Блок питания с регулировкой напряжения и тока на микроконтроллере

Обновлено: 21.11.2024

Самая важная схема, которую нужно знать и которая почти всегда требуется для каждого робота, независимо от того, новичок вы или продвинутый, — это схема управления источником питания ваших роботов. Вы не можете просто подключить аккумулятор ко всему и ожидать, что он будет работать. Вместо этого есть три вещи, которые должна выполнять ваша схема регулирования мощности: регулировка при заданном напряжении, постоянная подача минимального требуемого количества требуемой мощности и учет дополнительных специальных функций/требований вашего приложения:

1) Регулировать при заданном напряжении.
Для эффективности оптимально было бы использовать источник питания, ближайший (но немного выше) к требуемому входному напряжению. Однако это редко бывает легко или даже осуществимо. Во-первых, разная электроника требует разного напряжения. Для микроконтроллера потребуется 5 В, для двигателей – 12 В, для усилителя напряжения – 20 В и -20 В.

Батареи никогда не имеют постоянного напряжения. Батарея 6 В будет иметь напряжение около 7 В при полной зарядке и может упасть до 3-4 В при разрядке. На этом изображении ниже показано, как типичное напряжение батареи меняется с течением времени.

Таблица типичного срока службы батареи

Микроконтроллеры (и особенно датчики) чувствительны к входному напряжению. Измените напряжение, и произойдут забавные (плохие) вещи. Чтобы исправить это, вам нужно использовать ИС, называемую регулятором напряжения. Что делает регулятор напряжения, так это принимает любое входное напряжение и выдает регулируемое напряжение. Таким образом, если ваша батарея на 7 В, то стабилизатор на 5 В будет выдавать 5 В и выделять много тепла для рассеивания неиспользованной энергии.

Чтобы рассчитать потерянную мощность, используйте это уравнение:

2) Обеспечить минимально необходимое количество энергии.
Суммарная требуемая мощность всех компонентов вашего робота должна быть ниже мощности, которую может обеспечить ваша цепь питания. Если мощность упадет хотя бы на долю секунды ниже требуемой для вашего робота, такие вещи, как микроконтроллер, могут перезагрузиться, или датчики будут давать неверные показания, или моторы не будут работать очень хорошо.

Простым языком:

Энергия, необходимая роботу

Энергия, необходимая роботу > энергия, которую может обеспечить батарея

Как решить эту проблему? Легкий. Определите, какая общая мощность потребуется вашему роботу, экспериментируя, вычисляя уравнения и просматривая спецификации на используемые вами детали.

Если ваша батарея может обеспечить непрерывную подачу 8 ампер, а вашему роботу в худшем случае требуется только 7 ампер, то все в порядке. Но бывают случаи, когда вашему роботу может потребоваться огромное количество тока (например, двигатель внезапно реверсирует при движении на полной скорости), с которым ваш источник питания не может справиться. Чтобы исправить это, вам нужен отдельный «быстродействующий» запас энергии — большой электролитический конденсатор. Вы можете использовать конденсатор для накопления большого количества энергии в периоды простоя, и он может высвободить всю эту энергию почти сразу, когда ваш робот в ней больше всего нуждается. Пример конденсатора, используемого в такой ситуации, можно найти на моей схеме Н-моста.

3) Разрешить дополнительные функции/требования, такие как защита от короткого замыкания, регенерация, отрицательные напряжения и защита от помех.
Если что-то пойдет не так с вашими батареями, это может привести к разливу кислотных химикатов, опасным пожарам или концу света. Ваша схема должна учитывать это. Используйте предохранители.

Некоторые драйверы двигателей имеют функцию регенерации, что означает, что часть энергии можно использовать для подзарядки блока питания. Использование конденсатора, как описано в части 2 выше, более эффективно, чем использование батареи для регенерации, просто потому, что батареи имеют более высокое зарядное сопротивление.

Если вам требуется отрицательное напряжение, просмотрите руководство по генератору отрицательного напряжения.

Одной из проблем, с которыми может столкнуться ваша схема, является высокочастотный шум (плохо). Высокочастотный шум может быть вызван обычными вещами, такими как el-cheapo и/или старые моторы (щетки имеют плохой контакт), радиочастотные помехи и инопланетяне-телепаты. Чтобы исправить это, вы хотите использовать другой конденсатор, но с гораздо меньшим номиналом в фарадах. В части 2 выше описано использование больших конденсаторов для предотвращения низкочастотных помех, поэтому на этот раз вы будете использовать небольшой конденсатор (~ 10–100 нФ) для предотвращения высокочастотных помех.

То, чего вы ждали все это время -

Схема регулирования мощности робота!

* Примечание к этой схеме. Импульсные стабилизаторы имеют падение напряжения 1-2В, а линейные стабилизаторы имеют аналогичное падение напряжения. Если это проблема, подсоедините вход линейного регулятора к входной линии импульсного регулятора (не к выходу).

В питании Arduino есть немного волшебства. Когда я впервые начал с ними работать, для меня это было не очевидно, но у Arduino есть встроенная регулировка.Воспользовавшись этим преимуществом, можно использовать более длинные провода питания, используя источник питания с более высоким напряжением, чем номинальные 5 В или 3,3 В, необходимые микроконтроллеру (MCU) для логических уровней. Некоторые платы Arduino принимают входное напряжение от 6 до 16 В постоянного тока, что значительно выше максимального номинала микроконтроллера, но плата Arduino точно регулирует напряжение питания, а также дополнительную мощность для периферийных устройств Arduino. Я видел, как инженеры-ветераны были сбиты с толку причинами питания Arduino 3,3 В от источника питания 9 В постоянного тока, пока им это не объяснили.

Требования к питанию микроконтроллера

Выбор подходящего источника питания для микроконтроллерных систем часто упускают из виду. В то время как сосредоточенные усилия и предусмотрительность могут быть связаны с деталями самой конструкции, многие проблемы с производительностью и надежностью могут быть связаны с выбором и подключением источника питания. Семейство макетных плат Arduino предлагает решения для этих проблем, но легко ошибиться, не зная, какие варианты доступны при разработке. Это не так просто, как сказать, что Arduino 5 В использует источник питания 5 В постоянного тока, а Arduino 3,3 В использует источник питания 3,3 В постоянного тока.

Требования к питанию Arduino

Многие платы Arduino используют микроконтроллер ATmega328P. Микрочип ATmega328 имеет широкий диапазон допустимых напряжений Vcc. (Vcc — это регулируемое напряжение питания постоянного тока, необходимое для работы ИС, и его часто называют напряжением питания для ИС.) Чаще всего платы Arduino предназначены для работы либо с логикой уровня 3,3 В для низкого энергопотребления, либо с логикой 5 В для быть совместимым с устаревшими логическими устройствами TTL. Примеры, приведенные ниже, относятся к устройствам на 3,3 В пост. тока, для которых более важны требования к источнику питания. Однако те же принципы применимы к устройствам на 5 В постоянного тока.

Пример: Arduino Pro Mini

Во-первых, давайте предположим, что в схеме используется что-то вроде Arduino Pro Mini. Максимальный ток, потребляемый Arduino, составляет 200 мА. Маловероятно, что сам Arduino будет потреблять 200 мА, но давайте предположим, что между Arduino и другими подключенными к нему устройствами они потребляют в общей сложности 200 мА. Техническое описание ATmega328p показывает, что минимальное напряжение высокого логического уровня на выводе составляет 90% от Vcc. Таким образом, если Vcc равно 3,3 В постоянного тока, минимальное напряжение на выводе, которое будет считаться высоким, будет равно 0,9 * 3,3 В постоянного тока = 2,97 В постоянного тока. Любое значение на цифровом выводе ниже 2,97 В находится в неопределенном диапазоне и приведет к непредсказуемым результатам со стороны Arduino.

Между источником питания и Arduino всегда есть некоторое расстояние. Чем больше расстояние, тем больше потеря напряжения в проводке источника питания. Но сколько потеряно? Поскольку 26 AWG является распространенным выбором для проводки маломощных цепей и находится на меньшем конце диапазона калибров проводов, в нем меньше меди. Меньше меди означает меньшую стоимость. Многожильный 26 AWG — хороший выбор из-за гибкости прокладки проводов. 26 AWG достаточно большой, так что он рассчитан на 2,2 А для проводки шасси, что более чем в десять раз превышает потребление тока 200 мА, которое мы указали для максимального тока, потребляемого Arduino для нашей конструкции. Блок питания 3,3 В постоянного тока и калибр 26 AWG кажутся отличным выбором, но давайте рассмотрим его поближе.

Потеря линии источника питания

Качественный провод 26 AWG имеет сопротивление 40,81 Ом на 1000 футов или 40,81 мОм на фут. При токе 200 мА, протекающем по проводам источника питания, у нас будет падение напряжения на каждый провод, как описано ниже. Имейте в виду, что нам нужно провести провод от источника питания к Arduino, а затем обратно к отрицательной стороне источника питания. Мы видим, что на расстоянии десяти футов мы потеряли 5 процентов нашего источника 3,3 В постоянного тока. На высоте 20 футов мы потеряли почти 10 процентов. Это действие снижает напряжение, подаваемое на Arduino, всего до 4,5 В; нижний предел нашего гарантированного максимального высокого напряжения цифровой логики.

Таблица 1: Потери в линии. Расстояние указывает физическое расстояние между платой и ее источником питания. (Источник: автор)

Двадцать футов кажется разумным расстоянием для большинства приложений. Однако до этого момента мы учитывали только сопротивление самого провода.

Контактное сопротивление

Сопротивление контакта часто не принимается во внимание или даже не понимается. Сопротивление провода 26 AWG составляет 40,81 Ом на 1000 футов в зависимости от диаметра поперечного сечения провода. Однако в каждой точке проводки, где мы разместили соединение в проводке, мы создали точку, в которой поперечное сечение пути тока уменьшается, и, следовательно, имеем точку с более высоким сопротивлением.

Сопряжение с круглым соединителем приведет к контакту штифта с корпусом только по касательной. Соединители с лезвиями создают такую же уменьшенную площадь по всей поверхности.Даже винтовой зажим не может соответствовать сопротивлению поперечного сечения самого провода. Учтите, что любое окончание подвержено окислению с течением времени и увеличению сопротивления из-за многократных подключений и отключений проводов в течение срока службы системы. Каждая из этих точек легко может иметь контактное сопротивление 40 мОм. Вот так; каждая точка соединения может добавить сопротивление, эквивалентное 1 футу провода 26 AWG. С двумя соединениями на Arduino и двумя соединениями на источнике питания любая система будет иметь как минимум 4 терминатора. Теперь у нас есть потери источника напряжения 5 процентов на 8 футов и 10 процентов на 18 футов между Arduino и его источником питания.

Таблица 2: Потери в линии и контактное сопротивление

Единый выбор поставок — разные расстояния?

Поэтому при типичной схеме подключения источника питания мы теряем пять процентов напряжения источника 3,3 В между источником питания и Arduino на расстоянии 8 футов и 10 процентов на расстоянии 18 футов. Проще говоря, если бы мы использовали регулируемый источник постоянного тока, мы могли бы увеличить напряжение, чтобы компенсировать потери в линии и контактное сопротивление. Однако блоки питания дороги и занимают много места. Как правило, во встраиваемых системах разработчики стараются иметь общий источник питания для нескольких встроенных контроллеров. Если один контроллер находится в одном футе от источника питания, а последний — в 20 футах от источника питания, разработчику приходится тщательно балансировать, чтобы поддерживать каждый встроенный контроллер в надлежащем диапазоне.

Варианты источника питания Arduino

Конструкции Arduino позволяют обойти проблемы с потерями в линии и контактным сопротивлением источника питания, обеспечивая встроенную регулировку. Однако есть несколько способов питания Arduino, и не все из них обеспечивают встроенную регулировку:

Питание через USB. USB-кабель обычно используется для программирования Arduino через интегрированную среду разработки Arduino (IDE). USB-кабель не только обеспечивает диагностику через последовательный монитор IDE, но также обеспечивает питание 5 В постоянного тока для Arduino через контакт USB Vcc. Питание USB 5 В используется для питания 5 В Arduino напрямую или регулируется, если это 3,3 В Arduino.

Питание 5 В или 3,3 В. Разработчик может подать соответствующее напряжение на контакты питания 5 В или 3,3 В Arduino. Эти контакты подключены непосредственно к контактам питания микроконтроллера на плате Arduino. Однако подача питания на эти контакты приведет к тому, что MCU Arduino станет восприимчивым к потерям в линии и потере контактного сопротивления от источника питания, упомянутого ранее.

Vin или Raw — Arduino может иметь этот контакт с надписью «Vin» или «RAW» в зависимости от используемого варианта Arduino. Распространенной ошибкой является подача на этот вывод источника питания 5 В или 3,3 В. Проблема заключается не только в том, что у вас есть упомянутые ранее потери в линии и контактном сопротивлении, но и в том, что этот контакт является входом для встроенной схемы регулирования. Как и любой регулятор напряжения, вам нужно подавать в устройство немного больше напряжения, чем вы ожидаете получить от него. Если бы мы приложили 3,3 В постоянного тока к Vin, мы потеряли бы около 0,5 В через регулятор. Это означает, что микропроцессор и подключенные периферийные устройства будут работать в лучшем случае только от 2,8 В постоянного тока. В сочетании с нашими отмеченными потерями в линии и потерями сопротивления контактов мы можем работать значительно ниже требуемого уровня напряжения.

Таблица 3: Потери в линии, контактное сопротивление и потери в регуляторе

Контакт V_IN, правильное использование

Несмотря на проблему, описанную выше, использование контактов V_IN или RAW является решением проблемы потери напряжения источника. На плате Arduino контакты V_IN или RAW являются входом для регулятора напряжения на плате Arduino. Все, что нам нужно сделать, это подать напряжение в указанном диапазоне, чтобы получить желаемый регулируемый выход на Arduino. Напряжение питания от 6 В до 12 В постоянного тока, подаваемое на Vin или RAW, будет питать микроконтроллер Arduino, компенсировать любую потерю напряжения на линии или контактном сопротивлении и обеспечивать выходную мощность на контакты 5 В и 3,3 В Arduino для питания периферийных компонентов. Диапазон входного напряжения Arduino основан на требованиях к напряжению на всей плате, включая энергию, необходимую для микроконтроллера для питания периферийных устройств.

Заключение

Стандартные блоки питания в диапазоне от 7 В до 12 В не так распространены, как источники питания 3,3 В или 5 В, но они доступны. Заманчиво использовать более распространенные источники питания 5 В постоянного тока и 3,3 В постоянного тока для плат Arduino, но из фактов, представленных выше, необходимо использовать менее распространенные альтернативы для лучшего регулирования и производительности микроконтроллера.

Блоки питания микроконтроллеров

Я видел много комментариев и рекомендаций относительно источников питания для проектов микроконтроллеров; с некоторыми из них я не согласен и, вероятно, они являются причиной некоторых проблем с надежностью.

Ниже я говорю о небольших микросхемах общего назначения, таких как PIC и чипы Atmel, которые в основном работают от 5 В и требуют от 10 до 50 мА. Некоторые могут работать от более низких напряжений, таких как 3,3 В или 2,5 В. Принципы в основном одинаковые.

Я не имею в виду более сложные источники питания, такие как переключаемые и автономные, или более крупные микросистемы, требующие нескольких напряжений питания и/или значительно большей силы тока.

Что такое блок питания?

Насколько я понимаю, это простой источник надежного низковольтного питания для микро и связанных с ним схем.

Цель

Цель состоит в том, чтобы обеспечить стабильное низковольтное питание микроконтроллера. Работа микроконтроллера не должна зависеть от источника питания. Сам блок питания должен быть надежным и стабильным. Блок питания не должен вызывать проблем во время разработки.

При тестировании и разработке случаются небольшие аварии; нечетное короткое замыкание или провод, вставленный не в то отверстие. Источник питания должен быть ограничен по току, чтобы небольшие аварии не повредили детали.

Не делать

Никогда не используйте аккумулятор без предохранителя; особенно герметичный свинцово-кислотный аккумулятор. Расположите предохранитель как можно ближе к клемме аккумулятора, чтобы он хорошо защищал провода. Многие батареи могут создавать большие токи короткого замыкания; достаточно, чтобы повредить много деликатных схем. Предохранитель никогда не защитит микросхемы и транзисторы, но он предотвратит взрыв и разлет вещей по комнате. Регулятор напряжения ограничивает ток, подаваемый на электронику в случае неисправности. Отметка защищает предохранитель так же, как полупроводник .

Не используйте блок питания ПК для подачи напряжения 5 В или 12 В при проектировании или тестировании небольших схем. Правда, они ограничены по току, но вы действительно хотите, чтобы 35 ампер протекали через ваш чип PICAXE, когда вы случайно что-то замкнули?

Блоки питания для ПК не обеспечивают плавного постоянного тока; он содержит довольно много высокочастотного шума. Небольшой линейный регулятор серии 7805 обеспечит более качественное питание вашего микроконтроллера.

Не отказывайтесь от регулятора в пользу более дешевого последовательного резистора или резистивного делителя напряжения. Питание, подаваемое на микроконтроллер, не будет стабильным и надежным.

Отличный трюк:

При тестировании, когда вы не знаете, что произойдет, и не хотите ничего взрывать, подключите маленькую лампу накаливания последовательно с проводом питания +ve. В случае короткого замыкания или серьезной неисправности лампа загорится и защитит схему. Размер лампы следует выбирать в соответствии с ожидаемой нагрузкой. У поставщиков автозапчастей есть хороший выбор небольших дешевых ламп на 12 В.

Требования к питанию

Для микропроцессора потребуется 5 вольт постоянного тока, вероятно, не более 5–50 мА. Связанная схема может потреблять больший ток, но обычно может работать от той же шины питания + ve 5V, что и микро.

Помните, что небольшие микроконтроллеры в основном представляют собой КМОП-устройства, и, хотя средний ток может составлять несколько миллиампер, источник питания должен обеспечивать пиковые значения в десятки или даже сотни миллиампер для обеспечения непрерывной надежной работы.

Избегайте запуска двигателя, соленоидов, сервоприводов, ламп и т. д. от того же источника питания, что и микроконтроллер. Шум источника питания, создаваемый этими типами нагрузок, может привести к выходу микроконтроллера из строя. Часто можно использовать тот же источник питания, но использовать второй регулятор напряжения для этих других нагрузок.

Источник питания

Питание обычно осуществляется от сети или аккумуляторов.

Блок питания в целом можно разделить на две части; источник питания и местный регулятор. Если местный регулятор правильно спроектирован и изготовлен, источник питания не так важен.

Источником питания может быть простой блок питания переменного или постоянного тока, трансформатор-выпрямитель-конденсатор или батарея. Вам необходимо подать на местный регулятор постоянный ток, который измеряет как минимум на 5 вольт выше регулируемого выходного напряжения.

Я знаю, что в технических характеристиках типичного дешевого стабилизатора указано около 3 В, но это не учитывает дополнительные пульсации и нечетные провалы напряжения, которые могут возникнуть при изменении нагрузки и питания.

Итак; для стабилизатора 5 В вы должны подать на него измеренное напряжение постоянного тока 10 В или более.

Обычный нерегулируемый блок штепсельных вилок на 12 В постоянного тока будет выдавать от 15 до 18 В без подключенной нагрузки. 50 мА вашей микросхемы и схемы уменьшат это значение на пару вольт.

Регуляторы

Существуют различные способы регулирования и получения стабильного напряжения постоянного тока. Это зависит от приложения и того, сколько их производится, но самое простое, как правило, самое дешевое, но также не очень подходит для разработки и экспериментов.

Стандартные стабилизаторы напряжения серии 7800 имеют разумную цену и обеспечивают простые и надежные источники питания при правильном использовании. Мне нравится 78L05 для большинства микропроектов.

Как только ток нагрузки превысит ампер или около того, возникнет множество проблем, усложняющих блок питания. Вы должны учитывать падение напряжения и рассеиваемую мощность, а выбор компонентов и применение становятся гораздо более важными. Гораздо сложнее, чем думает большинство людей, спроектировать долговременный надежный источник питания, обеспечивающий ток более 1 А. Существует удивительное количество доступных коммерческих блоков питания, которые не совсем соответствуют опубликованным спецификациям и имеют проблемы с надежностью.

78L05 и 7805 — хорошие регуляторы для простых микропроектов. Если требуется переменное или другое напряжение, доступен LM317.

Это все линейные регуляторы. Для их надежной работы требуются входные и выходные конденсаторы, расположенные рядом с регулятором. Без этих конденсаторов или если они слишком малы или расположены слишком далеко, регулятор может колебаться на высоких частотах в зависимости от нагрузки и т. д. В таблицах данных даны рекомендации, но я обнаружил, что минимум 100 мкФ на входе и 10 мкФ на выходе. всегда работает.

Мне также нравится включать последовательный диод на входной +ve стороне. Это предотвращает повреждение регулятора или других схем из-за обратной полярности входящего питания. Обычно обычный 1N4007.

Измерение напряжения

Проблема в том, что мультиметры показывают только среднее напряжение постоянного тока. Они не говорят вам о качестве напряжения, подаваемого на микро. Даже если измеритель показывает 4,9 В постоянного тока, микроконтроллер все равно может видеть пики, которые на много вольт выше, и спады, которые намного ниже.

Микросистема на самом деле довольно проста, она очень быстро выполняет список простых инструкций по одной за раз. Мы знаем, что если хотя бы одна инструкция в списке перепутана, это может сбить с курса всю программу. Если для выполнения одной инструкции требуется 1 мкс, а вы питаете микроконтроллер питанием низкого качества с провалами и всплесками продолжительностью более 1 мкс, он обязательно выйдет из строя.

Единственный способ проверить качество электропитания — использовать хороший осциллограф. В противном случае просто приложите все возможные усилия и соберите надежный источник питания со стабилизатором напряжения.

При разработке приложений для встроенных микроконтроллеров одной из самых больших проблем может быть создание источника питания для микроконтроллера, особенно когда единственное доступное напряжение питания значительно превышает максимальное значение V_DD микроконтроллера.

Такие ситуации возникают в различных приложениях, включая бытовую технику, автомобильные приложения и интеллектуальные источники питания с переключением точек нагрузки.

К сожалению, ограничения по стоимости препятствуют использованию трансформатора, а линейные стабилизаторы не могут выдержать 100+ вольт, поэтому уменьшение переменного тока осуществляется парой последовательных резисторов. Затем переменный ток выпрямляется, регулируется стабилитроном и фильтруется. Использование шунтирующего регулятора в качестве стабилитрона позволяет исключить стоимость еще одного компонента в конструкции бестрансформаторного источника питания, а регулятор также более точен, чем стабилитрон.

В автомобильных конструкциях напряжение аккумуляторной батареи обычно составляет 10–13 В постоянного тока, а пики сброса нагрузки достигают 40–50 В. Сброс нагрузки — это скачок напряжения на генераторе, когда фары или другая нагрузка с высоким энергопотреблением выключаются.

Существуют стабилизаторы, предназначенные для работы с такими скачками напряжения, но они недешевы и обычно рассчитаны на ток нагрузки 1 Ампер или более.

Используя шунтирующий регулятор, два резистора равного номинала помещаются последовательно между напряжением батареи и регулятором.В месте соединения двух резисторов установлен стабилитрон в качестве ограничителя напряжения. Обычно напряжение стабилитрона выбирается таким, чтобы оно было на 2–3 В выше нормального напряжения на соединении резистора.

Теперь, когда проходит шип сброса нагрузки, стабилитрон зажимает центральную точку и предотвращает прохождение шипа к регулятору. Это менее затратное решение для защиты от скачков напряжения в сети.

Другим хорошим примером приложения, в котором для питания микроконтроллера используется значительно более высокое напряжение питания, является генератор напряжения смещения в интеллектуальном импульсном источнике питания с точкой нагрузки .

Здесь импульсный источник питания должен иметь некоторый ток смещения для питания как схемы ШИМ, так и микроконтроллера, чтобы он мог принимать управляющие сообщения до подачи питания на выход основного источника питания, а также для начального переключения для генерирования выходного напряжения.

Учитывая, что промежуточное напряжение обычно находится в диапазоне от 24 до 48 В постоянного тока, простой линейный стабилизатор не справится с этой задачей. Поскольку микроконтроллер уже присутствует, он может выполнять плавный пуск, повышать последовательность включения питания, обрабатывать ошибки и обмениваться данными. Объединение двух функций снижает стоимость компонентов и расширяет набор функций регулятора POL. Как правило, лучший и самый быстрый способ решить такие проблемы — использовать шунтирующий регулятор (рис. 1 ниже).

<граница таблицы ="0" ширина ="300">

Ток подается через вход +24 В, а ток нагрузки уходит через выход +5 В. Резистор R1 выбирают таким, чтобы при максимальной нагрузке 5 В падение на R1 составляло примерно 19 В или чуть меньше. Если нагрузка 5 В не потребляет полный ток, падение напряжения на резисторе R1 меньше, а напряжение на выходе +5 В увеличивается.

Шунтовой регулятор определяет повышение напряжения 5 В через резисторный делитель, образованный резисторами R2 и R3, и для компенсации шунтирует ток от линии 5 В на землю. Используя эту систему, регулятор действует как переменный резистор, регулируя собственное значение так, чтобы выходное напряжение на уровне 5 В оставалось постоянным.

Способность регулятора шунтировать ток на землю только ограничивает вариации в системе. Если напряжение +24 В увеличится, регулятору придется шунтировать дополнительный ток, чтобы увеличить падение напряжения на резисторе R1. Если ток нагрузки на +5В уменьшится, шунтирующий стабилизатор должен будет шунтировать дополнительный ток, чтобы поддерживать падение напряжения на R1.

Оба изменения приводят к изменению тока шунта. Если оба варианта достаточно ограничены, так что шунтирующий ток остается в пределах возможностей регулятора, то фактическая величина тока нагрузки не имеет значения. Однако для регулирования более пары 100 миллиампер потребуется, чтобы и напряжение +24 В, и ток нагрузки оставались относительно постоянными.

Более простая версия схемы также может быть построена с помощью стабилитрона (рис. 2 ниже), который берет на себя функцию шунтирующего регулятора, замыкая ток на землю всякий раз, когда напряжение на диоде превышает напряжение его стабилитрона.

<граница таблицы ="0" ширина ="300">

Однако во многих конструкциях более полезным и гибким способом решения таких проблем является интеграция такой схемы шунтирующего регулятора в тот же кристалл, что и микроконтроллер, который обычно также используется в таких приложениях. К преимуществам шунтового регулятора относятся:

1. Простая конструкция, нужен только резистор и шунтирующий конденсатор.

2. Никаких дополнительных контактов на микроконтроллере, только питание и земля.

3. Работа от напряжения более 20 В постоянного тока возможна без специальных (и дорогих) схем регулятора.

4. Резистор и шунтирующий конденсатор образуют RC-фильтр нижних частот, который помогает ограничить шум от источника и кондуктивные шумы от микроконтроллера.

5. Он исключает один или несколько компонентов из конструкции блока питания.

6. Напряжение питания можно использовать для питания других компонентов в цепи.

7. Количество тока, доступного от источника питания, не ограничивается возможностями регулятора. Нагрузочная способность регулятора по току ограничивает только колебания напряжения питания и тока нагрузки.

<р> <большой>8. Для конструкций с большими колебаниями напряжения питания или тока нагрузки можно использовать дополнительные приемы, чтобы удерживать шунтовой регулятор в заданных пределах.

Например, в некоторые микроконтроллеры Microchip встроен 5-вольтовый шунтирующий стабилизатор. По сравнению с использованием такой схемы, как TL431 или стабилитрона, преимущества довольно быстро складываются в пользу высоковольтного микроконтроллера, включающего шунтирующий стабилизатор.

Для TL431 требуются два резистора в дополнение к самому TL431, в то время как для схемы стабилитрона требуется стабилитрон. С другой стороны, для микроконтроллера HV требуются только R1 и C1. Он более точен, чем схема стабилитрона, и требует меньшего количества деталей, чем стабилитрон или TL431. Кроме того, он не требует дополнительных контактов на микроконтроллере, используются только контакты заземления и питания.

Включение встроенного стабилизатора позволяет микроконтроллеру работать при самых разных напряжениях питания. В качестве дополнительного бонуса топология шунтирующего регулятора также позволяет подключать другие схемы, внешние по отношению к микроконтроллеру, для питания от контакта V_DD.

Будь то внешне или как часть внутренней схемы микроконтроллера, включение шунтирующего регулятора может упростить конструкцию цепей управления, которые должны работать при напряжениях выше нормального диапазона напряжения питания микроконтроллера. Схема может даже действовать как источник питания для других активных устройств в цепи. Все, что требуется, — это немного тщательного проектирования и выбора компонентов.

Основы работы шунтирующего регулятора
Шунтовой регулятор создает определенное напряжение питания, создавая падение напряжения на проходном резисторе R_SER . Напряжение на выводе V_DD микроконтроллера отслеживается и сравнивается с внутренним опорным напряжением (см. рисунок 3 ниже)

Ток через резистор затем регулируется на основе результатов сравнения, чтобы получить падение напряжения, равное разнице между напряжением питания V_UNREG и V_{DD микроконтроллера.}

Преимущество шунтового регулятора заключается в том, что напряжение питания, V_UNREG, ограничено только рассеиваемой мощностью и напряжением пробоя внешнего резистора, R_SER, а не мощность или пробивные характеристики регулятора. Сложность проектирования схемы шунтирующего регулятора заключается в выборе соответствующего номинала резистора, чтобы диапазон токов, которым управляет регулятор, обеспечивал правильное падение напряжения, необходимое для получения напряжения питания 5,0 В постоянного тока.

Итак, все, что нам действительно нужно знать, чтобы спроектировать шунтирующий регулятор, — это закон Ома. Проблема в том, что напряжение питания V_UNREG не является постоянным, равно как и ток нагрузки. Кроме того, диапазон тока, в котором регулятор может управлять, также ограничен. Таким образом, выбор R_SER действительно становится уравновешиванием, пытаясь найти сопротивление, которое удовлетворит всем трем требованиям.

<граница таблицы ="0" ширина ="425">

Лучше всего начать процесс проектирования с каталогизации возможных изменений напряжения питания и тока нагрузки. Для наших целей будут использоваться следующие определения:

VU_MIN — это минимальное напряжение питания системы.
VU_MAX — максимальное напряжение питания системы.
ILOAD_MIN — минимальный ток нагрузки, исключая регулятор.
ILOAD_MAX — максимальный ток нагрузки без учета регулятора.

По этим значениям теперь можно определить минимальное и максимальное значения проходного резистора для цепи. Уравнение 1 и уравнение 2 ниже используются для расчета этих значений.

Эти значения, R_MIN и R_MAX, представляют пределы сопротивления проходного резистора. Константа 5,0 В, упомянутая в уравнениях, относится к напряжению V_DD регулятора, константа 4 мА представляет собой минимальный ток регулирования для регулятора, а константа 50 мА представляет собой максимальный ток регулирования регулятора.

Если минимальное значение меньше максимального значения, окончательное значение проходного резистора может быть выбрано из двух пределов. Хорошей практикой проектирования является проверка минимального и максимального тока регулятора. Уравнение 3 и уравнение 4 ниже показывают, как рассчитываются эти значения.

Минимальный ток регулятора должен быть меньше максимального тока нагрузки, а разница должна быть меньше максимального тока регулятора, равного 50 мА. Если нет, проверьте расчеты номинала проходного резистора. Минимальную номинальную мощность проходного резистора теперь можно рассчитать с помощью приведенного ниже уравнения 5. Не забудьте предусмотреть достаточное охлаждение и соответствующий запас при принятии решения об окончательной номинальной мощности.

Не шунтируйте шунтирующий конденсатор.
Следующим шагом является определение подходящего размера шунтирующего конденсатора для данной конструкции. В то время как большинство микроконтроллерных приложений могут использовать «эмпирические» значения для своих шунтирующих конденсаторов, уникальная природа шунтирующего регулятора усложняет выбор.

Прежде всего, комбинация проходного резистора и обходного конденсатора образует непреднамеренную постоянную времени RC, которая ограничивает время нарастания микроконтроллера V_DD. Следовательно, необходимо ограничить размер конденсатора. таким образом, чтобы результирующее время нарастания напряжения питания V_DD было меньше заданного минимального времени нарастания напряжения питания V_DD микроконтроллера.

Например, минимальное время нарастания V_DD микроконтроллера Microchip составляет 0,5 В/мс, пока напряжение питания не превысит 2,1 В (точка срабатывания сброса при включении питания). Таким образом, напряжение питания должно превышать 2,1 В в течение 42 мс (2,1 В/0,5 В/мс). Используя эту информацию и приведенное ниже уравнение 6, можно определить максимальное значение конденсатора.

Развязывающий конденсатор должен быть меньше значения, указанного в уравнении 6, чтобы соответствовать требованиям сброса при включении питания, и больше 0,1/0,047 мкФ для подавления шума. Как правило, значение выбирается ближе к значению 0,1 микрофарад для удобства.

Далее в части 2. Советы и рекомендации по внедрению шунтирующих регуляторов в высоковольтные микроконтроллеры

Кит Кертис (Keith Curtis) — главный инженер по приложениям в отделе безопасности, разработки микроконтроллеров и технологий компании MicrochipTechnology Inc. В этой должности Кит занимается разработкой обучающих и эталонных проектов для включения микроконтроллеров в интеллектуальные конструкции источников питания. Кит также входит в комитет по разработке PMBus и является председателем подкомитета по инструментам разработки PMBus.

Ссылки:
1) AN1035 Проектирование с использованием микроконтроллеров HVMicro
2) AN786, «Соображения по управлению полевыми МОП-транзисторами в сильноточных импульсных регуляторах» (DS00786).
3) AN898, «Определение потребностей MOSFETDriver в приложениях с электроприводом» (DS00898).

Читайте также: