waar de data moeten opgeslagen worden. - Usart_getchar: wacht tot een waarde is ontvangen. Deze methode zal niets doen met de ontvangen waarden en heeft dus alleen als argument de bron van de UART nodig. - Usart_write_line: dient om een string van karakters te versturen. De bron van de UART en de string die moeten verstuurd worden zijn nodig als argument. Daarna is de voorbeeld code van spi_master_example bekeken.

Teneinde de waarde van de variabelen, gebruikt in de voorbeeld programma’s, te weten moesten namen opgezocht worden. Als voorbeeld wordt de naam AVR32_UASART2_RXD_0_1_PIN genomen, terug te vinden in het voorbeeld programma van de UART. In de file uc3c_ek.h komt deze naam voor maar de waarde wordt niet weergegeven en niet meer teruggevonden, ook niet als de functie zoeken wordt gebruikt. Als dan toch dieper wordt gezocht, namelijk in de program files in de map van AVR Studio, wordt het bestand uc3c0512c.h in één van de submappen teruggevonden. In deze file staan al de variabelen met de bijhorende pinnen beschreven. Als de pinnen vergeleken worden met de functie die bij elke pin hoort, blijkt echter dat deze pinnummers niet correct zijn. Deze variabelen kunnen niet aangepast worden en moeten veranderd worden in een pin nummer.


84

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

3. KOSTPRIJSBEREKENING Voor de kostprijs wordt er opnieuw een onderverdeling gemaakt tussen de twee delen: -

De PSU; De MSU.

3.1 PSU

Er is een prijslijst opgesteld van de componenten en deze is terug te vinden in bijlage E. Hier wordt elk component per eenheidsprijs voorgesteld samen met de bron waar deze component gevonden is. De prijslijst is onderverdeeld in twee gedeelten: het blok van de DC/DC convertor, vermeld in het blokschema van de PSU, en de regelkring. De PSU met manuele weerstanden kost € 78,036 en de regelkring kost €15,369. Samen kost dit €93,405.

3.2 MSU

Voor de MSU is een ATMEL oefenbord aangekocht met debugger en programmer om te kunnen programmeren. De programmer kost $49 of omgerekend €37,07.

Het evaluatiebord van ATMEL kost 299 dollar, omgerekend naar euro kost dit €226,22. Samen komt dit neer op €263,29.


85

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

BESLUITEN

BESLUITEN OP TECHNISC H GEBIED

-

Zoals vermeld waren er problemen met het meten van de spanning van de DMM.

-

Na contact met de fabrikant werden mij de juiste formules doorgegeven en zijn de problemen opgelost.

-

De theoretische berekeningen kwamen niet overeen met de simulaties die met de randcomponenten gemaakt werden. Door enkele technische factoren werd het schema na de simulaties totaal veranderd.

-

De simulaties waren gebaseerd op de theoretische berekeningen. Bij het realiseren van de schakeling speelden nog andere factoren een rol, zoals de tolerantie van de componenten, de positie van de componenten tegenover elkaar, de lengte en de breedte van de baantjes en de storingen van buitenaf.

BESLUITEN OP ORGANISA TORISCH GEBIED

-

Op organisatorisch vlak was dit voor mij een verrijking. In het begin waren er moeilijkheden met het maken van de blokschema’s maar ik heb me vrij vlot kunnen inwerken.

-

Ik heb geleerd om projectmatiger en meer methodisch te werk te gaan.

-

In het begin was de oorzaak van een probleem niet altijd meteen duidelijk. Naarmate de thesis vorderde ging dit beter.

-

Bij het maken van een planning heb ik ook veel opgestoken. Ik ging te vlug over de mogelijke problemen en zo maakte ik een onhaalbare planning.

-

Heel soms schatte ik de nodige te nemen tijd te kort in, en daardoor was er niet altijd ruimte om een fout recht te zetten.


86

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

-

Bij nieuwigheden heb ik soms moeite om te vinden hoe ik het aan moet pakken. Zo waren er problemen met het programma om de DMM uit te lezen en het begrijpen van de datasheet van de DC/DC convertor. Maar na enige tijd mee bezig te zijn werd dit me wel duidelijk. Ik heb daar echter veel tijd in verloren.

-

Ik heb geprobeerd om te werken met de ATMEL. Hiervan heb ik de broncodes bestudeerd en de datasheet. Uiteindelijk was dit te moeilijk voor me en werd er besloten om een ander bord te gebruiken.

-

Met dit ander bord werd ook dit schema overlopen om te weten hoe het bord werd gemaakt. Dit was belangrijk om te weten wat de functie was van de pinnen. Deze beslissing is pas in één van de laatste weken genomen. Omdat ik meer tijd nodig had dan voorzien om mijn eindverhandeling te schrijven, rest mij niet veel tijd meer. Daardoor is er geen code gerealiseerd geweest, ook al omdat ik te lang bezig was om dit IC te kunnen programmeren.

BESLUITEN VAN DE REALISATIE -

-

Het eerste gedeelte: o Ik heb van het eerste gedeelte de voeding werkende gekregen. Er zijn nog veel storingen en de gevraagde specificaties kloppen nog niet helemaal. o De digitale regeling is niet gerealiseerd geweest. Het tweede gedeelte o De theorie hoe ik alles zal verwezenlijken heb ik uitgewerkt en ik weet hoe ik alles ging aanpakken. Alleen heb ik dit niet kunnen verwezenlijken omdat ik de ATMEL bestudeerd had met alle voorbeeld programma’s. Ik heb met het programma leren werken om de code te schrijven en om de ATMEL te programmeren. Toen heb ik de keuze gekregen van het bedrijf om een bestaande applicatie te gebruiken. Deze applicatie zou eenvoudiger te implementeren zijn.


87

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

BIBLIOGRAFIE ZVN3320F. (1995). Opgehaald van http://www.diodes.com/datasheets/ZVN3320F.pdf 1N4148. (sd). Opgehaald van fairchaild: http://www.diodes.com/datasheets/ds30097.pdf RS232. (2007). Opgehaald van huntvac: http://www.huntvac.com/documents/rs232c.htm calculate and order. (2011). Opgehaald van eurocircuits: http://be.eurocircuits.com/basic/ecbasket/order.aspx?lang=en AVR studio 5. (2012). Opgehaald van atmel: http://www.atmel.com/microsite/avr_studio_5/default.aspx DC/DC convertor. (2012). Opgehaald van maxim: http://www.maxim-ic.com/appnotes/index.mvp/id/2031 demobord LTC3810-5. (2012). Opgehaald van linear technology: http://cds.linear.com/docs/Demo%20Board%20Schematic/1168asch.pdf hy3131 manual. (2012). Opgehaald van hycon technology: http://www.hycontek.com/attachments/DMM/APD-DMM001_EN.pdf LC circuit. (2012, 05 12). Opgehaald van wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/LC_circuit linear regulator. (2012, 04 6). Opgehaald van wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Linear_regulator LTC3810. (2012). Opgehaald van linear technology: http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3810fc.pdf ltc3810-5. (2012). Opgeroepen op 2 6, 2012, van linear technology: http://cds.linear.com/docs/Datasheet/38105fd.pdf MAX4991. (2012). Opgehaald van maxim: http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX4991MAX4994.pdf MAX5481. (2012). Opgehaald van maxim: http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX5481MAX5484.pdf miller effect. (2012, 05 1). Opgehaald van wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Miller_effect pariteitsbit. (2012, 2 9). Opgehaald van wikipedia: http://nl.wikipedia.org/wiki/Pariteitsbit PWM. (2012). Opgehaald van arduino: http://arduino.cc/it/Tutorial/PWM relaese node LTC3810-5. (2012). Opgehaald van linear technology: http://cds.linear.com/docs/Press%20Release/LTC3810H-5.pdf STPS8H100. (2012). Opgehaald van STMicroelectronics: http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATAS HEET/CD00001293.pdf tl783. (2012). Opgehaald van texas instruments: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl783.pdf usart. (2012). Opgehaald van microchip: http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/usart.pdf video. (2012). Opgehaald van atmel: http://www.atmel.com/video/


88

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

miller capacitance. (99, 7 12). Opgehaald van aikenamps: http://www.aikenamps.com/MillerCapacitance.html afkortingen. (sd). Opgehaald van hobbyelektronica: http://www.hobbyelektronica.nu/15/11/15_11_b.htm alpha. (sd). Opgehaald van sparkfun: http://www.sparkfun.com/datasheets/Components/TW700198.pdf AT32UC3C1512C. (sd). Opgehaald van atmel: http://www.atmel.com/Images/32117S.pdf baudrate. (sd). Opgeroepen op 04 2, 2012, van computerwoorden.nl: http://www.computerwoorden.nl/direct--7557--Baudrate.htm digpot7184. (sd). Opgehaald van LSI/CSI: http://www.lsicsi.com/pdfs/digpot7184.pdf HY3131. (sd). Opgehaald van hycon: http://www.hycontek.com/attachments/DMM/DSHY3131_EN.pdf LSI/CSI. (sd). Opgehaald van LS7183/LS7184: http://www.lsicsi.com/pdfs/Data_Sheets/LS7183_LS7184.pdf output filter. (sd). Opgehaald van ercison: http://archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=28701EN/LZT14606&Lang=EN&HighestFree=Y SI7850DP. (sd). Opgehaald van vishay: http://www.vishay.com/docs/71625/71625.pdf twisted. (1970). Opgeroepen op 4 5, 2012, van Connect Group: http://www.connectgroup.com/index.php?id=1


89

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

BIJLAGE A: EXEL BESTAND MET BEREKENING WEERSTANDEN REGELKRING R2 Uitgangsspanning 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 25 30 35 40 41 42 43 44 45 46 47 48


1800

1500

3300

10000

15000

22000

0 225 450 675 900 1125 1350 1575 1800 2025 2250 2475 2700 3825 4950 6075 7200 8325 9450 10575 11700 12825 13950 15075 16200 17325 18450 19575 20700 22950 25200 27450 29700 31950 34200 36450 38700 40950 43200 54450 65700 76950 88200 90450 92700 94950 97200 99450 101700 103950 106200

0 187,5 375 562,5 750 937,5 1125 1312,5 1500 1687,5 1875 2062,5 2250 3187,5 4125 5062,5 6000 6937,5 7875 8812,5 9750 10687,5 11625 12562,5 13500 14437,5 15375 16312,5 17250 19125 21000 22875 24750 26625 28500 30375 32250 34125 36000 45375 54750 64125 73500 75375 77250 79125 81000 82875 84750 86625 88500

0 412,5 825 1237,5 1650 2062,5 2475 2887,5 3300 3712,5 4125 4537,5 4950 7012,5 9075 11137,5 13200 15262,5 17325 19387,5 21450 23512,5 25575 27637,5 29700 31762,5 33825 35887,5 37950 42075 46200 50325 54450 58575 62700 66825 70950 75075 79200 99825 120450 141075 161700 165825 169950 174075 178200 182325 186450 190575 194700

0 1250 2500 3750 5000 6250 7500 8750 10000 11250 12500 13750 15000 21250 27500 33750 40000 46250 52500 58750 65000 71250 77500 83750 90000 96250 102500 108750 115000 127500 140000 152500 165000 177500 190000 202500 215000 227500 240000 302500 365000 427500 490000 502500 515000 527500 540000 552500 565000 577500 590000

0 1875 3750 5625 7500 9375 11250 13125 15000 16875 18750 20625 22500 31875 41250 50625 60000 69375 78750 88125 97500 106875 116250 125625 135000 144375 153750 163125 172500 191250 210000 228750 247500 266250 285000 303750 322500 341250 360000 453750 547500 641250 735000 753750 772500 791250 810000 828750 847500 866250 885000

0 2750 5500 8250 11000 13750 16500 19250 22000 24750 27500 30250 33000 46750 60500 74250 88000 101750 115500 129250 143000 156750 170500 184250 198000 211750 225500 239250 253000 280500 308000 335500 363000 390500 418000 445500 473000 500500 528000 665500 803000 940500 1078000 1105500 1133000 1160500 1188000 1215500 1243000 1270500 1298000

R1

90

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

BIJLAGE B: SCHEMA ONTWERP


91

Caenepeel Rebecca


3AI1EO

92

Caenepeel Rebecca


3AI1EO

93

Caenepeel Rebecca


3AI1EO

94

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

BIJLAGE C: TESTBORD DMM


95

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

BIJLAGE D: REGISTER INSTELLINGEN DMM

Spanningsmeting: Algemene instellingen: Register CTSTA <0x14> INTF <0x1E> INTE <0x1F> R20 <0x20> R21 <0x21> R22 <0x22> R23 <0x23> R24 <0x24> R25 <0x25> R26 <0x26> R27 <0x27> R28 <0x28> R29 <0x29> R2A <0x2A> R2B <0x2B> R2E <0x2E> R2F <0x2F> R30 <0x30> R31 <0x31> R32 <0x32> R33 <0x33>

Waarde 0x00 0x02 0x00 0x60 0x00 0x14 0x8B 0x01 0x11 0x00 0x55 0x31 0x00 0x22 0x00 0x28 0xA0 0x80 0xC7 0x33 0x20

6V stand R2C <0x2C> R2D <0x2D>

0x00 0x90

60V stand R2C <0x2C> R2D<0x2D>

0x00 0x09

600V stand R2C <0x2C> R2D <0x2D>

0x90 0x00

1000v stand R2C <0x2C> R2D <0x2D>


0x09 0x00

96

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

Stroommeting algemene instellingen CTSTA<0x14> INTF <0x1E> INTE <0x1F> R20 <0x20> R21 <0X21> R22 <0x22> R23 <0x23> R25 <0x25> R26 <0x26> R27 <0x27> R28 <0x28> R29 <0x29> R2A <0x2A> R2B <0x2B> R2C <0x2C> R2D <0x2D> R2E <0x2E> R2F <0x2F> R30 <0x30> R31 <0x31>

0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x14 0x8B 0x11 0x00 0x55 0x31 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x80 0x80 0xC7

DC 60mA (bar) R24 <0x24> R32 <0x32> R33 <0x33> DC 600ma (bar) R24 <0x24> R32 <0x32> R33 <0x33>


0x35 0x3D 0xA0 0x95 0x33 0x20

97

Caenepeel Rebecca

3AI1EO

BIJLAGE E: KOSTPRIJS


98

PSU en LAN gestuurde MSU

Recommend Documents