Ako už bolo uvedené, vyhladzovanie napäťových impulzov pomocou LC filtra je nevyhnutné, aby sa dosiahla medzná frekvencia filtra f 0 = 2/ bola výrazne nižšia ako frekvencia opakovania napäťových impulzov. Táto podmienka umožňuje zvoliť potrebnú kapacitu a indukčnosť filtra. Odbočme však od vzorcov a skúsme vysvetliť princíp filtra v jednoduchšom jazyku.

V momente, keď je vypínač rozpojený (tranzistor T 1 je otvorený, tranzistor T 2 je zatvorený), energia zo vstupného zdroja sa prenáša do záťaže cez indukčnosť L v ktorom sa ukladá energia. Prúd pretekajúci obvodom sa nemení okamžite, ale postupne, pretože EMF, ktorý sa vyskytuje v indukčnosti, zabraňuje zmene prúdu. Súčasne sa nabíja aj kondenzátor inštalovaný paralelne so záťažou.

Po zopnutí výkonového spínača (tranzistor T 1 je zopnutý, tranzistor T 2 otvorený) prúd zo vstupného napäťového vedenia netečie do indukčnosti, ale podľa fyzikálnych zákonov si vznikajúci indukčný EMF udržiava smer prúdu. To znamená, že počas tohto obdobia sa prúd privádza do záťaže z indukčného prvku. Aby sa obvod uzavrel a prúd prúdil do vyhladzovacieho kondenzátora a do záťaže, tranzistor T 2 sa otvorí, čím sa zabezpečí uzavretý obvod a prúd po dráhe indukčnosť - kapacita a záťaž - tranzistor T 2 - indukčnosť.

Ako už bolo uvedené, pomocou takéhoto vyhladzovacieho filtra môžete získať napätie pri záťaži, ktoré je úmerné pracovnému cyklu riadiacich impulzov PWM. Je však jasné, že pri tomto spôsobe vyhladzovania výstupné napätie bude mať zvlnenie napájacieho napätia vzhľadom na nejakú priemernú hodnotu (výstupné napätie) - obr. 4. Veľkosť zvlnenia napätia na výstupe závisí od spínacej frekvencie tranzistorov, hodnoty kapacity a indukčnosti.

Ryža. 4. Zvlnenie napätia po vyhladení pomocou LC filtra

Stabilizácia výstupného napätia a funkcie regulátora PWM

Ako už bolo uvedené, výstupné napätie závisí (pre danú záťaž, frekvenciu, indukčnosť a kapacitu) od pracovného cyklu impulzov PWM. Keďže prúd cez záťaž sa dynamicky mení, vzniká problém stabilizácie výstupného napätia. Toto sa vykonáva nasledujúcim spôsobom. PWM regulátor, ktorý generuje tranzistorové spínacie signály, je pripojený k záťaži v slučke spätná väzba a nepretržite monitoruje výstupné napätie pri záťaži. Vo vnútri PWM regulátora sa generuje referenčné napájacie napätie, ktoré by malo byť na záťaži. Regulátor PWM neustále porovnáva výstupné napätie s referenčným napätím a ak dôjde k nesúladu U, potom sa tento chybový signál použije na zmenu (správu) pracovného cyklu impulzov PWM, teda zmeny pracovného cyklu impulzov ~ U. Tým sa realizuje stabilizácia výstupného napätia.

Prirodzene vzniká otázka: ako vie regulátor PWM o požadovanom napájacom napätí? Napríklad, ak hovoríme o procesoroch, potom, ako viete, napájacie napätie rôzne modely procesor môže byť iný. Navyše, aj pre rovnaký procesor sa napájacie napätie môže dynamicky meniť v závislosti od jeho aktuálneho zaťaženia.

PWM regulátor sa dozvie o požadovanom nominálnom napájacom napätí signálom VID (Voltage Identifier). Pre moderné procesory Intel Core Procesory i7, ktoré podporujú špecifikáciu napájania VR 11.1, signál VID je 8-bitový a pre staršie procesory, ktoré sú kompatibilné so špecifikáciou VR 10.0, bol signál VID 6-bitový. 8-bitový signál VID (kombinácia 0 a 1) umožňuje nastaviť 256 rôznych úrovní napätia procesora.

Obmedzenia jednofázového spínaného regulátora napájacieho napätia

Jednofázový obvod nami uvažovaného regulátora spínaného napájacieho napätia je jednoduchý v realizácii, ale má množstvo obmedzení a nevýhod.

Ak hovoríme o obmedzení jednofázového spínaného regulátora napájacieho napätia, potom spočíva v tom, že MOSFETy, indukčnosti (tlmivky) a kapacity majú limit na maximálny prúd, ktorý nimi môže prejsť. Napríklad pre väčšinu tranzistorov MOSFET, ktoré sa používajú v regulátoroch napätia základnej dosky, je prúdový limit 30 A. Zároveň samotné procesory s napájacím napätím okolo 1 V a spotrebou viac ako 100 W spotrebúvajú viac ako 100 A. Je zrejmé, že ak sa pri takejto sile prúdu použije jednofázový regulátor napájacieho napätia, jeho prvky jednoducho „vyhoria“.

Ak hovoríme o nevýhode jednofázového spínaného regulátora napájacieho napätia, potom spočíva v tom, že výstupné napájacie napätie má zvlnenie, čo je vysoko nežiaduce.

Aby sa prekonali súčasné obmedzenia spínacích regulátorov napätia, ako aj minimalizovalo zvlnenie výstupného napätia, používajú sa viacfázové spínacie regulátory napätia.

Viacfázové spínané regulátory napätia

V polyfázových spínacích regulátoroch napätia je každá fáza tvorená prepínacím ovládačom MOSFET, dvojicou samotných MOSFETov a LC vyhladzovacím filtrom. V tomto prípade je použitý jeden viackanálový PWM regulátor, ku ktorému je paralelne pripojených niekoľko výkonových fáz (obr. 5).

Ryža. 5. Štrukturálna schéma viacfázový spínaný regulátor napájacieho napätia

Použitie N-fázového regulátora napájacieho napätia umožňuje rozložiť prúd na všetky fázy, a preto prúd pretekajúci každou fázou bude v N krát menší ako záťažový prúd (najmä procesor). Napríklad, ak použijete 4-fázový regulátor napájacieho napätia procesora s prúdovým limitom 30 A v každej fáze, potom maximálny prúd cez procesor bude 120 A, čo je dosť pre väčšinu moderných procesorov. Ak sa však použijú procesory s TDP 130 W alebo sa predpokladá možnosť pretaktovania procesora, potom je vhodné použiť nie 4-fázový, ale 6-fázový spínaný regulátor napájacieho napätia procesora alebo použiť tlmivky, kondenzátory a MOSFETy navrhnuté pre vyšší prúd v každej napájacej fáze.

Aby sa znížilo zvlnenie výstupného napätia vo viacfázových regulátoroch napätia, všetky fázy pracujú v synchronizácii s časom s m posun voči sebe navzájom. Ak T je perióda spínania MOSFETov (peróda signálu PWM) a používa sa N fázy, potom časový posun pre každú fázu bude T/N(obr. 6). Regulátor PWM je zodpovedný za synchronizáciu signálov PWM pre každú fázu s časovým posunom.

Ryža. 6. Časové posuny PWM signálov v polyfázovom regulátore napätia

V dôsledku toho, že všetky fázy pracujú s časom s m posunu voči sebe navzájom, zvlnenie výstupného napätia a prúdu pre každú fázu bude tiež posunuté pozdĺž časovej osi voči sebe navzájom. Celkový prúd prechádzajúci záťažou bude súčtom prúdov v každej fáze a výsledné zvlnenie prúdu bude menšie ako zvlnenie prúdu v každej fáze (obr. 7).

Ryža. 7. Prúd na fázu
a výsledný zaťažovací prúd
v trojfázovom regulátore napätia

Hlavnou výhodou viacfázových spínaných regulátorov napájacieho napätia je teda to, že umožňujú po prvé prekonať prúdový limit a po druhé znížiť zvlnenie výstupného napätia pri rovnakej kapacite a indukčnosti vyhladzovacieho filtra.

Diskrétne viacfázové regulátory napätia a technológia DrMOS

Ako sme už uviedli, každá výkonová fáza je tvorená riadiacim budičom, dvomi MOSFETmi, tlmivkou a kondenzátorom. Súčasne jeden PWM regulátor súčasne riadi niekoľko fáz napájania. Štrukturálne na základných doskách môžu byť všetky fázové komponenty diskrétne, to znamená, že existuje samostatný čip ovládača, dva samostatné tranzistory MOSFET, samostatný induktor a kapacita. Tento diskrétny prístup používa väčšina výrobcov základných dosiek (ASUS, Gigabyte, ECS, AsRock atď.). Existuje však trochu iný prístup, keď namiesto použitia samostatného čipu ovládača a dvoch tranzistorov MOSFET je použitý jeden čip, ktorý kombinuje oba výkonové tranzistory a ovládač. Táto technológia bola vyvinutá od spoločnosti Intel a dostal názov DrMOS, čo doslova znamená Driver + MOSFET. Prirodzene sa v tomto prípade používajú aj samostatné tlmivky a kondenzátory a na ovládanie všetkých fáz je použitý viackanálový PWM regulátor.

V súčasnosti sa technológia DrMOS používa iba na základných doskách MSI. Je pomerne ťažké hovoriť o výhodách technológie DrMOS v porovnaní s tradičným diskrétnym spôsobom organizácie napájacích fáz. Tu skôr všetko závisí od konkrétneho čipu DrMOS a jeho vlastností. Napríklad, ak hovoríme o nových MSI doskách pre procesory rodiny Intel Core i7, tak tie využívajú čip Renesas R2J20602 DrMOS (obr. 8). Napríklad na doska MSI Eclipse Plus využíva 6-fázový regulátor napätia procesora (obr. 9) založený na 6-kanálovom PWM ovládači Intersil ISL6336A (obr. 10) a čipoch Renesas R2J20602 DrMOS.

Ryža. 8. Čip DrMOS Renesas R2J20602

Ryža. 9. Šesťfázový regulátor napätia procesora
založený na 6-kanálovom PWM regulátore Intersil ISL6336A
a DrMOS ICs Renesas R2J20602 na doske MSI Eclipse Plus

Ryža. 10. Šesťkanálový PWM regulátor
Intersil ISL6336A

Renesas R2J20602 DrMOS IC podporuje spínacie frekvencie MOSFET až do 2 MHz a je veľmi efektívny. Pri vstupnom napätí 12 V, výstupe 1,3 V a spínacej frekvencii 1 MHz je jeho účinnosť 89 %. Prúdový limit je 40 A. Je zrejmé, že pri napájaní šesťfázového procesora je pre mikroobvod DrMOS zabezpečená minimálne dvojnásobná prúdová rezerva. Pri skutočnej hodnote prúdu 25 A je spotreba energie (uvoľňovaná ako teplo) samotného čipu DrMOS len 4,4 wattu. Je tiež zrejmé, že pri použití čipov Renesas R2J20602 DrMOS nie je potrebné použiť viac ako šesť fáz v regulátoroch napätia procesora.

Intel vo svojej materskej spoločnosti doska Intel Založené na DX58S0 Čipová súprava Intel X58 pre procesory Intel Core i7 tiež používa 6-fázový, ale diskrétny regulátor napätia procesora. Na riadenie výkonových fáz je použitý 6-kanálový PWM regulátor ADP4000 od On Semiconductor a ako MOSFET budiče sú použité mikroobvody ADP3121 (obr. 11). Regulátor ADP4000 PWM podporuje rozhranie PMBus (Power Manager Bus) a je programovateľný na prevádzku v 1, 2, 3, 4, 5 a 6 fázach s možnosťou prepínania počtu fáz v reálnom čase. Navyše pomocou rozhrania PMBus môžete čítať aktuálne hodnoty prúdu procesora, jeho napätia a spotreby. Možno len ľutovať, že Intel tieto funkcie čipu ADP4000 neimplementoval do pomôcky na monitorovanie stavu procesora.

Ryža. 11. Šesťfázový regulátor napätia procesora
založené na ovládači ADP4000 PWM a ovládačoch MOSFET ADP3121
na doske Intel DX58S0 (zobrazené dve fázy napájania)

Všimnite si tiež, že každá výkonová fáza používa výkonové tranzistory On Semiconductor NTMFS4834N MOSFET s prúdovým limitom 130 A. Je ľahké uhádnuť, že pri takýchto prúdových limitoch samotné výkonové tranzistory nie sú prekážkou výkonovej fázy. V tomto prípade prúdový limit na napájacej fáze spôsobuje tlmivku. V uvažovanom obvode regulátora napätia sú použité tlmivky PULSE PA2080.161NL s prúdovým limitom 40 A, ale je zrejmé, že aj pri takomto prúdovom limite stačí šesť fáz napájania procesora a je tu veľká rezerva pre extrémne pretaktovanie procesora.

Technológia dynamického prepínania fáz

Takmer všetci výrobcovia základných dosiek v súčasnosti využívajú technológiu dynamického prepínania počtu fáz napájania procesora (hovoríme o základných doskách pre procesory Intel). Vlastne, túto technológiu nie je v žiadnom prípade nový a bol vyvinutý spoločnosťou Intel už dávno. Ako sa však často stáva, keď sa táto technológia objavila, ukázalo sa, že ju trh nenárokuje na dlhú dobu bol v sklade. A až keď sa myšlienka na zníženie spotreby energie počítačov zmocnila mysle vývojárov, spomenuli si na dynamické prepínanie fáz napájania procesora. Výrobcovia základných dosiek sa snažia túto technológiu vydávať za svoju a vymýšľajú jej rôzne názvy. Napríklad pri Gigabyte volá sa Advanced Energy Saver (AES), ASRock - Intelligent Energy Saver (IES), ASUS - EPU, MSI - Active Phase Switching (APS). Napriek rôznorodosti názvov sú však všetky tieto technológie implementované úplne rovnakým spôsobom a, samozrejme, nie sú proprietárne. Schopnosť prepínať napájacie fázy procesora je navyše zabudovaná do špecifikácie Intel VR 11.1 a podporujú ju všetky PWM radiče, ktoré sú kompatibilné so špecifikáciou VR 11.1. V skutočnosti tu výrobcovia základných dosiek nemajú na výber. Sú to buď PWM regulátory od Intersilu (napríklad 6-kanálový PWM regulátor Intersil ISL6336A), alebo PWM regulátory od On Semiconductor (napríklad 6-kanálový PWM regulátor ADP4000). Ovládače od iných spoločností sa používajú menej často. Regulátory kompatibilné s Intersil aj On Semiconductor VR 11.1 podporujú dynamické prepínanie fáz napájania. Jedinou otázkou je, ako výrobca základnej dosky využíva možnosti PWM radiča.

Prirodzene vyvstáva otázka: prečo sa technológia dynamického spínania výkonových fáz nazýva energeticky úsporná a aká je účinnosť jej aplikácie?

Zoberme si napríklad základnú dosku so 6-fázovým regulátorom napätia procesora. Ak procesor nie je silne zaťažený, čo znamená, že ním spotrebovaný prúd je malý, je celkom možné vystačiť si s dvoma napájacími fázami a potreba šiestich fáz vzniká pri veľkom zaťažení procesora, keď prúd spotrebováva dosiahne svoju maximálnu hodnotu. V skutočnosti je možné dosiahnuť, aby počet zúčastnených fáz napájania zodpovedal prúdu spotrebúvanému procesorom, to znamená, že fázy napájania sa dynamicky prepínajú v závislosti od zaťaženia procesora. Nie je však jednoduchšie použiť všetkých šesť fáz napájania pri akomkoľvek prúde procesora? Ak chcete odpovedať na túto otázku, musíte vziať do úvahy, že každý regulátor napätia sám spotrebuje časť elektriny, ktorú premieňa a ktorá sa uvoľňuje vo forme tepla. Jednou z charakteristík meniča napätia je preto jeho účinnosť alebo energetická účinnosť, to znamená pomer výkonu preneseného na záťaž (na procesor) k výkonu spotrebovaného regulátorom, ktorý je súčtom výkonu. spotrebovanej záťažou a výkonu spotrebovaného samotným regulátorom. Energetická účinnosť regulátora napätia závisí od aktuálnej hodnoty prúdu procesora (jeho zaťaženia) a počtu zapojených výkonových fáz (obr. 12).

Ryža. 12. Závislosť energetickej účinnosti (účinnosti) regulátora napätia
na prúd procesora s rôznym počtom napájacích fáz

Závislosť energetickej účinnosti regulátora napätia od prúdu procesora pri konštantnom počte napájacích fáz je nasledovná. Spočiatku so zvýšením záťažového prúdu (procesora) sa účinnosť regulátora napätia lineárne zvyšuje. Ďalej sa dosiahne maximálna hodnota účinnosti a s ďalším zvyšovaním záťažového prúdu sa účinnosť postupne znižuje. Hlavná vec je, že hodnota záťažového prúdu, pri ktorej sa dosiahne maximálna hodnota účinnosti, závisí od počtu napájacích fáz, a preto pri použití technológie dynamického spínania napájacích fáz je účinnosť napájacieho regulátor napájacieho napätia možno vždy udržiavať na najvyššej možnej úrovni.

Porovnaním závislostí energetickej účinnosti regulátora napätia na prúde procesora pre rôzny počet napájacích fáz môžeme konštatovať: pri malom prúde procesora (pri miernom zaťažení procesora) je efektívnejšie použiť menší počet výkonových fáz. V tomto prípade samotný regulátor napätia spotrebuje menej energie a uvoľní sa ako teplo. Pri vysokých prúdoch procesora vedie použitie malého počtu napájacích fáz k zníženiu energetickej účinnosti regulátora napätia. Preto je v tomto prípade optimálne použiť väčší počet napájacích fáz.

Z teoretického hľadiska by použitie technológie dynamického prepínania napájacích fáz procesora malo v prvom rade znížiť celkovú spotrebu systému a v druhom rade odvod tepla na samotnom regulátore napájacieho napätia. Navyše podľa výrobcov základných dosiek dokáže táto technológia znížiť spotrebu energie systému až o 30 %. Samozrejme, 30 % je číslo prevzaté zo stropu. V skutočnosti dokáže technológia dynamického prepínania výkonových fáz znížiť celkovú spotrebu energie systému maximálne o 3-5%. Faktom je, že táto technológia vám umožňuje ušetriť elektrickú energiu spotrebovanú iba samotným regulátorom napätia. Hlavnými spotrebiteľmi elektrickej energie v počítači sú však procesor, grafická karta, čipová súprava a pamäť a na pozadí celkovej spotreby energie týchto komponentov je spotreba energie samotného regulátora napätia pomerne malá. Preto bez ohľadu na to, ako optimalizujete spotrebu energie regulátora napätia, je jednoducho nemožné dosiahnuť významné úspory.

Marketingové „čipy“ výrobcov

Výrobcovia základných dosiek vynakladajú veľké úsilie, aby pritiahli pozornosť kupujúcich na svoje produkty a motivovane dokázali, že sú lepší ako konkurenti! Jedným z týchto marketingových „čipov“ je zvýšenie napájacích fáz regulátora napätia procesora. Ak sa na špičkových základných doskách používali skôr šesťfázové regulátory napätia, teraz používajú 10, 12, 16, 18 a dokonca 24 fáz. Naozaj potrebujete toľko napájacích fáz, alebo je to len marketingový trik?

Samozrejme, viacfázové regulátory napájacieho napätia majú svoje vlastné nepopierateľné výhody ale vsetko ma rozumnu hranicu. Napríklad, ako sme už uviedli, veľký počet výkonových fáz umožňuje použitie nízkoprúdových komponentov (MOSFET, tlmivky a kapacity) v každej výkonovej fáze, ktoré sú samozrejme lacnejšie ako súčiastky obmedzujúce vysoký prúd. Teraz však všetci výrobcovia základných dosiek používajú pevné polymérové ​​kondenzátory a tlmivky s feritovým jadrom, ktoré majú prúdový limit najmenej 40 A. MOSFETy majú tiež prúdový limit najmenej 40 A (a nedávno sa objavil trend smerom k MOSFETom). prúdový limit 75 A). Je jasné, že pri takýchto prúdových obmedzeniach stačí na každú fázu vlny použiť šesť výkonových fáz. Takýto regulátor napätia je teoreticky schopný poskytnúť procesorový prúd viac ako 200 A, a teda spotrebu energie viac ako 200 wattov. Je jasné, že aj v režime extrémneho pretaktovania je takmer nemožné dosiahnuť takéto hodnoty prúdu a spotreby. Prečo teda výrobcovia vyrábajú napäťové regulátory s 12 a viac fázami, ak šesťfázový regulátor napätia môže poskytnúť energiu aj procesoru v akomkoľvek režime jeho činnosti?

Ak porovnáme 6- a 12-fázové regulátory napätia, potom teoreticky pri použití technológie dynamického spínania fáz výkonu bude energetická účinnosť 12-fázového regulátora napätia vyššia. Rozdiel v energetickej účinnosti sa však prejaví až pri vysokých prúdoch procesora, ktoré sú v praxi nedosiahnuteľné. Ale aj keď je možné dosiahnuť takú vysokú hodnotu prúdu, pri ktorej sa bude líšiť energetická účinnosť 6- a 12-fázových regulátorov napätia, potom bude tento rozdiel taký malý, že ho možno ignorovať. Preto všetkým moderným procesorom s príkonom 130 W aj v režime ich extrémneho pretaktovania stačí na vlnu 6-fázový regulátor napätia. Použitie 12-fázového regulátora napätia neposkytuje žiadne výhody ani pri technológii dynamického prepínania fáz. Prečo výrobcovia začali vyrábať 24-fázové regulátory napätia, môže si len domyslieť. Nie je v tom zdravý rozum, očividne očakávajú, že zapôsobia na technicky negramotných používateľov, pre ktorých platí „čím viac, tým lepšie“.

Mimochodom, bolo by užitočné poznamenať, že dnes neexistujú žiadne 12- a ešte viac 24-kanálové regulátory PWM, ktoré riadia fázy napájania. Maximálna suma kanálov v PWM regulátoroch je šesť. Preto, keď sa používajú regulátory napätia s viac ako šiestimi fázami, výrobcovia sú nútení inštalovať niekoľko PWM regulátorov, ktoré pracujú synchronizovane. Pripomeňme, že riadiaci signál PWM v každom kanáli má určité oneskorenie vzhľadom na signál PWM v druhom kanáli, ale tieto časové posuny signálu sú implementované v rámci toho istého ovládača. Ukazuje sa, že pri použití napríklad dvoch 6-kanálových PWM regulátorov na organizáciu 12-fázového regulátora napätia sú napájacie fázy riadené jedným regulátorom kombinované v pároch s napájacími fázami riadenými iným regulátorom. To znamená, že prvá výkonová fáza prvého regulátora bude pracovať synchrónne (bez časového posunu) s prvou výkonovou fázou druhého regulátora. Fázy sa budú dynamicky prepínať, pravdepodobne aj v pároch. Vo všeobecnosti nejde o „poctivý“ 12-fázový regulátor napätia, ale skôr o hybridnú verziu 6-fázového regulátora s dvomi kanálmi v každej fáze.

Charakteristické rysy:

• Najmenší konvertor Dual Boost: 16-kolíkový QSOP
• efektívnosť 90 %
• Začnite pri napájaní 1,5 V
• Maximálna celková spotreba prúdu 85 μA
• Spotreba prúdu vo vypnutom režime 1 μA
• Samostatné vypínacie vstupy
• Poháňa dva N-kanálové SMD MOSFETy
• Vstup a výstup komparátora vybitej batérie
• Môže byť použitý ako prevodník na zvýšenie alebo zníženie

Oblasti použitia:

• Prenosné zariadenie s 2- a 3-článkovým napájaním
• organizátori
• Elektronické prekladače
• Prenosné, prenosné prístroje
• Prenosné počítače
• Osobné digitálnych asistentov(PDA)
• Duálne napájanie (logické a LCD napájanie)

Typický spínací obvod:

Usporiadanie kolíkov:

Popis pinu:

Popis:

MAX863 je duálny výstupný DC/DC menič, ktorý obsahuje dva nezávislé regulátory boost v jednom kompaktnom balení. IC je vyrobený pomocou technológie Bi-CMOS a spotrebuje iba 85 uA, keď sú spustené oba ovládače. Minimálne vstupné napájacie napätie je 1,5 V, čo umožňuje použitie tohto IC v organizéroch, prekladačoch a iných nízkoenergetických prenosných zariadeniach. MAX863 poskytuje efektivitu. 90% konverzia pri zaťažovacom prúde od 20 mA do 1A. Tento malý integrovaný obvod je dostupný v 16-kolíkovej verzii. balík QSOP, ktorý zaberá rovnaké rozmery ako 8-pin. SOIC balík.

IC využíva architektúru pulzne frekvenčnej modulácie obmedzujúcu prúd, ktorá sa vyznačuje nízkym rázom štartovacieho prúdu a nízkou spotrebou prúdu, čím poskytuje vysokú účinnosť. transformácie v širokom rozsahu zaťaženia. Každý ovládač poháňa lacný externý N-kanálový MOSFET, ktorý je dimenzovaný tak, aby vyhovoval akémukoľvek výstupnému prúdu alebo napätiu.

Vo výkonnejších systémoch je možné použiť dva MAX863 na generovanie 5V, 3,3V, 12V a 28V len s dvomi alebo tromi batériami ako zdrojom energie. Na urýchlenie času návrhu je k dispozícii hodnotiaca súprava MAX863EVKIT. Ak je potrebný jeden výstupný ovládač, pozrite si dokumentáciu MAX608 a MAX1771.

Touto lekciou začínam sériu článkov o spínacích regulátoroch, digitálnych regulátoroch a zariadeniach na riadenie výstupného výkonu.

Cieľ, ktorý som si stanovil, je vývoj ovládača pre chladničku na Peltierovom článku.

Urobíme analóg môjho vývoja, implementovaný iba na základe dosky Arduino.

• Tento vývoj zaujal mnohých a padali na mňa listy so žiadosťami o jeho implementáciu na Arduino.
• Vývoj je ideálny na štúdium hardvéru a softvéru digitálnych ovládačov. Okrem toho kombinuje mnohé z úloh študovaných v predchádzajúcich lekciách:
  • Meranie analógových signálov;
  • práca s tlačidlami;
  • pripojenie indikačných systémov;
  • meranie teploty;
  • pracovať s EEPROM;
  • spojenie s počítačom;
  • paralelné procesy;
  • a oveľa viac.

Vývoj budem rozvíjať postupne, krok za krokom, vysvetľujúc moje kroky. Aký bude výsledok - neviem. Dúfam v plnohodnotný pracovný projekt ovládača chladničky.

Nemám hotový projekt. Lekcie budem písať podľa aktuálneho stavu, takže pri testoch sa môže ukázať, že som v určitej fáze urobil chybu. opravím. Je to lepšie ako ja ladiť vývoj a vydávať hotové riešenia.

Rozdiely medzi vývojom a prototypom.

Jediným funkčným rozdielom oproti vývoju prototypu na PIC regulátore je absencia rýchleho regulátora napätia, ktorý kompenzuje zvlnenie napájacieho napätia.

Tie. túto možnosť Zariadenie musí byť napájané stabilizovaným napájacím zdrojom s nízkou úrovňou zvlnenia (nie viac ako 5%). Tieto požiadavky spĺňajú všetky moderné impulzné bloky výživa.

A možnosť napájania z nestabilizovaného zdroja (transformátor, usmerňovač, kapacitný filter) je vylúčená. Rýchlosť systému Arduino neumožňuje rýchly regulátor napätia. Odporúčam prečítať si o požiadavkách na výkon Peltierovho prvku.

Vývoj celkovej štruktúry zariadenia.

V tejto fáze musíte pochopiť všeobecné pojmy:

• z akých prvkov sa systém skladá;
• na ktorom ovládači ho vykonať;
• existuje dostatok záverov a funkčnosť ovládač.

Ovládač si predstavujem ako “čiernu skrinku” alebo “odpadkovú jamu” a pripájam k nemu všetko potrebné. Potom sa pozriem, či je napríklad doska vhodná na tieto účely. Arduino UNO R3.

V mojom výklade to vyzerá takto.

Nakreslil som obdĺžnik - ovládač a všetky signály potrebné na prepojenie prvkov systému.

Rozhodol som sa, že sa potrebujem pripojiť k doske:

• LCD indikátor (na zobrazenie výsledkov a režimov);
• 3 tlačidlá (na ovládanie);
• LED indikácia chyby;
• tlačidlo ovládania ventilátora (na zapnutie ventilátora chladiča na horúcej strane);
• kľúč prepínacieho stabilizátora (na nastavenie výkonu Peltierovho prvku);
• analógový vstup na meranie záťažového prúdu;
• analógový vstup na meranie napätia záťaže;
• snímač teploty v komore (presný 1-vodičový snímač DS18B20);
• snímač teploty radiátora (ešte sme sa nerozhodli ktorý snímač, skôr DS18B20 tiež);
• počítačové komunikačné signály.

Celkovo bolo 18 signálov. O dosky arduino UNO R3 príp Arduino NANO 20 záverov. V rezerve ostali ešte 2 závery. Možno budete chcieť pripojiť ďalšie tlačidlo, alebo LED, alebo snímač vlhkosti, alebo ventilátor studenej strany ... Potrebujeme 2 alebo 3 analógové vstupy, doska má 6. To znamená. všetko nám vyhovuje.

Čísla pinov môžete priradiť okamžite, počas vývoja môžete. Ihneď som menoval. Pripojenie prebieha cez konektory, ktoré môžete vždy zmeniť. Majte na pamäti, že priradenia špendlíkov nie sú konečné.

impulzné stabilizátory.

Pre presnú stabilizáciu teploty a prevádzku Peltierovho prvku v optimálnom režime je potrebné nastaviť výkon na ňom. Regulátory sú analógové (lineárne) a impulzné (kľúčové).

Analógové regulátory sú regulačným prvkom a záťažou zapojenou do série so zdrojom energie. Zmenou odporu regulačného prvku sa upravuje napätie alebo prúd na záťaži. Ako regulačný prvok sa spravidla používa bipolárny tranzistor.

Ovládací prvok pracuje v lineárnom režime. Je pridelený "extra" výkon. Pri vysokých prúdoch sú stabilizátory tohto typu veľmi horúce, majú nízku účinnosť. Typickým lineárnym regulátorom napätia je čip 7805.

Táto možnosť nám nevyhovuje. Vyrobíme si pulzný (kľúčový) stabilizátor.

Spínacie stabilizátory sú rôzne. Potrebujeme zostupný spínací regulátor. Záťažové napätie v takýchto zariadeniach je vždy nižšie ako napájacie napätie. Obvod regulátora zostupného spínania vyzerá takto.

A toto je schéma regulátora.

Tranzistor VT pracuje v kľúčovom režime, t.j. môže mať iba dva stavy: otvorený alebo zatvorený. Riadiace zariadenie, v našom prípade mikrokontrolér, spína tranzistor s určitou frekvenciou a pracovným cyklom.

• Keď je tranzistor otvorený, prúd preteká obvodom: napájací zdroj, tranzistorový spínač VT, tlmivka L, záťaž.
• Keď je kľúč otvorený, energia uložená v induktore sa dodáva do záťaže. Obvodom preteká prúd: tlmivka, VD dióda, záťaž.

Konštantné napätie na výstupe regulátora teda závisí od pomeru času otvoreného (topen) a zatvoreného kľúča (tclose), t.j. na pracovnom cykle riadiacich impulzov. Zmenou pracovného cyklu môže mikrokontrolér zmeniť napätie na záťaži. Kondenzátor C vyhladzuje zvlnenie výstupného napätia.

Hlavnou výhodou tohto spôsobu regulácie je vysoká účinnosť. Tranzistor je vždy zapnutý alebo vypnutý. Preto je na ňom rozptýlený malý výkon - vždy je buď napätie na tranzistore blízko nule, alebo prúd je 0.

Ide o klasický spínací obvod regulátora. V ňom sa kľúčový tranzistor odtrhne od spoločného vodiča. Tranzistor je ťažko ovládateľný, čo si vyžaduje špeciálne obvody predpätia na koľajnicu napájacieho napätia.

Tak som zmenil schému. V ňom je záťaž odpojená od spoločného vodiča, ale na spoločný vodič je pripevnený kľúč. Toto riešenie umožňuje ovládať tranzistorový spínač zo signálu mikrokontroléra pomocou jednoduchého prúdového ovládača-zosilňovača.

• Keď je kľúč zatvorený, prúd vstupuje do záťaže cez obvod: napájací zdroj, induktor L, kľúč VT (prúdová dráha je znázornená červenou farbou).
• Keď je kľúč otvorený, energia nahromadená v induktore sa vracia do záťaže cez regeneračnú diódu VD (priebeh prúdu je znázornený modrou farbou).

Praktická implementácia kľúčového regulátora.

Potrebujeme implementovať uzol spínacieho regulátora s nasledujúcimi funkciami:

• skutočný kľúčový ovládač (kľúč, tlmivka, regeneračná dióda, vyhladzovací kondenzátor);
• obvod merania záťažového napätia;
• obvod merania prúdu regulátora;
• hardvérová nadprúdová ochrana.

Prakticky bez zmien som prevzal obvod regulátora z.

Schéma spínacieho regulátora pre prácu s doskou Arduino.

Ako vypínač som použil MOSFET tranzistory IRF7313. V článku o zvýšení výkonu regulátora Peltierovho prvku som podrobne písal o týchto tranzistoroch, o možnej náhrade a o požiadavkách na kľúčové tranzistory pre tento obvod. Tu je odkaz na technickú dokumentáciu.

Na tranzistoroch VT1 a VT2 je zostavený kľúčový ovládač tranzistora MOSFET. Toto je len prúdový zosilňovač, napäťovo dokonca utlmí signál na cca 4,3 V. Preto kľúčový tranzistor musí byť nízkoprahový. Existujú rôzne možnosti implementácie ovládačov MOSFET tranzistory. Vrátane použitia integrovaných ovládačov. Táto možnosť je najjednoduchšia a najlacnejšia.

Na meranie napätia na záťaži sa používa delič R1, R2. Pri takýchto hodnotách odporu a zdroji referenčného napätia 1,1 V je rozsah merania 0 ... 17,2 V. Obvod umožňuje merať napätie na druhej záťažovej svorke vzhľadom na spoločný vodič. Vypočítame napätie pri záťaži, pričom poznáme napätie zdroja energie:

Uload = Usupply - Umerané.

Je jasné, že presnosť merania bude závisieť od stability udržiavania napätia zdroja energie. Ale nepotrebujeme vysokú presnosť pri meraní napätia, prúdu, výkonu záťaže. Musíme presne merať a udržiavať iba teplotu. Zmeriame to s vysokou presnosťou. A ak systém ukáže, že Peltierov prvok má výkon 10 W, ale v skutočnosti to bude 10,5 W, nijako to neovplyvní chod zariadenia. To platí pre všetky ostatné energetické parametre.

Prúd sa meria pomocou odporovo-prúdového snímača R8. Komponenty R6 a C2 tvoria jednoduchý dolnopriepustný filter.

Najjednoduchšia hardvérová ochrana je namontovaná na prvkoch R7 a VT3. Ak prúd v obvode prekročí 12 A, potom napätie na rezistore R8 dosiahne prah otvorenia tranzistora 0,6 V. Tranzistor otvorí a zatvorí kolík RES (reset) mikrokontroléra voči zemi. Všetko by sa malo vypnúť. Bohužiaľ, prah pre takúto ochranu je určený napätím báza-emitor bipolárneho tranzistora (0,6 V). Z tohto dôvodu ochrana funguje iba pri významných prúdoch. Môžete použiť analógový komparátor, ale to skomplikuje obvod.

Prúd bude meraný presnejšie so zvýšením odporu prúdového snímača R8. To však povedie k uvoľneniu významnej sily. Aj pri odpore 0,05 ohmov a prúde 5 A sa na rezistore R8 rozptýli 5 * 5 * 0,05 = 1,25 wattu. Všimnite si, že odpor R8 má výkon 2 watty.

Teraz, aký prúd meriame. Meriame prúdový odber spínacieho regulátora z napájacieho zdroja. Obvod na meranie tohto parametra je oveľa jednoduchší ako obvod na meranie záťažového prúdu. Náš náklad je „odviazaný“ od spoločného drôtu. Aby systém fungoval, je potrebné merať elektrický výkon na Peltierovom článku. Výkon spotrebovaný regulátorom vypočítame vynásobením napájacieho napätia odoberaným prúdom. Predpokladajme, že náš regulátor má účinnosť 100% a rozhodneme, že toto je výkon na Peltierovom článku. V skutočnosti bude účinnosť regulátora 90-95%, ale táto chyba žiadnym spôsobom neovplyvní prevádzku systému.

Komponenty L2, L3, C5 sú jednoduchým RFI filtrom. Možno to nebude potrebné.

Výpočet škrtiacej klapky kľúčového stabilizátora.

Plyn má dva parametre, ktoré sú pre nás dôležité:

• indukčnosť;
• saturačný prúd.

Potrebná indukčnosť tlmivky je určená frekvenciou PWM a prípustným zvlnením prúdu tlmivky. Na túto tému je veľa informácií. Uvediem najjednoduchší výpočet.

Priviedli sme napätie na tlmivku a prúd cez ňu začal zvyšovať prúd. Zvýšenie, ale neprejavilo sa, pretože v momente, keď som bol zapnutý, už cez induktor pretekal nejaký prúd).

Tranzistor je otvorený. Napätie je pripojené k škrtiacej klapke:

Uchoke = Usupply - Uload.

Prúd cez induktor sa začal zvyšovať podľa zákona:

Ichoke = Uchoke * topen / L

• topen - trvanie impulzu verejný kľúč;
• L - indukčnosť.

Tie. hodnota zvlneného prúdu induktora alebo o koľko sa prúd zvýšil počas doby otvorenia kľúča je určená výrazom:

Ioff - Ion = Uchoke * topen / L

Napätie záťaže sa môže zmeniť. A určuje napätie na škrtiacej klapke. Existujú vzorce, ktoré to zohľadňujú. Ale v našom prípade by som bral nasledujúce hodnoty:

• napájacie napätie 12 V;
• minimálne napätie na Peltierovom prvku 5 V;
• znamená maximálne napätie na škrtiacej klapke 12 - 5 \u003d 7 V.

Trvanie impulzu topenia verejného kľúča je určené frekvenciou periódy PWM. Čím je vyššia, tým menšiu indukčnosť potrebuje induktor. Maximálna frekvencia PWM doska Arduino 62,5 kHz. Ako získať takúto frekvenciu vám poviem v nasledujúcej lekcii. My to využijeme.

Zoberme si ten najhorší prípad – PWM sa prepne presne v strede periódy.

• Trvanie periódy 1/62500 Hz = 0,000016 s = 16 µs;
• Trvanie verejného kľúča = 8 µs.

Zvlnenie prúdu v takýchto obvodoch je zvyčajne nastavené na 20% priemerného prúdu. Nezamieňajte so zvlnením výstupného napätia. Sú vyhladené kondenzátormi na výstupe obvodu.

Ak povolíme prúd 5 A, potom vezmeme zvlnenie prúdu 10% alebo 0,5 A.

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

Saturačný prúd induktora.

Všetko na svete má svoje hranice. A plyn tiež. Pri určitom prúde prestáva byť indukčnosťou. Toto je saturačný prúd induktora.

V našom prípade je maximálny prúd induktora definovaný ako priemerný prúd plus zvlnenie, t.j. 5,5 A. Ale je lepšie zvoliť saturačný prúd s rezervou. Ak chceme, aby v tejto verzii obvodu fungovala hardvérová ochrana, tak musí byť aspoň 12 A.

Saturačný prúd je určený vzduchovou medzerou v magnetickom jadre induktora. V článkoch o ovládačoch Peltierových prvkov som hovoril o konštrukcii škrtiacej klapky. Ak začnem túto tému podrobne rozširovať, potom opustíme Arduino, programovanie a neviem, kedy sa vrátime.

Môj plyn vyzerá takto.

Prirodzene, drôt vinutia induktora musí mať dostatočný prierez. Výpočet je jednoduchý - určenie tepelných strát v dôsledku aktívneho odporu vinutia.

Aktívny odpor vinutia:

Ra = ρ * l / S,

• Ra je aktívny odpor vinutia;
• Ρ – rezistivita materiálu, pre meď 0,0175 Ohm mm2/m;
• l je dĺžka vinutia;
• S je prierez drôtu vinutia.

Tepelné straty na aktívnom odpore tlmivky:

Kľúčový regulátor odoberá slušný prúd z napájacieho zdroja a tento prúd by nemal prechádzať doskou Arduino. Schéma ukazuje, že vodiče z napájacieho zdroja sú pripojené priamo k blokovacím kondenzátorom C6 a C7.

Hlavné impulzné prúdy obvodu prechádzajú cez obvod C6, záťaž, L1, D2, R8. Táto reťaz musí byť uzavretá článkami s minimálnou dĺžkou.

Spoločný vodič a napájacia zbernica dosky Arduino sú pripojené k blokovaciemu kondenzátoru C6.

Signálne vodiče medzi doskou Arduino a modulom regulátora kľúča musia mať minimálnu dĺžku. Kondenzátory C1 a C2 je najlepšie umiestniť na konektory k doske.

Zostavil som obvodovú dosku. Spájkované len potrebné komponenty. Vyzerá zostavený obvod mám tak.

Nastavil som PWM na 50% a skontroloval fungovanie obvodu.

• Pri napájaní z počítača doska tvorila dané PWM.
• O s vlastným pohonom Z externého napájania všetko fungovalo skvele. Na škrtiacej klapke sa tvorili impulzy s dobrými predkami, na výstupe bolo stále napätie.
• Keď som súčasne zapol napájanie z počítača aj z externého zdroja, doska Arduino vyhorela.

Moja hlúpa chyba. Poviem vám, aby to nikto neopakoval. Vo všeobecnosti, pripojenie vonkajšia jednotka napájanie musí byť presné, zazvoniť všetky pripojenia.

Stalo sa mi nasledovné. V obvode nebola dióda VD2. Pridal som to po tomto probléme. Myslel som, že doska môže byť napájaná z externého zdroja cez pin Vin. Sám v lekcii 2 napísal, že dosku je možné napájať z externého zdroja cez konektor (signál RWRIN). Ale myslel som, že je to ten istý signál, len na iných konektoroch.