Jak już wspomniano, wygładzanie impulsów napięciowych za pomocą filtra LC jest konieczne, aby częstotliwość odcięcia filtra f 0 = 2/ był znacznie niższy niż częstość powtarzania impulsów napięciowych. Ten warunek pozwala wybrać niezbędną pojemność i indukcyjność filtra. Odejdźmy jednak od wzorów i spróbujmy wyjaśnić zasadę działania filtra w prostszym języku.

W momencie, gdy wyłącznik zasilania jest otwarty (tranzystor T 1 jest otwarty, tranzystor T 2 jest zamknięty), energia ze źródła wejściowego jest przekazywana do obciążenia poprzez indukcyjność L w którym przechowywana jest energia. Prąd płynący przez obwód nie zmienia się natychmiast, ale stopniowo, ponieważ siła elektromotoryczna występująca w indukcyjności zapobiega zmianie prądu. Jednocześnie ładowany jest również kondensator zainstalowany równolegle z obciążeniem.

Po zamknięciu wyłącznika (tranzystor T 1 jest zamknięty, tranzystor T 2 jest otwarty), prąd z linii napięcia wejściowego nie wpływa do indukcyjności, ale zgodnie z prawami fizyki, powstająca indukcyjna siła elektromotoryczna utrzymuje kierunek prądu. Oznacza to, że w tym okresie prąd jest dostarczany do obciążenia z elementu indukcyjnego. Aby obwód się zamknął i prąd popłynął do kondensatora wygładzającego i do obciążenia, tranzystor T2 otwiera się, zapewniając obwód zamknięty i przepływ prądu wzdłuż ścieżki indukcyjność - pojemność i obciążenie - tranzystor T2 - indukcyjność.

Jak już wspomniano, stosując taki filtr wygładzający, można uzyskać napięcie przy obciążeniu, które jest proporcjonalne do cyklu pracy impulsów sterujących PWM. Oczywiste jest jednak, że dzięki tej metodzie wygładzania napięcie wyjściowe będzie miał tętnienie napięcia zasilania w stosunku do pewnej wartości średniej (napięcie wyjściowe) - rys.1. 4. Wielkość tętnienia napięcia na wyjściu zależy od częstotliwości przełączania tranzystorów, wartości pojemności i indukcyjności.

Ryż. 4. Tętnienie napięcia po wygładzeniu filtrem LC

Stabilizacja napięcia wyjściowego i funkcje kontrolera PWM

Jak już wspomniano, napięcie wyjściowe zależy (dla danego obciążenia, częstotliwości, indukcyjności i pojemności) od cyklu pracy impulsów PWM. Ponieważ prąd płynący przez obciążenie zmienia się dynamicznie, pojawia się problem stabilizacji napięcia wyjściowego. Odbywa się to w następujący sposób. Kontroler PWM generujący tranzystorowe sygnały przełączające jest podłączony do obciążenia w pętli informacja zwrotna i stale monitoruje napięcie wyjściowe na obciążeniu. Wewnątrz kontrolera PWM generowane jest referencyjne napięcie zasilania, które powinno być na obciążeniu. Kontroler PWM stale porównuje napięcie wyjściowe z napięciem odniesienia, a jeśli wystąpi niezgodność U, to ten sygnał błędu służy do zmiany (poprawy) cyklu pracy impulsów PWM, czyli zmiany cyklu pracy impulsów ~ U. W ten sposób realizowana jest stabilizacja napięcia wyjściowego.

Naturalnie pojawia się pytanie: skąd kontroler PWM wie o wymaganym napięciu zasilania? Na przykład, jeśli mówimy o procesorach, to, jak wiadomo, napięcie zasilania różne modele procesor może być inny. Dodatkowo nawet dla tego samego procesora napięcie zasilania może się dynamicznie zmieniać w zależności od jego aktualnego obciążenia.

Sterownik PWM uczy się o wymaganym nominalnym napięciu zasilania za pomocą sygnału VID (Voltage Identifier). Do nowoczesne procesory Intel Core Procesory i7 obsługujące specyfikację zasilania VR 11.1, sygnał VID jest 8-bitowy, a w przypadku starszych procesorów zgodnych ze specyfikacją VR 10.0 sygnał VID był 6-bitowy. 8-bitowy sygnał VID (kombinacja 0 i 1) pozwala ustawić 256 różnych poziomów napięcia procesora.

Ograniczenia jednofazowego przełączającego regulatora napięcia zasilania

Rozważany przez nas obwód jednofazowy przełączającego regulatora napięcia zasilającego jest prosty w wykonaniu, ale ma szereg ograniczeń i wad.

Jeśli mówimy o ograniczeniu jednofazowego przełączającego regulatora napięcia zasilania, to polega to na tym, że tranzystory MOSFET, indukcyjności (dławiki) i pojemności mają limit maksymalnego prądu, który może przez nie przepłynąć. Na przykład w przypadku większości tranzystorów MOSFET stosowanych w regulatorach napięcia płyty głównej ograniczenie prądu wynosi 30 A. Jednocześnie same procesory o napięciu zasilania około 1 V i poborze mocy powyżej 100 W zużywają ponad 100 A. Oczywiste jest, że jeśli przy takiej sile prądu zostanie zastosowany jednofazowy regulator napięcia zasilania, jego elementy po prostu „wypalą się”.

Jeśli mówimy o wadzie jednofazowego przełączającego regulatora napięcia zasilania, to polega to na tym, że wyjściowe napięcie zasilania ma tętnienia, co jest wysoce niepożądane.

W celu przezwyciężenia ograniczeń prądowych przełączanych regulatorów napięcia, a także zminimalizowania tętnienia napięcia wyjściowego stosuje się wielofazowe przełączające regulatory napięcia.

Wielofazowe regulatory napięcia przełączającego

W wielofazowych regulatorach napięcia przełączającego każda faza jest utworzona przez sterownik przełączający MOSFET, parę samych tranzystorów MOSFET i filtr wygładzający LC. W tym przypadku stosuje się jeden wielokanałowy sterownik PWM, do którego równolegle podłączonych jest kilka faz zasilania (rys. 5).

Ryż. 5. Schemat strukturalny wielofazowy, przełączający regulator napięcia zasilania,

Zastosowanie N-fazowego regulatora napięcia zasilania pozwala rozłożyć prąd na wszystkie fazy, a zatem prąd przepływający przez każdą fazę będzie w N razy mniej niż prąd obciążenia (w szczególności procesor). Na przykład, jeśli użyjesz 4-fazowego regulatora napięcia zasilania procesora z ograniczeniem prądu 30 A w każdej fazie, maksymalny prąd przez procesor wyniesie 120 A, co wystarcza większości nowoczesnych procesorów. Jeśli jednak stosuje się procesory o TDP 130 W lub przewiduje się możliwość przetaktowania procesora, wówczas wskazane jest zastosowanie nie 4-fazowego, a 6-fazowego, przełączającego regulatora napięcia zasilania procesora lub zastosować dławiki, kondensatory oraz tranzystory MOSFET zaprojektowane na wyższy prąd w każdej fazie zasilania.

Aby zmniejszyć tętnienie napięcia wyjściowego w wielofazowych regulatorach napięcia, wszystkie fazy działają synchronicznie z czasem s m przesunięcie względem siebie. Jeśli T jest okresem przełączania tranzystorów MOSFET (okres sygnału PWM) i jest używany N faz, to przesunięcie czasowe dla każdej fazy będzie T/N(rys. 6). Kontroler PWM odpowiada za synchronizację sygnałów PWM dla każdej fazy z przesunięciem czasowym.

Ryż. 6. Przesunięcia czasowe sygnałów PWM w wielofazowym regulatorze napięcia

W związku z tym, że wszystkie fazy działają w czasie s m przesunięcie względem siebie, tętnienie napięcia wyjściowego i prądu dla każdej fazy będzie również przesunięte wzdłuż osi czasu względem siebie. Całkowity prąd przepływający przez obciążenie będzie sumą prądów w każdej fazie, a wynikowe tętnienie prądu będzie mniejsze niż tętnienie prądu w każdej fazie (rys. 7).

Ryż. 7. Prąd na fazę
i wynikowy prąd obciążenia
w trójfazowym regulatorze napięcia

Tak więc główną zaletą wielofazowych przełączających regulatorów napięcia zasilania jest to, że pozwalają, po pierwsze, przekroczyć ograniczenie prądu, a po drugie, zmniejszyć tętnienie napięcia wyjściowego przy tej samej pojemności i indukcyjności filtra wygładzającego.

Dyskretne wielofazowe regulatory napięcia i technologia DrMOS

Jak już zauważyliśmy, każda faza zasilania składa się ze sterownika sterującego, dwóch tranzystorów MOSFET, dławika i kondensatora. Jednocześnie jeden kontroler PWM steruje jednocześnie kilkoma fazami mocy. Strukturalnie na płytach głównych wszystkie elementy fazowe mogą być dyskretne, to znaczy istnieje oddzielny układ sterownika, dwa oddzielne tranzystory MOSFET, osobna cewka indukcyjna i pojemność. To dyskretne podejście jest stosowane przez większość producentów płyt głównych (ASUS, Gigabyte, ECS, AsRock itp.). Istnieje jednak nieco inne podejście, gdy zamiast oddzielnego układu sterownika i dwóch tranzystorów MOSFET stosuje się jeden układ, który łączy oba tranzystory mocy i sterownik. Ta technologia została opracowana przez firmę Intel i został nazwany DrMOS, co dosłownie oznacza sterownik + tranzystory MOSFET. Oczywiście w tym przypadku stosuje się również oddzielne dławiki i kondensatory, a do sterowania wszystkimi fazami wykorzystywany jest wielokanałowy sterownik PWM.

Obecnie technologia DrMOS jest używana tylko na płytach głównych MSI. Trudno mówić o zaletach technologii DrMOS w porównaniu z tradycyjnym dyskretnym sposobem organizacji faz zasilania. Tutaj raczej wszystko zależy od konkretnego układu DrMOS i jego charakterystyki. Na przykład, jeśli mówimy o nowych płytach MSI dla procesorów z rodziny Intel Core i7, to używają one układu Renesas R2J20602 DrMOS (ryc. 8). Na przykład wł. Płyta MSI Eclipse Plus wykorzystuje 6-fazowy regulator napięcia procesora (rys. 9) oparty na 6-kanałowym kontrolerze PWM Intersil ISL6336A (rys. 10) oraz układach Renesas R2J20602 DrMOS.

Ryż. 8. Układ DrMOS Renesas R2J20602

Ryż. 9. Sześciofazowy regulator napięcia procesora
oparty na 6-kanałowym kontrolerze PWM Intersil ISL6336A
i DrMOS ICs Renesas R2J20602 na płycie MSI Eclipse Plus

Ryż. 10. Sześciokanałowy kontroler PWM
Intersil ISL6336A

Układ scalony Renesas R2J20602 DrMOS obsługuje częstotliwości przełączania MOSFET do 2 MHz i jest bardzo wydajny. Przy napięciu wejściowym 12 V, wyjściu 1,3 V i częstotliwości przełączania 1 MHz jego sprawność wynosi 89%. Ograniczenie prądu wynosi 40 A. Oczywiste jest, że przy sześciofazowym zasilaniu procesora przewidziana jest co najmniej dwukrotna rezerwa prądu dla mikroukładu DrMOS. Przy rzeczywistej wartości prądu 25 A pobór mocy (uwalniany jako ciepło) samego układu DrMOS wynosi tylko 4,4 wata. Oczywiste staje się również, że stosując układy Renesas R2J20602 DrMOS, nie ma potrzeby stosowania więcej niż sześciu faz w regulatorach napięcia procesora.

Intel w swoim rodzicu Płyta Intel Oparty na DX58S0 Chipset Intela X58 dla procesorów Intel Core i7 wykorzystuje również 6-fazowy, ale dyskretny regulator napięcia procesora. 6-kanałowy kontroler PWM ADP4000 firmy On Semiconductor służy do sterowania fazami mocy, a mikroukłady ADP3121 są używane jako sterowniki MOSFET (ryc. 11). Kontroler ADP4000 PWM obsługuje interfejs PMBus (Power Manager Bus) i jest programowalny do pracy w 1, 2, 3, 4, 5 i 6 fazach z możliwością przełączania liczby faz w czasie rzeczywistym. Dodatkowo za pomocą interfejsu PMBus można odczytać aktualne wartości prądu procesora, jego napięcia oraz poboru mocy. Można tylko żałować, że Intel nie zaimplementował tych funkcji układu ADP4000 w narzędziu do monitorowania stanu procesora.

Ryż. 11. Sześciofazowy regulator napięcia procesora
oparty na kontrolerze ADP4000 PWM i sterownikach ADP3121 MOSFET
na płycie Intel DX58S0 (pokazano dwie fazy zasilania)

Należy również zauważyć, że każda faza mocy wykorzystuje tranzystory mocy On Semiconductor NTMFS4834N MOSFET z ograniczeniem prądu do 130 A. Łatwo się domyślić, że przy takich ograniczeniach prądowych same tranzystory mocy nie są wąskim gardłem fazy mocy. W takim przypadku ograniczenie prądu w fazie zasilania powoduje dławienie. W rozważanym obwodzie regulatora napięcia zastosowano dławiki PULSE PA2080.161NL z ograniczeniem prądu 40 A, ale jasne jest, że nawet przy takim limicie prądu wystarczy sześć faz zasilania procesora i jest duży margines do ekstremalnego podkręcania procesora.

Technologia dynamicznego przełączania faz

Prawie wszyscy producenci płyt głównych stosują obecnie technologię dynamicznego przełączania liczby faz mocy procesora (mówimy o płytach głównych dla procesorów Intel). Właściwie, ta technologia nie jest niczym nowym i został opracowany przez firmę Intel dawno temu. Jednak, jak to często bywa, po pojawieniu się, technologia ta okazała się nieodebrana przez rynek i przez długi czas był w magazynie. I dopiero gdy pomysł ograniczenia poboru mocy komputerów zawładnął umysłami programistów, przypomnieli sobie o dynamicznym przełączaniu faz mocy procesora. Producenci płyt głównych starają się przekazać tę technologię jako własną i wymyślać dla niej różne nazwy. Na przykład w Gigabajt nazywa się to Advanced Energy Saver (AES), ASRock - Intelligent Energy Saver (IES), ASUS - EPU, MSI - Active Phase Switching (APS). Jednak pomimo różnorodności nazw wszystkie te technologie są realizowane dokładnie w ten sam sposób i oczywiście nie są zastrzeżone. Co więcej, możliwość przełączania faz zasilania procesora jest wbudowana w specyfikację Intel VR 11.1 i obsługują ją wszystkie kontrolery PWM, które są kompatybilne ze specyfikacją VR 11.1. Właściwie producenci płyt głównych mają tu niewielki wybór. Są to albo kontrolery PWM firmy Intersil (na przykład 6-kanałowy kontroler PWM Intersil ISL6336A), albo kontrolery PWM firmy On Semiconductor (na przykład 6-kanałowy kontroler PWM ADP4000). Rzadziej stosowane są kontrolery innych firm. Zarówno kontrolery zgodne z Intersil, jak i On Semiconductor VR 11.1 obsługują dynamiczne przełączanie faz zasilania. Pytanie tylko, w jaki sposób producent płyty głównej wykorzystuje możliwości kontrolera PWM.

Naturalnie pojawia się pytanie: dlaczego technologia dynamicznego przełączania faz mocy nazywana jest energooszczędną i jaka jest efektywność jej zastosowania?

Rozważmy na przykład płytę główną z 6-fazowym regulatorem napięcia procesora. Jeśli procesor nie jest mocno obciążony, co oznacza, że ​​pobierany przez niego prąd jest niewielki, całkiem możliwe jest obejście się z dwiema fazami zasilania, a potrzeba sześciu faz pojawia się, gdy procesor jest mocno obciążony, gdy prąd pobierany przez osiąga maksymalną wartość. Rzeczywiście, możliwe jest, aby liczba zaangażowanych faz mocy odpowiadała prądowi pobieranemu przez procesor, to znaczy, aby fazy mocy były dynamicznie przełączane w zależności od obciążenia procesora. Ale czy nie jest łatwiej korzystać ze wszystkich sześciu faz zasilania przy dowolnym prądzie procesora? Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy wziąć pod uwagę, że każdy regulator napięcia sam zużywa część konwertowanej energii elektrycznej, która jest uwalniana w postaci ciepła. Dlatego jedną z cech przekształtnika napięcia jest jego sprawność, czyli sprawność energetyczna, czyli stosunek mocy przekazywanej do obciążenia (do procesora) do mocy pobieranej przez regulator, która jest sumą mocy pobierana przez obciążenie i moc pobierana przez sam regulator. Sprawność energetyczna regulatora napięcia zależy od aktualnej wartości prądu procesora (jego obciążenia) oraz liczby zaangażowanych faz mocy (rys. 12).

Ryż. 12. Zależność sprawności energetycznej (sprawności) regulatora napięcia
na prąd procesora o różnej liczbie faz mocy

Zależność sprawności energetycznej regulatora napięcia od prądu procesora przy stałej liczbie faz mocy jest następująca. Początkowo wraz ze wzrostem prądu obciążenia (procesora) sprawność regulatora napięcia wzrasta liniowo. Ponadto osiągana jest maksymalna wartość sprawności, a wraz z dalszym wzrostem prądu obciążenia sprawność stopniowo spada. Najważniejsze jest to, że wartość prądu obciążenia, przy której osiągana jest maksymalna wartość sprawności, zależy od liczby faz zasilania, a zatem, jeśli stosowana jest technologia dynamicznego przełączania faz zasilania, to sprawność regulator napięcia zasilania zawsze może być utrzymywany na najwyższym możliwym poziomie.

Porównując zależności sprawności energetycznej regulatora napięcia od prądu procesora dla różnej liczby faz mocy, możemy stwierdzić: przy małym prądzie procesora (przy niewielkim obciążeniu procesora) bardziej efektywne jest stosowanie mniejszej liczby fazy mocy. W takim przypadku mniej energii będzie zużywane przez sam regulator napięcia i uwalniane w postaci ciepła. Przy dużych prądach procesora zastosowanie niewielkiej liczby faz mocy prowadzi do spadku sprawności energetycznej regulatora napięcia. Dlatego w tym przypadku optymalne jest zastosowanie większej liczby faz mocy.

Z teoretycznego punktu widzenia zastosowanie technologii dynamicznego przełączania faz mocy procesora powinno, po pierwsze, zmniejszyć całkowity pobór mocy systemu, a po drugie, rozpraszanie ciepła na samym regulatorze napięcia zasilania. Co więcej, według producentów płyt głównych, ta technologia może zmniejszyć zużycie energii przez system nawet o 30%. Oczywiście 30% to liczba wzięta z sufitu. W rzeczywistości technologia dynamicznego przełączania faz mocy może zmniejszyć całkowity pobór mocy systemu o nie więcej niż 3-5%. Faktem jest, że ta technologia pozwala zaoszczędzić energię elektryczną zużywaną tylko przez sam regulator napięcia. Jednak głównymi odbiorcami energii elektrycznej w komputerze są procesor, karta graficzna, chipset i pamięć, a na tle całkowitego zużycia energii przez te elementy pobór mocy samego regulatora napięcia jest dość niewielki. Dlatego bez względu na to, w jaki sposób zoptymalizujesz pobór mocy regulatora napięcia, osiągnięcie znacznych oszczędności jest po prostu niemożliwe.

Marketingowe „chipy” producentów

Producenci płyt głównych dokładają wszelkich starań, aby przyciągnąć uwagę kupujących do swoich produktów i zmotywować do udowodnienia, że ​​są lepsze od konkurentów! Jednym z tych marketingowych „chipów” jest zwiększenie faz mocy regulatora napięcia procesora. Jeśli wcześniejsze sześciofazowe regulatory napięcia były używane na najlepszych płytach głównych, teraz używają 10, 12, 16, 18, a nawet 24 faz. Czy naprawdę potrzebujesz tylu faz zasilania, czy to tylko chwyt marketingowy?

Oczywiście wielofazowe regulatory napięcia zasilającego mają swoje własne niezaprzeczalne zalety ale wszystko ma rozsądną granicę. Na przykład, jak już zauważyliśmy, duża liczba faz zasilania pozwala na stosowanie w każdej fazie zasilania elementów niskoprądowych (MOSFET, dławików i pojemności), które oczywiście są tańsze niż elementy ograniczające prąd o dużym natężeniu. Jednak teraz wszyscy producenci płyt głównych używają kondensatorów z litego polimeru i dławików z rdzeniem ferrytowym, które mają ograniczenie prądowe co najmniej 40 A. MOSFETy mają również ograniczenie prądowe co najmniej 40 A (a ostatnio pojawiła się tendencja w kierunku tranzystorów MOSFET). ograniczenie prądu 75 A). Oczywiste jest, że przy takich ograniczeniach prądowych wystarczy zastosować sześć faz mocy na każdą fazę fali. Taki regulator napięcia teoretycznie jest w stanie zapewnić prąd procesora większy niż 200 A, a zatem pobór mocy większy niż 200 watów. Oczywiste jest, że nawet w ekstremalnym trybie przetaktowania osiągnięcie takich wartości prądu i zużycia energii jest prawie niemożliwe. Dlaczego więc producenci produkują regulatory napięcia z 12 lub więcej fazami, skoro sześciofazowy regulator napięcia może również zasilać procesor w dowolnym trybie jego pracy?

Jeśli porównamy 6- i 12-fazowe regulatory napięcia, to teoretycznie przy zastosowaniu technologii dynamicznego przełączania faz mocy sprawność energetyczna 12-fazowego regulatora napięcia będzie wyższa. Jednak różnica w sprawności energetycznej będzie obserwowana tylko przy dużych prądach procesora, które w praktyce są nieosiągalne. Ale nawet jeśli możliwe jest osiągnięcie tak dużej wartości prądu, przy której sprawność energetyczna 6- i 12-fazowych regulatorów napięcia będzie się różnić, to różnica ta będzie na tyle mała, że ​​można ją zignorować. Dlatego dla wszystkich nowoczesnych procesorów o poborze mocy 130 W, nawet w trybie ich ekstremalnego przetaktowania, wystarczy 6-fazowy regulator napięcia dla fali. Zastosowanie 12-fazowego regulatora napięcia nie daje żadnych korzyści nawet przy technologii dynamicznego przełączania faz. Nie wiadomo, dlaczego producenci zaczęli produkować 24-fazowe regulatory napięcia. Nie ma w tym zdrowego rozsądku, podobno oczekują, że zaimponują użytkownikom niepiśmiennym technicznie, dla których „im więcej tym lepiej”.

Przy okazji warto zauważyć, że dziś nie ma 12-, a tym bardziej 24-kanałowych kontrolerów PWM, które kontrolują fazy mocy. Maksymalna ilość kanałów w kontrolerach PWM jest sześć. Dlatego w przypadku stosowania regulatorów napięcia z więcej niż sześcioma fazami producenci są zmuszeni do zainstalowania kilku sterowników PWM pracujących synchronicznie. Przypomnijmy, że sygnał sterujący PWM w każdym kanale ma pewne opóźnienie w stosunku do sygnału PWM w drugim kanale, ale te przesunięcia czasowe sygnału są zaimplementowane w tym samym kontrolerze. Okazuje się, że przy wykorzystaniu np. dwóch 6-kanałowych sterowników PWM do zorganizowania 12-fazowego regulatora napięcia, fazy zasilania sterowane przez jeden sterownik są łączone w pary z fazami zasilania sterowanymi przez inny sterownik. Oznacza to, że pierwsza faza mocy pierwszego sterownika będzie działać synchronicznie (bez przesunięcia czasowego) z pierwszą fazą mocy drugiego sterownika. Fazy ​​będą dynamicznie przełączane, najprawdopodobniej również parami. Generalnie nie jest to „uczciwy” 12-fazowy regulator napięcia, a raczej hybrydowa wersja 6-fazowego regulatora z dwoma kanałami w każdej fazie.

Cechy charakterystyczne:

• Najmniejszy konwerter Dual Boost: 16-stykowy QSOP
• efektywność 90%
• Zacznij od zasilania 1,5 V
• Maksymalny całkowity pobór prądu 85 uA
• Pobór prądu w trybie wyłączenia 1 μA
• Oddzielne wejścia wyłączające
• Obsługuje dwa N-kanałowe tranzystory MOSFET SMD
• Wejście i wyjście komparatora niskiego poziomu baterii
• Może być używany jako konwerter step-up lub step-down

Obszary zastosowania:

• Sprzęt przenośny z zasilaniem 2- i 3-ogniwowym
• Organizatorzy
• Tłumacze elektroniczne
• Przenośne, przenośne oprzyrządowanie
• Komputery przenośne
• Osobisty asystenci cyfrowi(PDA)
• Podwójne zasilacze (zasilanie logiki i LCD)

Typowy obwód przełączający:

Układ pinów:

Opis pinów:

Opis:

MAX863 to konwerter DC/DC z dwoma wyjściami, który zawiera dwa niezależne kontrolery doładowania w jednym kompaktowym pakiecie. Układ scalony jest wykonany w technologii Bi-CMOS i zużywa tylko 85 uA, gdy oba kontrolery są uruchomione. Minimalne napięcie zasilania wejściowego wynosi 1,5V, co pozwala na zastosowanie tego układu scalonego w organizerach, translatorach i innych urządzeniach przenośnych małej mocy. MAX863 zapewnia wydajność. 90% konwersji przy prądzie obciążenia od 20 mA do 1A. Ten niewielki układ scalony jest dostępny w wersji 16-pinowej. pakiet QSOP, który zajmuje te same wymiary co 8-pin. Pakiet SOIC.

Układ scalony przyjmuje architekturę modulacji częstotliwości impulsowej ograniczającą prąd, która charakteryzuje się niskim udarem prądu rozruchowego i niskim zużyciem prądu, zapewniając w ten sposób wysoką wydajność. przekształcenia w szerokim zakresie obciążeń. Każdy sterownik steruje tanim, zewnętrznym, N-kanałowym tranzystorem MOSFET, dopasowanym do dowolnego natężenia lub napięcia wyjściowego.

W mocniejszych systemach dwa MAX863 mogą być używane do generowania napięcia 5 V, 3,3 V, 12 V i 28 V przy użyciu zaledwie dwóch lub trzech akumulatorów jako źródła zasilania. Aby przyspieszyć czas projektowania, dostępny jest zestaw ewaluacyjny MAX863EVKIT. Jeśli wymagany jest kontroler z jednym wyjściem, zapoznaj się z dokumentacją MAX608 i MAX1771.

Tą lekcją rozpoczynam serię artykułów na temat regulatorów przełączających, regulatorów cyfrowych i urządzeń sterujących mocą wyjściową.

Cel jaki sobie postawiłem to opracowanie sterownika do lodówki na elemencie Peltiera.

Zrobimy analogię mojego rozwoju, zaimplementowaną tylko w oparciu o płytkę Arduino.

• Ten rozwój zainteresował wielu i spadły na mnie listy z prośbami o wdrożenie go na Arduino.
• Rozwój jest idealny do badania sprzętu i oprogramowania sterowników cyfrowych. Ponadto łączy w sobie wiele zadań omówionych na poprzednich lekcjach:
  • pomiar sygnałów analogowych;
  • praca z przyciskami;
  • podłączenie systemów sygnalizacyjnych;
  • pomiar temperatury;
  • praca z pamięcią EEPROM;
  • połączenie z komputerem;
  • procesy równoległe;
  • i wiele więcej.

Rozwój będę rozwijał sekwencyjnie, krok po kroku, wyjaśniając moje działania. Jaki będzie wynik - nie wiem. Mam nadzieję na pełnoprawny projekt roboczy sterownika lodówki.

Nie mam gotowego projektu. Lekcje będę pisać według aktualnego stanu, więc podczas testów może się okazać, że na pewnym etapie popełniłem błąd. Poprawię. To lepsze niż debugowanie rozwoju i wydawanie gotowych rozwiązań.

Różnice między rozwojem a prototypem.

Jedyną funkcjonalną różnicą w stosunku do prototypu sterownika PIC jest brak szybkiego regulatora napięcia, który kompensuje tętnienia napięcia zasilania.

Tych. ta opcja Urządzenie musi być zasilane zasilaczem stabilizowanym o niskim poziomie tętnień (nie więcej niż 5%). Te wymagania spełniają wszystkie nowoczesne bloki impulsowe odżywianie.

A opcja zasilania z niestabilizowanego zasilacza (transformator, prostownik, filtr pojemnościowy) jest wykluczona. Szybkość układu Arduino nie pozwala na szybki regulator napięcia. Polecam poczytać o wymaganiach energetycznych elementu Peltiera.

Opracowanie ogólnej struktury urządzenia.

Na tym etapie musisz zrozumieć ogólnie:

• z jakich elementów składa się system;
• na którym kontrolerze go wykonać;
• czy jest wystarczająco dużo wniosków i funkcjonalność kontroler.

Wyobrażam sobie kontroler jako „czarną skrzynkę” lub „śmietnik” i podłączam do niego wszystko, czego potrzebuję. Potem patrzę, czy np. tablica nadaje się do tych celów. Arduino UNO R3.

W mojej interpretacji wygląda to tak.

Narysowałem prostokąt - sterownik i wszystkie sygnały niezbędne do połączenia elementów układu.

Postanowiłem, że muszę połączyć się z płytą:

• Wskaźnik LCD (do wyświetlania wyników i trybów);
• 3 przyciski (do sterowania);
• dioda sygnalizująca błąd;
• klawisz sterowania wentylatorem (w celu włączenia wentylatora chłodnicy po stronie gorącej);
• klucz przełączania stabilizatora (do regulacji mocy elementu Peltiera);
• wejście analogowe do pomiaru prądu obciążenia;
• wejście analogowe do pomiaru napięcia obciążenia;
• czujnik temperatury w komorze (dokładny 1-przewodowy czujnik DS18B20);
• czujnik temperatury grzejnika (jeszcze nie zdecydowaliśmy, który czujnik, a raczej DS18B20);
• komputerowe sygnały komunikacyjne.

W sumie było 18 sygnałów. Na tablice arduino UNO R3 lub Arduino NANO 20 wniosków. W rezerwie pozostały jeszcze 2 wnioski. Może chcesz podłączyć inny przycisk, lub diodę LED, lub czujnik wilgotności, lub wentylator po stronie zimnej ... Potrzebujemy 2 lub 3 wejścia analogowe, na płytce jest 6. To znaczy. wszystko nam odpowiada.

Numery pinów możesz przypisywać od razu, możesz to zrobić podczas tworzenia. Umówiłem się natychmiast. Połączenie odbywa się przez złącza, zawsze możesz zmienić. Pamiętaj, że przypisania pinów nie są ostateczne.

stabilizatory impulsów.

Dla dokładnej stabilizacji temperatury i pracy elementu Peltiera w trybie optymalnym konieczne jest wyregulowanie na nim mocy. Regulatory są analogowe (liniowe) i impulsowe (kluczowe).

Regulatory analogowe są elementem regulacyjnym i obciążeniem podłączonym szeregowo do źródła zasilania. Zmieniając rezystancję elementu regulacyjnego, reguluje się napięcie lub prąd na obciążeniu. Jako element regulujący z reguły stosuje się tranzystor bipolarny.

Element sterujący działa w trybie liniowym. Przydziela mu „dodatkową” moc. Przy wysokich prądach stabilizatory tego typu są bardzo gorące, mają niską wydajność. Typowym liniowym regulatorem napięcia jest układ 7805.

Ta opcja nam nie odpowiada. Zrobimy stabilizator impulsu (klucza).

Stabilizatory przełączania są inne. Potrzebujemy regulatora przełączania obniżającego. Napięcie obciążenia w takich urządzeniach jest zawsze niższe niż napięcie zasilania. Obwód regulatora przełączania obniżania wygląda tak.

A to jest schemat regulatora.

Tranzystor VT działa w trybie klucza, tj. może mieć tylko dwa stany: otwarty lub zamknięty. Urządzenie sterujące, w naszym przypadku mikrokontroler, przełącza tranzystor z określoną częstotliwością i cyklem pracy.

• Gdy tranzystor jest otwarty, prąd płynie przez obwód: zasilanie, przełącznik tranzystorowy VT, cewka L, obciążenie.
• Gdy klucz jest otwarty, energia zmagazynowana w cewce jest dostarczana do obciążenia. Prąd przepływa przez obwód: cewka indukcyjna, dioda VD, obciążenie.

Tak więc stałe napięcie na wyjściu regulatora zależy od stosunku czasu otwarcia (toopen) i zamkniętego klucza (tclose), tj. na cyklu pracy impulsów sterujących. Zmieniając cykl pracy, mikrokontroler może zmienić napięcie na obciążeniu. Kondensator C wygładza tętnienia napięcia wyjściowego.

Główną zaletą tej metody regulacji jest wysoka wydajność. Tranzystor jest zawsze włączony lub wyłączony. Dlatego rozpraszana jest na nim niewielka moc - zawsze albo napięcie na tranzystorze jest bliskie zeru, albo prąd wynosi 0.

Jest to klasyczny obwód regulatora buck. W nim kluczowy tranzystor jest oderwany od wspólnego przewodu. Tranzystor jest trudny do wysterowania, wymaga specjalnych obwodów polaryzacji do szyny napięcia zasilającego.

Więc zmieniłem schemat. W nim obciążenie jest odłączone od wspólnego przewodu, ale klucz jest przymocowany do wspólnego przewodu. Takie rozwiązanie pozwala na sterowanie przełącznikiem tranzystorowym z sygnału mikrokontrolera za pomocą prostego sterownika prądowego-wzmacniacza.

• Gdy klucz jest zamknięty, prąd wchodzi do obciążenia przez obwód: zasilanie, cewka L, klucz VT (ścieżka prądu jest pokazana na czerwono).
• Gdy klucz jest otwarty, energia zgromadzona w cewce indukcyjnej jest zwracana do obciążenia przez diodę regeneracyjną VD (ścieżka prądu jest pokazana na niebiesko).

Praktyczne wdrożenie kluczowego regulatora.

Musimy zaimplementować węzeł regulatora przełączającego z następującymi funkcjami:

• rzeczywisty sterownik klucza (klucz, dławik, dioda regeneracyjna, kondensator wygładzający);
• obwód pomiaru napięcia obciążenia;
• obwód pomiaru prądu regulatora;
• sprzętowe zabezpieczenie nadprądowe.

Ja, praktycznie bez zmian, wziąłem obwód regulatora.

Schemat regulatora przełączającego do współpracy z płytką Arduino.

Jako wyłącznik zasilania użyłem tranzystorów MOSFET IRF7313. W artykule o zwiększeniu mocy kontrolera elementu Peltiera szczegółowo pisałem o tych tranzystorach, o możliwej wymianie, a także o wymaganiach dotyczących kluczowych tranzystorów dla tego obwodu. Oto link do dokumentacji technicznej.

Na tranzystorach VT1 i VT2 montowany jest kluczowy sterownik tranzystora MOSFET. To tylko wzmacniacz prądowy, pod względem napięcia tłumi nawet sygnał do około 4,3 V. Dlatego kluczowy tranzystor musi być niskoprogowy. Istnieją różne opcje wdrażania sterowników Tranzystory MOSFET. W tym za pomocą zintegrowanych sterowników. Ta opcja jest najłatwiejsza i najtańsza.

Do pomiaru napięcia na obciążeniu stosuje się dzielnik R1, R2. Przy takich wartościach rezystorów i źródle napięcia odniesienia 1,1 V zakres pomiarowy wynosi 0 ... 17,2 V. Obwód umożliwia pomiar napięcia na drugim zacisku obciążenia względem wspólnego przewodu. Obliczamy napięcie przy obciążeniu, znając napięcie źródła zasilania:

Uload = Usupply - U zmierzone.

Oczywiste jest, że dokładność pomiaru będzie zależeć od stabilności utrzymywania napięcia źródła zasilania. Ale nie potrzebujemy wysokiej dokładności pomiaru napięcia, prądu, mocy obciążenia. Musimy dokładnie mierzyć i utrzymywać tylko temperaturę. Zmierzymy to z dużą dokładnością. A jeśli system pokaże, że element Peltiera ma moc 10 W, ale w rzeczywistości będzie to 10,5 W, to w żaden sposób nie wpłynie to na działanie urządzenia. Dotyczy to wszystkich innych parametrów energetycznych.

Prąd jest mierzony za pomocą czujnika rezystorowo-prądowego R8. Komponenty R6 i C2 tworzą prosty filtr dolnoprzepustowy.

Najprostsza ochrona sprzętowa jest montowana na elementach R7 i VT3. Jeżeli prąd w obwodzie przekroczy 12 A, to napięcie na rezystorze R8 osiągnie próg otwarcia tranzystora wynoszący 0,6 V. Tranzystor otworzy i zamknie styk RES (reset) mikrokontrolera do masy. Wszystko powinno się wyłączyć. Niestety próg takiej ochrony jest określony przez napięcie baza-emiter tranzystora bipolarnego (0,6 V). Z tego powodu ochrona działa tylko przy znacznych prądach. Możesz użyć komparatora analogowego, ale skomplikuje to obwód.

Prąd będzie mierzony dokładniej wraz ze wzrostem rezystancji czujnika prądu R8. Ale to doprowadzi do uwolnienia na nim znacznej mocy. Nawet przy rezystancji 0,05 oma i prądzie 5 A, 5 * 5 * 0,05 = 1,25 wata jest rozpraszane na rezystorze R8. Zauważ, że rezystor R8 ma moc 2 watów.

Teraz jaki prąd mierzymy. Mierzymy pobór prądu regulatora przełączającego z zasilacza. Obwód do pomiaru tego parametru jest znacznie prostszy niż obwód do pomiaru prądu obciążenia. Nasz ładunek jest „odwiązany” ze wspólnego przewodu. Aby system działał, konieczny jest pomiar mocy elektrycznej na elemencie Peltiera. Moc pobieraną przez regulator obliczamy mnożąc napięcie zasilania przez pobierany prąd. Załóżmy, że nasz regulator ma sprawność 100% i zdecydujmy, że jest to moc na elemencie Peltiera. W rzeczywistości sprawność regulatora wyniesie 90-95%, ale ten błąd w żaden sposób nie wpłynie na działanie systemu.

Komponenty L2, L3, C5 to prosty filtr RFI. Może nie być konieczne.

Obliczanie przepustnicy kluczowego stabilizatora.

Przepustnica ma dwa ważne dla nas parametry:

• indukcyjność;
• prąd nasycenia.

Wymagana indukcyjność cewki indukcyjnej jest określona przez częstotliwość PWM i dopuszczalne tętnienie prądu cewki indukcyjnej. Na ten temat jest bardzo dużo informacji. Podam najbardziej uproszczone obliczenia.

Przyłożyliśmy napięcie do cewki indukcyjnej, a prąd przez nią zaczął zwiększać prąd. Wzrost, ale nie pojawił się, ponieważ w momencie włączenia przez cewkę płynął już jakiś prąd).

Tranzystor jest otwarty. Napięcie jest podłączone do przepustnicy:

Uchoke = Usupply - Uload.

Prąd przez cewkę indukcyjną zaczął wzrastać zgodnie z prawem:

Ichoke = Uchoke * top / L

• top - czas trwania impulsu klucz publiczny;
• L - indukcyjność.

Tych. wartość prądu tętnienia cewki indukcyjnej lub o ile prąd wzrósł w czasie otwarcia klucza określa wyrażenie:

Ioff - Ion = Uchoke * top / L

Napięcie obciążenia może ulec zmianie. I określa napięcie na przepustnicy. Istnieją formuły, które to uwzględniają. Ale w naszym przypadku przyjąłbym następujące wartości:

• napięcie zasilania 12 V;
• minimalne napięcie na elemencie Peltiera 5 V;
• oznacza maksymalne napięcie na przepustnicy 12–5 \u003d 7 V.

Czas trwania impulsu klucza publicznego jest określony przez częstotliwość okresu PWM. Im jest wyższy, tym mniej indukcyjności potrzebuje cewka indukcyjna. Maksymalna częstotliwość Płytka PWM Arduino 62,5 kHz. W następnej lekcji powiem ci, jak uzyskać taką częstotliwość. Wykorzystamy to.

Weźmy najgorszy przypadek - PWM przełącza się dokładnie w środku okresu.

• Czas trwania okresu 1/62500 Hz = 0,000016 s = 16 µs;
• Czas trwania klucza publicznego = 8 µs.

Tętnienie prądu w takich obwodach jest zwykle ustawione na 20% średniego prądu. Nie mylić z tętnieniem napięcia wyjściowego. Wygładzają je kondensatory na wyjściu układu.

Jeśli dopuścimy prąd o wartości 5 A, wówczas przyjmiemy tętnienie prądu o wartości 10% lub 0,5 A.

L = Uchoke * topen / Ipulsacja = 7 * 8 / 0,5 = 112 μH.

Prąd nasycenia cewki indukcyjnej.

Wszystko na świecie ma swoją granicę. I przepustnicy też. Przy pewnym prądzie przestaje być indukcyjnością. To jest prąd nasycenia cewki indukcyjnej.

W naszym przypadku maksymalny prąd cewki jest definiowany jako prąd średni plus tętnienie, tj. 5,5 A. Ale lepiej wybrać prąd nasycenia z marginesem. Jeśli chcemy, aby w tej wersji układu działała ochrona sprzętowa, to musi ona wynosić co najmniej 12 A.

Prąd nasycenia jest określony przez szczelinę powietrzną w rdzeniu magnetycznym cewki indukcyjnej. W artykułach o kontrolerach elementów Peltiera mówiłem o konstrukcji przepustnicy. Jeśli zacznę szczegółowo ten temat rozwijać, to Arduino, programowanie zostawimy i nie wiem, kiedy wrócimy.

Moja przepustnica wygląda tak.

Naturalnie drut uzwojenia cewki indukcyjnej musi mieć wystarczający przekrój. Obliczenie jest proste - określenie strat ciepła z powodu czynnej rezystancji uzwojenia.

Aktywna rezystancja uzwojenia:

Ra = ρ * l / S,

• Ra jest aktywnym oporem uzwojenia;
• Ρ – rezystywność materiału, dla miedzi 0,0175 Ohm mm2/m;
• l to długość uzwojenia;
• S to przekrój drutu nawojowego.

Straty cieplne na rezystancji czynnej cewki indukcyjnej:

Kluczowy regulator pobiera przyzwoity prąd z zasilacza i prąd ten nie powinien przechodzić przez płytkę Arduino. Na schemacie widać, że przewody z zasilacza są podłączone bezpośrednio do kondensatorów blokujących C6 i C7.

Główne prądy impulsowe obwodu przechodzą przez obwód C6, obciążenie, L1, D2, R8. Łańcuch ten musi być zamknięty ogniwami o minimalnej długości.

Wspólny przewód i magistrala zasilająca płytki Arduino są podłączone do kondensatora blokującego C6.

Przewody sygnałowe między płytką Arduino a modułem regulatora klawiszy muszą mieć minimalną długość. Kondensatory C1 i C2 najlepiej umieścić na złączach płytki.

Zmontowałem płytkę drukowaną. Przylutowane tylko niezbędne elementy. Wygląda zmontowany obwód Ja mam, więc.

Ustawiłem PWM na 50% i sprawdziłem działanie układu.

• Płytka zasilana z komputera tworzyła zadany PWM.
• Na samozasilany Z zewnętrznego zasilacza wszystko działało świetnie. Na przepustnicy powstawały impulsy z dobrymi frontami, na wyjściu było stałe napięcie.
• Gdy włączyłem jednocześnie zasilanie zarówno z komputera, jak i zewnętrznego zasilacza, wypaliła się płytka Arduino.

Mój głupi błąd. Powiem ci, żeby nikt tego nie powtórzył. Ogólnie rzecz biorąc, łączenie jednostka zewnętrzna dostawa musi być dokładna, zadzwoń do wszystkich połączeń.

Przydarzyło mi się następujące. W obwodzie nie było diody VD2. Dodałem to po tych kłopotach. Pomyślałem, że płytkę można zasilać z zewnętrznego źródła poprzez pin Vin. Sam napisał w lekcji 2, że płytkę można zasilać z zewnętrznego źródła poprzez złącze (sygnał RRWIN). Ale myślałem, że to ten sam sygnał, tylko na różnych złączach.