Kaip jau minėta, išlyginti įtampos impulsus naudojant LC filtrą būtina, kad filtro išjungimo dažnis būtų užtikrintas f 0 = 2/ buvo žymiai mažesnis nei įtampos impulsų pasikartojimo dažnis. Ši sąlyga leidžia pasirinkti reikiamą filtro talpą ir induktyvumą. Tačiau nukrypkime nuo formulių ir pabandykime paprastesne kalba paaiškinti filtro principą.

Tuo metu, kai maitinimo jungiklis yra atidarytas (tranzistorius T 1 atidarytas, tranzistorius T 2 uždarytas), energija iš įvesties šaltinio per induktyvumą perduodama apkrovai L kurioje kaupiama energija. Srovė, tekanti per grandinę, keičiasi ne akimirksniu, o palaipsniui, nes induktyvumui esantis EMF neleidžia srovei keistis. Tuo pačiu metu įkraunamas ir lygiagrečiai su apkrova sumontuotas kondensatorius.

Uždarus maitinimo jungiklį (uždarytas tranzistorius T 1, atidarytas tranzistorius T 2), srovė iš įėjimo įtampos linijos nepatenka į induktyvumą, tačiau pagal fizikos dėsnius atsirandanti indukcinė EMF palaiko srovės kryptį. Tai yra, šiuo laikotarpiu srovė į apkrovą tiekiama iš indukcinio elemento. Kad grandinė užsidarytų ir srovė tekėtų į išlyginamąjį kondensatorių ir į apkrovą, atsidaro tranzistorius T 2, užtikrinantis uždarą grandinę ir srovės tekėjimą išilgai kelio induktyvumo - talpos ir apkrovos - tranzistoriaus T 2 - induktyvumo.

Kaip jau minėta, naudojant tokį išlyginimo filtrą, galite gauti įtampą esant apkrovai, kuri yra proporcinga PWM valdymo impulsų darbo ciklui. Tačiau aišku, kad naudojant šį išlyginimo būdą išėjimo įtampa turės maitinimo įtampos pulsaciją, palyginti su kokia nors vidutine verte (išėjimo įtampa) - pav. 4. Įtampos pulsacijos dydis išėjime priklauso nuo tranzistorių perjungimo dažnio, talpos ir induktyvumo vertės.

Ryžiai. 4. Įtampos pulsacija po išlyginimo LC filtru

Išėjimo įtampos stabilizavimas ir PWM valdiklio funkcijos

Kaip jau minėta, išėjimo įtampa priklauso (tam tikrai apkrovai, dažniui, induktyvumui ir talpai) nuo PWM impulsų darbo ciklo. Kadangi srovė per apkrovą kinta dinamiškai, iškyla išėjimo įtampos stabilizavimo problema. Tai daroma tokiu būdu. PWM valdiklis, generuojantis tranzistorių perjungimo signalus, yra prijungtas prie apkrovos kilpa Atsiliepimas ir nuolat stebi išėjimo įtampą esant apkrovai. PWM valdiklio viduje sukuriama etaloninė maitinimo įtampa, kuri turėtų būti apkrovoje. PWM valdiklis nuolat lygina išėjimo įtampą su etalonine įtampa ir, jei atsiranda neatitikimas U, tada šis klaidos signalas naudojamas pakeisti (koreguoti) PWM impulsų darbo ciklą, tai yra, impulsų darbo ciklo pokytį ~ U. Taip realizuojamas išėjimo įtampos stabilizavimas.

Natūralu, kad kyla klausimas: kaip PWM valdiklis žino apie reikiamą maitinimo įtampą? Pavyzdžiui, jei mes kalbame apie procesorius, tada, kaip žinote, maitinimo įtampa skirtingi modeliai Procesorius gali skirtis. Be to, net ir tam pačiam procesoriui maitinimo įtampa gali dinamiškai keistis priklausomai nuo jo esamos apkrovos.

PWM valdiklis sužino apie reikiamą vardinę maitinimo įtampą iš VID (įtampos identifikatoriaus) signalo. Dėl modernūs procesoriai Intel Core i7 procesorių, palaikančių VR 11.1 galios specifikaciją, VID signalas yra 8 bitų, o senųjų procesorių, suderinamų su VR 10.0 specifikacija, VID signalas buvo 6 bitų. 8 bitų VID signalas (0 ir 1 derinys) leidžia nustatyti 256 skirtingus procesoriaus įtampos lygius.

Vienfazio perjungimo maitinimo įtampos reguliatoriaus apribojimai

Mūsų svarstoma perjungimo maitinimo įtampos reguliatoriaus vienfazė grandinė yra paprasta vykdyti, tačiau ji turi nemažai apribojimų ir trūkumų.

Jei mes kalbame apie vienfazio perjungimo maitinimo įtampos reguliatoriaus apribojimą, tai slypi tame, kad MOSFET, induktyvumai (droseliai) ir talpos turi didžiausios srovės, kurią galima praleisti per juos, ribą. Pavyzdžiui, daugumai MOSFET tranzistorių, kurie naudojami pagrindinės plokštės įtampos reguliatoriuose, srovės riba yra 30 A. Tuo pačiu metu patys procesoriai, kurių maitinimo įtampa yra apie 1 V, o energijos suvartojimas didesnis nei 100 W, sunaudoja. daugiau nei 100 A. Akivaizdu, kad jei esant tokiai srovės stiprumui bus naudojamas vienfazis maitinimo įtampos reguliatorius, tai jo elementai tiesiog „perdegs“.

Jei mes kalbame apie vienfazio perjungimo maitinimo įtampos reguliatoriaus trūkumą, tai yra tai, kad išėjimo maitinimo įtampa turi bangavimą, o tai yra labai nepageidautina.

Siekiant įveikti perjungimo įtampos reguliatorių srovės apribojimus, taip pat sumažinti išėjimo įtampos pulsaciją, naudojami daugiafaziai perjungimo įtampos reguliatoriai.

Daugiafaziai perjungimo įtampos reguliatoriai

Daugiafazių perjungimo įtampos reguliatoriuose kiekvieną fazę sudaro MOSFET perjungimo tvarkyklė, pora pačių MOSFET ir LC išlyginimo filtras. Šiuo atveju naudojamas vienas daugiakanalis PWM valdiklis, prie kurio lygiagrečiai prijungtos kelios galios fazės (5 pav.).

Ryžiai. 5. Struktūrinė schema daugiafazis perjungimo maitinimo įtampos reguliatorius

N fazės maitinimo įtampos reguliatoriaus naudojimas leidžia paskirstyti srovę visoms fazėms, todėl per kiekvieną fazę tekanti srovė bus N kartų mažesnė už apkrovos srovę (ypač procesoriaus). Pavyzdžiui, jei naudojate 4 fazių procesoriaus maitinimo įtampos reguliatorių, kurio srovės riba kiekvienoje fazėje yra 30 A, tada maksimali srovė per procesorių bus 120 A, o to visiškai pakanka daugumai šiuolaikinių procesorių. Tačiau jei naudojami procesoriai, kurių TDP yra 130 W arba tikimasi procesoriaus įsijungimo galimybės, tuomet patartina naudoti ne 4 fazių, o 6 fazių perjungimo procesoriaus maitinimo įtampos reguliatorių arba naudoti droselius, kondensatorius. ir MOSFET, skirti didesnei srovei kiekvienoje maitinimo fazėje.

Siekiant sumažinti išėjimo įtampos pulsaciją daugiafaziuose įtampos reguliatoriuose, visos fazės veikia sinchroniškai su laiku s m poslinkis vienas kito atžvilgiu. Jei T yra MOSFET perjungimo laikotarpis (PWM signalo periodas) ir naudojamas N fazių, tada kiekvienos fazės laiko poslinkis bus toks T/N(6 pav.). PWM valdiklis yra atsakingas už kiekvienos fazės PWM signalų sinchronizavimą su laiko poslinkiu.

Ryžiai. 6. PWM signalų laiko poslinkiai daugiafaziame įtampos reguliatoriuje

Dėl to, kad visos fazės veikia su laiku s m poslinkis vienas kito atžvilgiu, išėjimo įtampos ir srovės bangavimas kiekvienai fazei taip pat bus pasislinkęs išilgai laiko ašies vienas kito atžvilgiu. Bendra apkrovą einanti srovė bus kiekvienos fazės srovių suma, o susidaręs srovės pulsavimas bus mažesnis už srovės pulsaciją kiekvienoje fazėje (7 pav.).

Ryžiai. 7. Srovė fazei
ir gaunama apkrovos srovė
trifaziame įtampos reguliatoriuje

Taigi, pagrindinis daugiafazių perjungimo maitinimo įtampos reguliatorių privalumas yra tas, kad jie leidžia, pirma, įveikti srovės ribą, antra, sumažinti išėjimo įtampos pulsaciją esant tokiai pat talpai ir induktyvumui kaip lyginamasis filtras.

Diskretūs daugiafaziai įtampos reguliatoriai ir DrMOS technologija

Kaip jau minėjome, kiekvieną maitinimo fazę sudaro valdymo tvarkyklė, du MOSFET, droselis ir kondensatorius. Tuo pačiu metu vienas PWM valdiklis vienu metu valdo kelias galios fazes. Struktūriškai pagrindinėse plokštėse visi fazių komponentai gali būti atskiri, tai yra, yra atskiras tvarkyklės lustas, du atskiri MOSFET tranzistoriai, atskiras induktorius ir talpa. Šį diskretišką metodą naudoja dauguma pagrindinių plokščių gamintojų (ASUS, Gigabyte, ECS, AsRock ir kt.). Tačiau yra šiek tiek kitoks požiūris, kai vietoj atskiro tvarkyklės lusto ir dviejų MOSFET tranzistorių naudojamas vienas lustas, kuris sujungia ir galios tranzistorius, ir tvarkyklę. Ši technologija buvo sukurta pateikė Intel ir buvo pavadintas DrMOS, o tai pažodžiui reiškia Driver + MOSFET. Natūralu, kad šiuo atveju taip pat naudojami atskiri droseliai ir kondensatoriai, o visoms fazėms valdyti naudojamas kelių kanalų PWM valdiklis.

Šiuo metu DrMOS technologija naudojama tik MSI pagrindinėse plokštėse. Gana sunku kalbėti apie DrMOS technologijos pranašumus, palyginti su tradiciniu diskretišku galios fazių organizavimo būdu. Čia veikiau viskas priklauso nuo konkretaus DrMOS lusto ir jo savybių. Pavyzdžiui, jei kalbame apie naujas MSI plokštes Intel Core i7 šeimos procesoriams, tai jose naudojamas Renesas R2J20602 DrMOS lustas (8 pav.). Pavyzdžiui, ant MSI plokštė„Eclipse Plus“ naudoja 6 fazių procesoriaus įtampos reguliatorių (9 pav.), paremtą Intersil ISL6336A 6 kanalų PWM valdikliu (10 pav.) ir Renesas R2J20602 DrMOS lustais.

Ryžiai. 8. DrMOS lustas Renesas R2J20602

Ryžiai. 9. Šešių fazių procesoriaus įtampos reguliatorius
paremtas 6 kanalų PWM valdikliu Intersil ISL6336A
ir DrMOS ICs Renesas R2J20602 MSI Eclipse Plus plokštėje

Ryžiai. 10. Šešių kanalų PWM valdiklis
Intersil ISL6336A

Renesas R2J20602 DrMOS IC palaiko MOSFET perjungimo dažnius iki 2 MHz ir yra labai efektyvus. Esant 12 V įėjimo įtampai, 1,3 V išėjimui ir 1 MHz perjungimo dažniui, jo efektyvumas yra 89%. Srovės riba yra 40 A. Aišku, kad esant šešių fazių procesoriaus maitinimo šaltiniui, DrMOS mikroschemai yra numatytas bent dvigubas srovės rezervas. Kai tikroji srovė yra 25 A, paties DrMOS lusto energijos suvartojimas (išleidžiamas kaip šiluma) yra tik 4,4 vatai. Taip pat tampa akivaizdu, kad naudojant Renesas R2J20602 DrMOS lustus, procesoriaus įtampos reguliatoriuose nereikia naudoti daugiau nei šešių fazių.

„Intel“ savo pirminėje įmonėje Intel plokštė DX58S0 pagrindu Intel mikroschemų rinkinys X58, skirtas Intel Core i7 procesoriams, taip pat naudoja 6 fazių, bet atskirą procesoriaus įtampos reguliatorių. Galios fazių valdymui naudojamas 6 kanalų PWM valdiklis ADP4000 iš On Semiconductor, o ADP3121 mikroschemos – kaip MOSFET tvarkyklės (11 pav.). ADP4000 PWM valdiklis palaiko PMBus (Power Manager Bus) sąsają ir yra programuojamas veikti 1, 2, 3, 4, 5 ir 6 fazėmis su galimybe perjungti fazių skaičių realiu laiku. Be to, naudodamiesi PMBus sąsaja, galite nuskaityti esamas procesoriaus srovės reikšmes, jo įtampą ir energijos suvartojimą. Galima tik apgailestauti, kad „Intel“ neįdiegė šių ADP4000 lusto funkcijų procesoriaus būsenos stebėjimo programoje.

Ryžiai. 11. Šešių fazių procesoriaus įtampos reguliatorius
pagrįsta ADP4000 PWM valdikliu ir ADP3121 MOSFET tvarkyklėmis
Intel DX58S0 plokštėje (rodomos dvi maitinimo fazės)

Taip pat atkreipkite dėmesį, kad kiekvienoje galios fazėje naudojami On Semiconductor NTMFS4834N MOSFET galios tranzistoriai, kurių srovės riba yra 130 A. Nesunku atspėti, kad esant tokioms srovės riboms, patys galios tranzistoriai nėra maitinimo fazės kliūtis. Šiuo atveju tiekimo fazės srovės riba įveda droselį. Nagrinėjamoje įtampos reguliatoriaus grandinėje naudojami PULSE PA2080.161NL droseliai, kurių srovės riba yra 40 A, tačiau aišku, kad net esant tokiai srovės ribinei srovei užtenka šešių procesoriaus maitinimo fazių ir yra didelė atsarga. ekstremaliam procesoriaus įsijungimui.

Dinaminio fazių perjungimo technologija

Beveik visi pagrindinių plokščių gamintojai šiuo metu naudoja dinamiško procesoriaus galios fazių skaičiaus perjungimo technologiją (kalbame apie pagrindines plokštes, skirtas Intel procesoriams). Tiesą sakant, ši technologija jokiu būdu nėra naujas ir buvo sukurtas Intel jau seniai. Tačiau, kaip dažnai nutinka, pasirodžius šiai technologijai, rinka ir nereikalaujama ilgam laikui buvo sandėlyje. Ir tik tada, kai kūrėjų mintyse užvaldė idėja sumažinti kompiuterių energijos suvartojimą, jie prisiminė dinamišką procesoriaus galios fazių perjungimą. Pagrindinių plokščių gamintojai bando perduoti šią technologiją kaip savo ir sugalvoti jai įvairius pavadinimus. Pavyzdžiui, pas Gigabaitas ji vadinama Advanced Energy Saver (AES), ASRock – Intelligent Energy Saver (IES), ASUS – EPU, MSI – Active Phase Switching (APS). Tačiau, nepaisant pavadinimų įvairovės, visos šios technologijos įgyvendinamos lygiai taip pat ir, žinoma, nėra patentuotos. Be to, Intel VR 11.1 specifikacijoje integruota galimybė perjungti procesoriaus galios fazes, o visi PWM valdikliai, suderinami su VR 11.1 specifikacija, ją palaiko. Tiesą sakant, pagrindinių plokščių gamintojai čia turi mažai pasirinkimo. Tai yra „Intersil“ PWM valdikliai (pavyzdžiui, 6 kanalų PWM valdiklis „Intersil ISL6336A“) arba „On Semiconductor“ PWM valdikliai (pavyzdžiui, 6 kanalų PWM valdiklis ADP4000). Kitų įmonių valdikliai naudojami rečiau. Tiek Intersil, tiek On Semiconductor VR 11.1 suderinami valdikliai palaiko dinaminį maitinimo fazių perjungimą. Tik klausimas, kaip pagrindinės plokštės gamintojas išnaudoja PWM valdiklio galimybes.

Natūralu, kad kyla klausimas: kodėl dinaminio galios fazių perjungimo technologija vadinama energiją taupančia ir koks jos taikymo efektyvumas?

Apsvarstykite, pavyzdžiui, pagrindinę plokštę su 6 fazių procesoriaus įtampos reguliatoriumi. Jei procesorius nėra stipriai apkrautas, vadinasi, jo suvartojama srovė yra maža, visiškai įmanoma išsiversti su dviem galios fazėmis, o šešių fazių poreikis atsiranda tada, kai procesorius yra labai apkrautas, kai srovę suvartoja jis pasiekia maksimalią vertę. Iš tikrųjų galima nustatyti, kad naudojamų galios fazių skaičius atitiktų procesoriaus sunaudotą srovę, tai yra, kad galios fazės būtų dinamiškai perjungtos priklausomai nuo procesoriaus apkrovos. Bet ar ne lengviau naudoti visas šešias galios fazes esant bet kokiai procesoriaus srovei? Norėdami atsakyti į šį klausimą, turite atsižvelgti į tai, kad bet kuris įtampos reguliatorius pats sunaudoja dalį paverčiamos elektros energijos, kuri išsiskiria šilumos pavidalu. Todėl viena iš įtampos keitiklio charakteristikų yra jo efektyvumas, arba energijos vartojimo efektyvumas, tai yra apkrovai (procesoriui) perduodamos galios ir reguliatoriaus suvartojamos galios santykis, kuris yra galios suma. sunaudojama apkrovos ir paties reguliatoriaus suvartojamos galios. Įtampos reguliatoriaus energijos vartojimo efektyvumas priklauso nuo procesoriaus srovės (jos apkrovos) dabartinės vertės ir dalyvaujančių galios fazių skaičiaus (12 pav.).

Ryžiai. 12. Įtampos reguliatoriaus energinio naudingumo (efektyvumo) priklausomybė
ant procesoriaus srovės su skirtingu galios fazių skaičiumi

Įtampos reguliatoriaus energijos vartojimo efektyvumo priklausomybė nuo procesoriaus srovės esant pastoviam galios fazių skaičiui yra tokia. Iš pradžių, padidėjus apkrovos srovei (procesoriaus), įtampos reguliatoriaus efektyvumas didėja tiesiškai. Toliau pasiekiama maksimali naudingumo vertė, o toliau didėjant apkrovos srovei efektyvumas palaipsniui mažėja. Svarbiausia, kad apkrovos srovės vertė, kuriai esant pasiekiama maksimali naudingumo vertė, priklausytų nuo maitinimo fazių skaičiaus, todėl, jei naudojama dinaminio maitinimo fazių perjungimo technologija, tada efektyvumas. maitinimo įtampos reguliatorius visada gali būti palaikomas aukščiausiu įmanomu lygiu.

Palyginus įtampos reguliatoriaus energinio naudingumo priklausomybes nuo procesoriaus srovės esant skirtingam galios fazių skaičiui, galime daryti išvadą: esant mažai procesoriaus srovei (esant nedidelei procesoriaus apkrovai), efektyviau naudoti mažesnį skaičių galios fazės. Tokiu atveju mažiau energijos sunaudos pats įtampos reguliatorius ir išleis kaip šiluma. Esant didelėms procesoriaus srovėms, naudojant nedidelį galios fazių skaičių, sumažėja įtampos reguliatoriaus energijos vartojimo efektyvumas. Todėl šiuo atveju optimalu naudoti didesnį galios fazių skaičių.

Teoriniu požiūriu procesoriaus galios fazių dinaminio perjungimo technologijos panaudojimas, pirma, turėtų sumažinti bendrą sistemos energijos suvartojimą, antra, šilumos išsklaidymą pačiame maitinimo įtampos reguliatoriuje. Be to, pagrindinės plokštės gamintojų teigimu, ši technologija gali sumažinti sistemos energijos suvartojimą net 30%. Žinoma, 30% yra skaičius, paimtas iš lubų. Realiai dinaminio galios fazių perjungimo technologija gali sumažinti bendrą sistemos energijos suvartojimą ne daugiau kaip 3-5%. Faktas yra tas, kad ši technologija leidžia sutaupyti elektros energijos, kurią sunaudoja tik pats įtampos reguliatorius. Tačiau pagrindiniai elektros energijos vartotojai kompiuteryje yra procesorius, vaizdo plokštė, mikroschemų rinkinys ir atmintis, o atsižvelgiant į bendrą šių komponentų energijos suvartojimą, paties įtampos reguliatoriaus energijos suvartojimas yra gana mažas. Todėl, nesvarbu, kaip optimizuotumėte įtampos reguliatoriaus energijos suvartojimą, sutaupyti tiesiog neįmanoma.

Gamintojų rinkodaros „lustai“.

Pagrindinių plokščių gamintojai labai stengiasi atkreipti pirkėjų dėmesį į savo gaminius ir motyvuotai įrodyti, kad jie yra geresni už konkurentų! Vienas iš tokių rinkodaros „lustų“ yra procesoriaus įtampos reguliatoriaus galios fazių padidinimas. Jei anksčiau šešiafaziai įtampos reguliatoriai buvo naudojami aukščiausiose pagrindinėse plokštėse, tai dabar jie naudoja 10, 12, 16, 18 ir net 24 fazes. Ar jums tikrai reikia tiek daug galios fazių, ar tai tik rinkodaros triukas?

Žinoma, daugiafaziai maitinimo įtampos reguliatoriai turi savo neginčijami pranašumai bet viskam yra protinga riba. Pavyzdžiui, kaip jau minėjome, daugybė galios fazių leidžia kiekvienoje galios fazėje naudoti mažos srovės komponentus (MOSFET, droselius ir talpas), kurie, žinoma, yra pigesni nei didelės srovės ribojantys komponentai. Tačiau dabar visi pagrindinių plokščių gamintojai naudoja kieto polimero kondensatorius ir ferito šerdies droselius, kurių srovės riba yra ne mažesnė kaip 40 A. MOSFET taip pat srovės riba yra bent 40 A (ir pastaruoju metu pastebima MOSFET tendencija). srovės riba 75 A). Akivaizdu, kad esant tokiems srovės apribojimams, kiekvienoje bangos fazėje pakanka naudoti šešias galios fazes. Toks įtampos reguliatorius teoriškai gali užtikrinti didesnę nei 200 A procesoriaus srovę, taigi ir daugiau nei 200 vatų energijos suvartojimą. Akivaizdu, kad net esant ekstremaliam įsijungimo režimui beveik neįmanoma pasiekti tokių srovės ir energijos suvartojimo verčių. Tai kodėl gamintojai gamina 12 ar daugiau fazių įtampos reguliatorius, jei šešiafazis įtampos reguliatorius taip pat gali tiekti maitinimą procesoriui bet kuriuo jo veikimo režimu?

Jei lygintume 6 ir 12 fazių įtampos reguliatorius, tai teoriškai naudojant dinaminę galios fazių perjungimo technologiją, 12 fazių įtampos reguliatoriaus energinis efektyvumas bus didesnis. Tačiau energijos vartojimo efektyvumo skirtumas bus pastebimas tik esant didelėms procesoriaus srovėms, kurios praktiškai nepasiekiamos. Bet net jei įmanoma pasiekti tokią didelę srovės vertę, kuriai esant 6 ir 12 fazių įtampos reguliatorių energijos vartojimo efektyvumas skirsis, tai šis skirtumas bus toks mažas, kad į jį galima nekreipti dėmesio. Todėl visiems šiuolaikiniams procesoriams, kurių energijos suvartojimas yra 130 W, net ir esant ekstremalaus įsijungimo režimui, bangai pakanka 6 fazių įtampos reguliatoriaus. 12 fazių įtampos reguliatoriaus naudojimas nesuteikia jokių pranašumų net naudojant dinaminio fazių perjungimo technologiją. Kodėl gamintojai pradėjo gaminti 24 fazių įtampos reguliatorius, galima spėlioti. Čia nėra sveiko proto, matyt, jie tikisi padaryti įspūdį techniškai neraštingiems vartotojams, kuriems „kuo daugiau, tuo geriau“.

Beje, pravartu būtų pastebėti, kad šiandien nėra 12 ir juo labiau 24 kanalų PWM valdiklių, valdančių galios fazes. Didžiausia suma PWM valdiklių kanalų skaičius yra šeši. Todėl, kai naudojami daugiau nei šešių fazių įtampos reguliatoriai, gamintojai yra priversti montuoti kelis sinchroniškai veikiančius PWM valdiklius. Prisiminkite, kad PWM valdymo signalas kiekviename kanale turi tam tikrą delsą, palyginti su PWM signalu kitame kanale, tačiau šie signalo laiko poslinkiai yra įgyvendinami tame pačiame valdiklyje. Pasirodo, naudojant, pavyzdžiui, du 6 kanalų PWM valdiklius 12 fazių įtampos reguliatoriui organizuoti, vieno valdiklio valdomos maitinimo fazės sujungiamos poromis su kito valdiklio valdomomis maitinimo fazėmis. Tai yra, pirmoji pirmojo valdiklio galios fazė veiks sinchroniškai (be laiko poslinkio) su antrojo valdiklio pirmąja galios faze. Fazės bus dinamiškai perjungtos, greičiausiai, taip pat poromis. Apskritai tai nėra „sąžiningas“ 12 fazių įtampos reguliatorius, o veikiau hibridinė 6 fazių reguliatoriaus versija su dviem kanalais kiekvienoje fazėje.

Skiriamieji bruožai:

• Mažiausias dvigubo padidinimo keitiklis: 16 kontaktų QSOP
• efektyvumą 90 %
• Pradėkite nuo 1,5 V maitinimo šaltinio
• Didžiausias bendras srovės suvartojimas 85 uA
• Srovės suvartojimas išjungus režimu 1 μA
• Atskiri išjungimo įėjimai
• Varo du N kanalų SMD MOSFET
• Žemas akumuliatoriaus lygintuvo įėjimas ir išėjimas
• Gali būti naudojamas kaip didinamas arba mažinamas keitiklis

Naudojimo sritys:

• Nešiojama įranga su 2 ir 3 elementų maitinimo šaltiniu
• Organizatoriai
• Elektroniniai vertėjai
• Nešiojami, nešiojami prietaisai
• Nešiojamieji kompiuteriai
• Asmeninis skaitmeniniai asistentai(PDA)
• Du maitinimo šaltiniai (loginis ir LCD maitinimas)

Tipinė perjungimo grandinė:

Smeigtukų išdėstymas:

Smeigtuko aprašymas:

Apibūdinimas:

MAX863 yra dviejų išėjimų DC/DC keitiklis, kuriame yra du nepriklausomi stiprinimo valdikliai vienoje kompaktiškoje pakuotėje. IC pagamintas naudojant Bi-CMOS technologiją ir sunaudoja tik 85 uA, kai veikia abu valdikliai. Minimali įėjimo maitinimo įtampa yra 1,5 V, kas leidžia naudoti šį IC organizatoriuose, vertėjams ir kitoje mažos galios nešiojamoje įrangoje. MAX863 užtikrina efektyvumą. 90% konvertavimas esant apkrovos srovei nuo 20 mA į 1A. Šis mažo dydžio IC yra 16 kontaktų. paketas QSOP, kuris užima tokius pat matmenis kaip ir 8 kontaktų. SOIC paketas.

IC naudoja srovę ribojančią impulsų dažnio moduliavimo architektūrą, kuri pasižymi mažu paleidimo srovės padidėjimu ir mažu srovės suvartojimu, taip užtikrinant aukštą efektyvumą. transformacijos plačiame pakrovimo diapazone. Kiekvienas valdiklis valdo nebrangų išorinį N kanalo MOSFET, kurio dydis atitinka bet kokią išėjimo srovę ar įtampą.

Galingesnėse sistemose du MAX863 gali būti naudojami generuoti 5 V, 3,3 V, 12 V ir 28 V, naudojant tik dvi ar tris baterijas kaip maitinimo šaltinį. Siekiant pagreitinti projektavimo laiką, galima įsigyti įvertinimo rinkinį MAX863EVKIT. Jei reikalingas vienas išėjimo valdiklis, žr. MAX608 ir MAX1771 dokumentaciją.

Šia pamoka pradedu straipsnių apie perjungimo reguliatorius, skaitmeninius reguliatorius ir išėjimo galios valdymo įrenginius seriją.

Mano tikslas yra sukurti šaldytuvo valdiklį ant Peltier elemento.

Darysime mano kūrimo analogą, tik įgyvendintą Arduino plokštės pagrindu.

• Ši plėtra sudomino daugelį, ir mane pasipylė laiškai su prašymais ją įdiegti „Arduino“.
• Kūrimas idealiai tinka skaitmeninių valdiklių aparatinės ir programinės įrangos studijoms. Be to, jame sujungiamos daugelis ankstesnėse pamokose išnagrinėtų užduočių:
  • Analoginių signalų matavimas;
  • darbas su mygtukais;
  • indikacinių sistemų prijungimas;
  • temperatūros matavimas;
  • dirbti su EEPROM;
  • ryšys su kompiuteriu;
  • lygiagrečiai procesai;
  • ir daug daugiau.

Plėtrą plėtosiu nuosekliai, žingsnis po žingsnio, paaiškindamas savo veiksmus. Koks bus rezultatas – nežinau. Tikiuosi pilnaverčio šaldytuvo valdiklio darbinio projekto.

Neturiu baigto projekto. Pamokas rašysiu pagal esamą būseną, tad per testus gali pasirodyti, kad kažkuriame etape suklydau. pataisysiu. Tai geriau nei aš derinsiu kūrimą ir išduodu paruoštus sprendimus.

Kūrimo ir prototipo skirtumai.

Vienintelis funkcinis skirtumas nuo PIC valdiklio prototipo kūrimo yra tai, kad nėra greito įtampos reguliatoriaus, kuris kompensuotų maitinimo įtampos pulsaciją.

Tie. ši parinktisĮrenginys turi būti maitinamas iš stabilizuoto maitinimo šaltinio su žemu pulsacijos lygiu (ne daugiau kaip 5%). Šiuos reikalavimus atitinka visi šiuolaikiniai impulsų blokai mityba.

Ir maitinimo šaltinis iš nestabilizuoto maitinimo šaltinio (transformatoriaus, lygintuvo, talpinio filtro) neįtraukiamas. „Arduino“ sistemos greitis neleidžia naudoti greito įtampos reguliatoriaus. Rekomenduoju paskaityti apie Peltier elemento galios reikalavimus.

Bendros įrenginio struktūros kūrimas.

Šiame etape turite suprasti bendrai:

• iš kokių elementų sistema susideda;
• kuriame valdiklyje jį vykdyti;
• ar pakanka išvadų ir funkcionalumą valdiklis.

Valdiklį įsivaizduoju kaip „juodąją dėžę“ arba „šiukšlių duobę“ ir prie jos prijungiu viską, ko man reikia. Tada žiūriu, ar, pavyzdžiui, lenta tinka šiems tikslams. Arduino UNO R3.

Mano interpretacijoje tai atrodo taip.

Nubraižiau stačiakampį – valdiklį ir visus signalus, reikalingus sistemos elementams sujungti.

Nusprendžiau, kad turiu prisijungti prie lentos:

• LCD indikatorius (rezultatams ir režimams rodyti);
• 3 mygtukai (valdymui);
• klaidų indikatoriaus šviesos diodas;
• ventiliatoriaus valdymo mygtukas (kad įjungti karšto šoninio radiatoriaus ventiliatorių);
• perjungimo stabilizatoriaus raktas (skirtas Peltier elemento galiai reguliuoti);
• analoginis įėjimas apkrovos srovei matuoti;
• analoginis įėjimas apkrovos įtampai matuoti;
• temperatūros jutiklis kameroje (tikslus 1 laido jutiklis DS18B20);
• radiatoriaus temperatūros jutiklis (dar nenusprendėte, kuris jutiklis, greičiau irgi DS18B20);
• kompiuterinio ryšio signalai.

Iš viso buvo 18 signalų. At arduino plokštės UNO R3 arba Arduino NANO 20 išvadų. Rezerve dar liko 2 išvados. Galbūt norėsite prijungti kitą mygtuką, arba LED, arba drėgmės jutiklį, arba šaltos pusės ventiliatorių... Mums reikia 2 ar 3 analoginių įėjimų, plokštėje yra 6. Tai yra. viskas mums tinka.

PIN numerius galite priskirti iš karto, tai galite padaryti kūrimo metu. Paskyriau iš karto. Ryšys vyksta per jungtis, visada galite pakeisti. Atminkite, kad smeigtukų priskyrimas nėra galutinis.

impulsų stabilizatoriai.

Norint tiksliai stabilizuoti temperatūrą ir Peltier elemento veikimą optimaliu režimu, būtina sureguliuoti jo galią. Reguliatoriai yra analoginiai (linijiniai) ir impulsiniai (raktas).

Analoginiai reguliatoriai yra reguliavimo elementas ir apkrova, nuosekliai sujungta su maitinimo šaltiniu. Keičiant reguliavimo elemento varžą, sureguliuojama apkrovos įtampa arba srovė. Kaip reguliavimo elementas, kaip taisyklė, naudojamas bipolinis tranzistorius.

Valdymo elementas veikia linijiniu režimu. Jai skiriama „papildoma“ galia. Esant didelėms srovėms, šio tipo stabilizatoriai yra labai karšti, turi mažą efektyvumą. Tipiškas linijinės įtampos reguliatorius yra 7805 lustas.

Šis variantas mums netinka. Pagaminsime impulsinį (rakto) stabilizatorių.

Perjungimo stabilizatoriai yra skirtingi. Mums reikia sumažinto perjungimo reguliatoriaus. Tokių įrenginių apkrovos įtampa visada yra mažesnė už maitinimo įtampą. Žemyninio perjungimo reguliatoriaus grandinė atrodo taip.

Ir tai yra reguliatoriaus schema.

Tranzistorius VT veikia rakto režimu, t.y. jis gali turėti tik dvi būsenas: atvirą arba uždarą. Valdymo įtaisas, mūsų atveju, mikrovaldiklis, perjungia tranzistorių tam tikru dažniu ir darbo ciklu.

• Kai tranzistorius atidarytas, srovė teka per grandinę: maitinimo šaltinį, tranzistoriaus jungiklį VT, induktorių L, apkrovą.
• Kai raktas atidarytas, induktoryje sukaupta energija tiekiama į apkrovą. Per grandinę teka srovė: induktorius, VD diodas, apkrova.

Taigi pastovi įtampa reguliatoriaus išėjime priklauso nuo atidarymo (topen) ir uždarymo (tclose) laiko santykio, t.y. apie valdymo impulsų darbo ciklą. Keičiant darbo ciklą, mikrovaldiklis gali pakeisti įtampą esant apkrovai. Kondensatorius C išlygina išėjimo įtampos pulsaciją.

Pagrindinis šio reguliavimo metodo privalumas yra didelis efektyvumas. Tranzistorius visada įjungtas arba išjungtas. Todėl jame išsklaido mažai galios - visada arba tranzistoriaus įtampa yra artima nuliui, arba srovė lygi 0.

Tai klasikinė perjungimo buck reguliatoriaus grandinė. Jame rakto tranzistorius yra nuplėštas nuo bendro laido. Tranzistorių sunku valdyti, todėl maitinimo įtampos bėgiui reikia specialių poslinkių grandinių.

Taigi pakeičiau schemą. Jame apkrova atjungta nuo bendro laido, bet prie bendro laido pritvirtintas raktelis. Šis sprendimas leidžia valdyti tranzistoriaus jungiklį iš mikrovaldiklio signalo naudojant paprastą srovės tvarkyklę-stiprintuvą.

• Kai raktas uždarytas, srovė į apkrovą patenka per grandinę: maitinimo šaltinį, induktorių L, raktą VT (srovės kelias rodomas raudonai).
• Kai raktas atidarytas, induktoryje sukaupta energija grąžinama į apkrovą per regeneracinį diodą VD (srovės kelias rodomas mėlyna spalva).

Praktinis pagrindinio reguliatoriaus įgyvendinimas.

Turime įdiegti perjungimo reguliatoriaus mazgą su šiomis funkcijomis:

• tikrasis rakto valdiklis (raktas, droselis, regeneracinis diodas, išlyginamasis kondensatorius);
• apkrovos įtampos matavimo grandinė;
• reguliatoriaus srovės matavimo grandinė;
• aparatinės įrangos apsauga nuo viršsrovių.

Aš, praktiškai be pakeitimų, paėmiau reguliatoriaus grandinę iš.

Perjungimo reguliatoriaus, skirto darbui su Arduino plokšte, schema.

Kaip maitinimo jungiklį naudojau MOSFET tranzistorius IRF7313. Straipsnyje apie Peltier elementų valdiklio galios padidinimą išsamiai rašiau apie šiuos tranzistorius, apie galimą pakeitimą ir apie šios grandinės pagrindinių tranzistorių reikalavimus. Čia yra nuoroda į techninę dokumentaciją.

Ant tranzistorių VT1 ir VT2 surenkama pagrindinė MOSFET tranzistoriaus tvarkyklė. Tai tik srovės stiprintuvas, pagal įtampą jis net susilpnina signalą iki maždaug 4,3 V. Todėl raktinis tranzistorius turi būti žemo slenksčio. Yra įvairių tvarkyklių diegimo parinkčių MOSFET tranzistoriai. Įskaitant integruotų tvarkyklių naudojimą. Ši parinktis yra lengviausia ir pigiausia.

Apkrovos įtampai matuoti naudojamas daliklis R1, R2. Esant tokioms rezistorių vertėms ir 1,1 V etaloninės įtampos šaltiniui, matavimo diapazonas yra 0 ... 17,2 V. Grandinė leidžia išmatuoti įtampą antrajame apkrovos gnybte, palyginti su bendruoju laidu. Apskaičiuojame įtampą esant apkrovai, žinodami maitinimo šaltinio įtampą:

Įkelti = tiekimas – išmatuota.

Akivaizdu, kad matavimo tikslumas priklausys nuo maitinimo šaltinio įtampos palaikymo stabilumo. Bet mums nereikia didelio tikslumo matuojant įtampą, srovę, apkrovos galią. Turime tiksliai matuoti ir palaikyti tik temperatūrą. Mes išmatuosime jį dideliu tikslumu. Ir jei sistema parodys, kad Peltier elemento galia yra 10 W, bet iš tikrųjų ji bus 10,5 W, tai niekaip neturės įtakos įrenginio veikimui. Tai taikoma visiems kitiems energijos parametrams.

Srovė matuojama naudojant rezistoriaus srovės jutiklį R8. Komponentai R6 ir C2 sudaro paprastą žemo dažnio filtrą.

Paprasčiausia aparatinė apsauga sumontuota ant R7 ir VT3 elementų. Jei srovė grandinėje viršija 12 A, tai rezistoriaus R8 įtampa pasieks tranzistoriaus atidarymo slenkstį – 0,6 V. Tranzistorius atidarys ir uždarys mikrovaldiklio RES (reset) kaištį į žemę. Viskas turėtų išsijungti. Deja, tokios apsaugos slenkstį lemia dvipolio tranzistoriaus bazės-emiterio įtampa (0,6 V). Dėl šios priežasties apsauga veikia tik esant didelėms srovėms. Galite naudoti analoginį lyginamąjį įrenginį, tačiau tai apsunkins grandinę.

Srovė bus tiksliau matuojama padidėjus srovės jutiklio R8 varžai. Tačiau tai leis išleisti didelę galią. Net esant 0,05 omo varžai ir 5 A srovei, rezistorius R8 išsisklaido 5 * 5 * 0,05 = 1,25 vatai. Atkreipkite dėmesį, kad rezistorius R8 turi 2 vatus.

Dabar, kokią srovę matuojame. Matuojame perjungimo reguliatoriaus srovės suvartojimą iš maitinimo šaltinio. Šio parametro matavimo grandinė yra daug paprastesnė nei apkrovos srovės matavimo grandinė. Mūsų apkrova „atrišta“ nuo bendros vielos. Kad sistema veiktų, būtina išmatuoti Peltier elemento elektros galią. Reguliatoriaus sunaudotą galią apskaičiuojame padauginę maitinimo įtampą iš traukiamos srovės. Tarkime, kad mūsų reguliatoriaus efektyvumas yra 100%, ir nuspręskime, kad tai yra Peltier elemento galia. Tiesą sakant, reguliatoriaus efektyvumas bus 90-95%, tačiau ši klaida niekaip neturės įtakos sistemos darbui.

Komponentai L2, L3, C5 yra paprastas RFI filtras. Gali būti, kad to nereikia.

Rakto stabilizatoriaus droselio apskaičiavimas.

Droselis turi du mums svarbius parametrus:

• induktyvumas;
• soties srovė.

Reikiamą induktoriaus induktyvumą lemia PWM dažnis ir leistinas induktoriaus srovės pulsavimas. Yra daug informacijos šia tema. Pateiksiu labiausiai supaprastintą skaičiavimą.

Į induktorių įjungėme įtampą ir srovė per jį pradėjo didinti srovę. Padidinti, bet neatsirado, nes tuo metu, kai buvau įjungtas, per induktorių jau tekėjo srovė).

Tranzistorius atidarytas. Įtampa prijungta prie droselio:

Uchoke = Papildymas – įkėlimas.

Srovė per induktorių pradėjo didėti pagal įstatymą:

Ichoke = Uchoke * viršus / L

• topen – pulso trukmė viešasis raktas;
• L - induktyvumas.

Tie. induktoriaus pulsacijos srovės vertė arba kiek srovė padidėjo per atviro klavišo laiką, nustatoma pagal išraišką:

Ioff – jonas = Uchoke * viršus / L

Apkrovos įtampa gali keistis. Ir tai nustato įtampą prie droselio. Yra formulių, kurios į tai atsižvelgia. Bet mūsų atveju remčiausi tokias vertes:

• maitinimo įtampa 12 V;
• minimali Peltier elemento įtampa 5 V;
• reiškia maksimalią droselio įtampą 12–5 \u003d 7 V.

Viešojo rakto atidarymo impulso trukmę lemia PWM periodo dažnis. Kuo jis didesnis, tuo mažiau induktyvumo reikia induktoriui. Maksimalus dažnis PWM plokštė Arduino 62,5 kHz. Kaip gauti tokį dažnį, aš jums pasakysiu kitoje pamokoje. Mes jį panaudosime.

Imkime blogiausią atvejį – PWM persijungia tiksliai laikotarpio viduryje.

• Laikotarpio trukmė 1/62500 Hz = 0,000016 sek. = 16 µs;
• Viešojo rakto trukmė = 8 µs.

Srovės pulsacija tokiose grandinėse paprastai nustatoma iki 20% vidutinės srovės. Negalima painioti su išėjimo įtampos pulsacija. Juos išlygina kondensatoriai grandinės išėjime.

Jei leidžiame 5 A srovę, tada imame 10% arba 0,5 A srovės pulsaciją.

L = Uchoke * viršų / Ipulsacija = 7 * 8 / 0,5 = 112 μH.

Induktoriaus prisotinimo srovė.

Viskas pasaulyje turi ribas. Ir droselis taip pat. Esant tam tikram srovei, ji nustoja būti induktyvumu. Tai yra induktoriaus prisotinimo srovė.

Mūsų atveju didžiausia induktoriaus srovė apibrėžiama kaip vidutinė srovė plius pulsacija, t.y. 5,5 A. Bet geriau pasirinkti soties srovę su marža. Jei norime, kad aparatinės įrangos apsauga veiktų šioje grandinės versijoje, ji turi būti bent 12 A.

Prisotinimo srovę lemia oro tarpas induktoriaus magnetinėje šerdyje. Straipsniuose apie Peltier elementų valdiklius kalbėjau apie droselio konstrukciją. Jei pradėsiu plačiau plėsti šią temą, tai mes paliksime Arduino, programavimą, o kada grįšime – nežinau.

Mano droselis atrodo taip.

Natūralu, kad induktoriaus apvijos laidas turi būti pakankamo skerspjūvio. Skaičiavimas paprastas – šilumos nuostolių dėl apvijos aktyviosios varžos nustatymas.

Aktyvus apvijos pasipriešinimas:

Ra = ρ * l / S,

• Ra – aktyvioji apvijos varža;
• Ρ – medžiagos savitoji varža, variui 0,0175 Ohm mm2/m;
• l yra apvijos ilgis;
• S yra apvijos laido skerspjūvis.

Induktoriaus aktyviosios varžos šiluminiai nuostoliai:

Rakto reguliatorius semia tinkamą srovę iš maitinimo šaltinio ir ši srovė neturėtų būti leidžiama per Arduino plokštę. Diagrama rodo, kad laidai iš maitinimo šaltinio yra tiesiogiai prijungti prie blokuojančių kondensatorių C6 ir C7.

Pagrindinės grandinės impulsų srovės praeina per grandinę C6, apkrova, L1, D2, R8. Ši grandinė turi būti uždaryta minimalaus ilgio jungtimis.

Bendras Arduino plokštės laidas ir maitinimo magistralė yra prijungti prie blokuojančio kondensatoriaus C6.

Signalo laidai tarp Arduino plokštės ir rakto reguliatoriaus modulio turi būti minimalaus ilgio. Kondensatorius C1 ir C2 geriausia dėti ant plokštės jungčių.

Aš surinkau grandinę. Litavo tik būtinus komponentus. Atrodo surinkta grandinė as taip turiu.

Nustačiau PWM į 50% ir patikrinau grandinės veikimą.

• Kai maitinama iš kompiuterio, plokštė suformavo tam tikrą PWM.
• At savarankiškai varomas Iš išorinio maitinimo šaltinio viskas veikė puikiai. Ant droselio susidarė impulsai su gerais frontais, išėjime buvo pastovi įtampa.
• Kai vienu metu įjungiau maitinimą ir iš kompiuterio, ir iš išorinio maitinimo šaltinio, Arduino plokštė perdegė.

Mano kvaila klaida. Leiskite man pasakyti, kad niekas to nepakartotų. Apskritai, jungiasi lauko blokas tiekimas turi būti tikslus, sujunkite visas jungtis.

Man atsitiko taip. Grandinėje nebuvo VD2 diodo. Pridėjau po šios bėdos. Supratau, kad plokštę galima maitinti iš išorinio šaltinio per Vin kaištį. Jis pats 2 pamokoje rašė, kad plokštę galima maitinti iš išorinio šaltinio per jungtį (RWRIN signalas). Bet aš maniau, kad tai tas pats signalas, tik skirtingose ​​jungtyse.