eng
Выпуск #6/2006
И.Смирнов.
Новые микроконтроллеры компании Microchip со встроенным шунтирующим регулятором
Новые микроконтроллеры компании Microchip со встроенным шунтирующим регулятором
Просмотры: 2791
Одна из первостепенных задач, стоящих перед разработчиком встраиваемых микроконтроллерных приложений, – формирование источника питания микроконтроллера. Решение ее особенно актуально, когда доступен только один источник питания на напряжение, большее, чем максимально допустимое напряжение питания микроконтроллера (VDD). Для упрощения разработки встраиваемых приложений компания Microchip Technology предлагает новые микроконтроллеры PIC12HV615 и PIC16HV616 со встроенным 5-В шунт-регулятором, позволяющим им работать при различных значениях напряжения питания без применения внешнего источника. Микроконтроллеры такого типа могут существенно упростить схемотехнику пожарных датчиков, автомобильных электронных систем и телекоммуникационных устройств, приборов с питанием от сети на напряжение 220 В и др. Основная проблема при разработке шунт-регулятора – выбор сопротивления внешнего последовательного резистора, необходимого для получения требуемого напряженич микроконтроллера. Возможны различные цепи питания с использованием встроенного шунтирующего регулятора и разнообразные схемотехнические приемы и трюки, расширяющие возможности применения микроконтроллеров с такими регуляторами.
Особенности новых микросхем
Восьмиразрядные микроконтроллеры со встроенным шунт-регулятором PIC12HV615 и PIC16HV616 (см. таблицу) компании Microchip характеризуются:
· напряжением питания от 2 В (верхнее значение задается программно);
· возможностью внутрисхемного программирования;
· встроенным высокоточным программно-переключаемым генератором (4/8 MГц);
· встроенным 5-В шунт-регулятором;
· диапазоном шунтирования 4-50 мА;
· токами портов I/O 25 мА (втекающий и вытекающий ток).
Основные особенности работы шунт-регулятора
В микроконтроллере с шунт-регулятором напряжение на его входе VDD отслеживается и сравнивается с внутренним опорным напряжением. В зависимости от разницы этих напряжений шунтирующий регулятор устанавливает ток, протекающий через последовательно включенный резистор Rser, таким, чтобы падение напряжения на Rser было равно разности между напряжением питания Vunreg и напряжением VDD (рис.1). Примечательной особенностью шунт-регулятора является то, что напряжение питания Vunreg по сути ограничено только рассеиваемой мощностью и пробивным напряжением внешнего резистора Rser, а не мощностью и пробивными характеристиками самого регулятора. Поэтому, по сути, разработка шунтирующего регулятора сводится к выбору номинального сопротивления последовательно включенного резистора так, чтобы в диапазоне напряжений, которые должен контролировать регулятор, резистор обеспечивал падение напряжения, необходимое для формирования напряжения 5 В. Таким образом, все, что нужно знать для разработки шунтирующего регулятора, – это закон Ома. Проблема заключается в том, что напряжение питания Vunreg не постоянно и не равно требуемому напряжению питания. К тому же напряжение, которое способен контролировать регулятор, также ограничено. Поэтому задача выбора резистора Rser не однозначна. Кроме того, топология регулятора допускает подключение других внешних по отношению к микроконтроллеру цепей и питание их от вывода VDD.
Проектирование
Процесс проектирования лучше всего начать с определения возможного диапазона изменения питающего напряжения и тока нагрузки. Для этого сначала определим граничные минимальные и максимальные значения сопротивления резистора RSER:
...
...
где VU_min – минимально допустимое напряжение питания; VU_max – максимально допустимое напряжение питания; Iload_min – минимальный ток нагрузки, допускаемый регулятором (4 мА), Iload_max – максимальный ток нагрузки, допускаемый регулятором (50 мА); Iload_min – минимальный ток нагрузки, допускаемый регулятором; 5,0 В – напряжение VDD регулятора.
Полученные значения сопротивления резисторов Rmin и Rmax задают диапазон, в котором можно выбирать номинальное сопротивления резистора. При этом следует учесть, что, если минимальное значение сопротивления резистора Rmin больше максимального Rmax, необходимый для регулировки диапазон изменения значений напряжения питания и тока нагрузки не может быть получен с помощью только одного резистора. В этом случае следует использовать следующие схемотехнические подходы:
· уменьшить номинальный диапазон изменения тока нагрузки;
· организовать систему выбора необходимого компонента из нескольких резисторов ;
· уменьшить номинальный диапазон изменения напряжения Vunreg.
Если Rmin < Rmax, номинальное сопротивление резистора может быть выбрано в интервале (Rmin – Rmax). После расчета диапазона возможного изменения номинального сопротивления резистора Rser не лишней будет проверка минимального и максимального токов регулятора (Ireg_mn и Ireg_max), воспользовавшись следующими уравнениями:
...
...
Собственно проверка заключается в установлении того факта, что максимальный ток регулятора больше минимального (Ireg_min < Ireg_max), а их разница меньше максимального тока нагрузки Iload_max = 50 мА. Если это не так, то нужно перепроверить расчет резистора.
Минимальная номинальная мощность резистора PMIN может быть вычислена с помощью следующего выражения:
...
При выборе конечного значения мощности, не стоит забывать про охлаждение и следует предусмотреть некоторый запас по этому параметру.
Следующий шаг – выбор значения емкости конденсатора источника питания. Многие микроконтроллерные приложения допускают приближенный выбор номинальной емкости такого конденсатора, однако особые свойства шунт-регулятора осложняют этот выбор. Прежде всего, резистор и конденсатор образуют RC-цепочку, которая ограничивает время нарастания напряжения питания микроконтроллера VDD. Поэтому необходимо ограничить максимальное значение емкости конденсатора так, чтобы время нарастания напряжения VDD было меньше значения этого показателя, заданного для микроконтроллера.
Минимальная скорость нарастания напряжения питания VDD для контроллеров компании Microchip составляет 0,5 В/мс, до тех пор пока напряжение не достигнет значения 2,1 В (Power-on Reset trip point – точка восстановления питания). Таким образом, питание должно достичь 2,1 В за 42 мс (2,1/0,5 мс). Исходя из вышесказанного, максимальное значение емкости конденсатора Cmax может быть вычислено по следующей формуле:
...
Таким образом, емкость конденсатора шунт-регулятора должна быть меньше значения, рассчитанного по формуле (6), чтобы удовлетворять заданным требованиям по нарастанию питания, но больше 0,1–0,047 мкФ – для подавления пульсаций и помех.
Схемотехнические приемы и трюки, расширяющие возможности использования шунт-регулятора
Как было отмечено выше, для того чтобы обходиться одним резистором, приходится уменьшать либо диапазон возможных изменений тока нагрузки, либо диапазон возможных изменений напряжения питания Vunreg. Для преодоления существующих ограничений и увеличения диапазона питающего напряжения и тока нагрузки, рассмотрим несколько приемов, позволяющих расширить возможности применения контроллеров со встроенным шунт-регулятором.
Прием 1. Нагрузочные резисторы. Один из методов уменьшения вариаций значений тока нагрузки – подключение нагрузочных резисторов к свободным выводам контроллера (рис.2). При установке высокого уровня на соответствующих выводах микроконтроллера ток нагрузки ILOAD увеличивается.
Прием 2. Ключи с открытым коллектором. Еще один способ уменьшения возможных вариаций тока нагрузки – управление нагрузкой при помощи ключей с открытым коллектором (рис.3).
Прием 3. Ключи с открытым стоком. Этот метод уменьшения максимального тока нагрузки в основном схож с методом 2, за исключением того, что управление ключом не требует непрерывного тока смещения (рис. 4). Кроме того, падение напряжения через МОП-транзистор в открытом состоянии значительно ниже, чем у биполярного транзистора. Благодаря отсутствию необходимости непрерывного смещения базы ток нагрузки уменьшается, а снижение падения напряжения ключа во включенном состоянии приводит к тому, что на выход передается больше энергии.
Однако недостаток применения МОП-транзистора – увеличение на определенных частотах значения тока, требуемого для заряда или разряда емкости затвора, до нескольких ампер. Поэтому решение вопроса об использовании биполярного или МОП-транзистора основывается на выборе между такими параметрами, как ток смещения и падение напряжения, с одной стороны, и дополнительными требованиями к току, необходимому для переключения МОП-транзистора, – с другой.
Прием 4. Управление с использованием триаков. В системах управления нагрузками переменного тока в качестве выходного драйвера часто используется триак. Несмотря на то что триаки известны уже много-много лет, некоторые инженеры до конца не знают их возможности и не используют в своих разработках все их достоинства. Так, одно из наиболее значимых усовершенствований этих приборов – создание так называемых триаков с чувствительными затворами, работающих с гораздо меньшими токами затвора, чем обычные триаки. Уменьшение управляющего тока означает, что триаки смогут хорошо работать не только в первой и третьей четвертях, но и во второй и четвертой четвертях, расширяя возможности управления для разработчиков (рис.5).
Применение триаков с чувствительным затвором в системах на основе контроллеров с шунтирующим регулятором имеет следующие достоинства:
· уменьшение токов затвора, которые должен выдавать микроконтроллер для управления триаком;
· уменьшение токов удержания, что сокращает время управления контроллером затвором в течение каждого периода переменного напряжения;
· включение триака как положительным, так и отрицательным током затвора благодаря работе микроконтроллера во всех четвертях симистора.
Другое усовершенствование триаков – уменьшение значения тока удержания, т.е. минимального рабочего тока, при котором триак защелкивается.
Прием 5. Использование портов I/O для питания VDD. В системах с внешними цепями для сокращения энергопотребления желательно отключать неиспользуемые цепи. Если требуемое значение тока цепи меньше максимально возможного тока GPIO-выводов микроконтроллера (обычно 20 мА), эту цепь можно питать непосредственно от GPIO-портов (рис.6). Это позволяет программно управлять питанием цепи, подавая его по мере необходимости и отключая, когда часть схемы в данный момент не задействована. Если ток, необходимый для управления, больше возможного тока GPIO-порта, можно подключить внешний транзистор для усиления тока вывода.
Другая возможность – использовать выводы GPIO для управления входами "Shutdown" (выключения) и "Enable" (разрешение) активных устройств цепи (ОУ, АЦП, фильтров или ЦАП) (рис.6).
Прием 6. Требования к переходным режимам. Один из путей решения проблемы токов в переходных режимах – "перезагрузка" напряжения питания VDD. Падение напряжения питания VDD может быть уменьшено за счет увеличения номинальной емкости используемого конденсатора. Это также приводит к увеличению времени, необходимого системе для восстановления после перезагрузки. Поэтому необходимо выбирать оптимальное значение емкости конденсатора с учетом спада напряжения и времени его восстановления. Значение спада напряжения питания Vu_min, которое выдержит система, и время Trecover, требуемое для восстановления напряжения питания после спада, можно рассчитать по следующим формулам:
...
...
Прием 7. Применение альтернативного резистора. Следующий метод получения широкого диапазона значений напряжения и тока нагрузки при формировании питания состоит в изменении значений сопротивления резистора (рис.7). Согласно этому методу, резистор программно шунтируется резистором с более низким сопротивлением. Когда уровень сигнала на выводе GPIO высокий, транзисторный ключ с открытым коллектором (Q1) устанавливает низкое напряжение базы транзисторного ключа Q2, что, в свою очередь, открывает Q2, и резистор R1 шунтируется резистором R2 с меньшим сопротивлением. В результате ток контроллера и цепей, питающихся от VDD, возрастает. При переходе цепи в режим низкого энергопотребления уровень вывода GPIO становится низким, оба транзистора закрываются, и ток протекает через резистор R1. Тем самым потребление тока системой сокращается.
Такая система имеет, по сути, два источника питания: один, обеспечивающий минимальный и максимальный ток в режиме "низкого потребления", второй – минимальный и максимальный ток в режиме "высокого потребления". Таким образом, в режиме низкого потребления используется резистор R1, в режиме высокого – резистор R2.
Применение такой системы позволяет получить хорошее решение проблемы, когда минимальное расчетное значение сопротивления резистора Rmin из выражения (1) больше максимального Rmax выражения (2).
Замечание: Значения напряжения пробоя транзисторов Q1 и Q2 должны быть больше Vunreg.
Прием 8. Увеличение тока с помощью последовательно включенного транзистора. С выхода последовательно включенного внешнего транзистора управляемого шунт-регулятором микроконтроллера можно получить большую мощность (рис.8). В этом случае транзистор, по сути, является последовательным регулятором, суммирующим опорное напряжение контроллера и прямое напряжение диода и формирует на выходе напряжение в 4,9–5,2 В. При этом транзисторы выбираются, исходя из двух параметров: падения напряжения, необходимого для управления напряжением питания, и мощности рассеивания с учетом возможного диапазона изменения напряжения источника питания.
Прием 9. Уменьшение диапазона Vunreg с помощью вторичного дискретного шунтирующего регулятора. В предыдущих примерах рассматривались методы уменьшения диапазона тока нагрузки и методы организации выбора последовательного пропускающего резистора. Существует и метод уменьшения диапазона изменения номинального напряжения Vunreg. Поэтому в заключение рассмотрим метод ограничения интервала [VU_min, VU_max] за счет регулировки высокой составляющей напряжения Vser другим шунтирующим регулятором, выполненным на стабилитроне (рис.9). Два резистора RHI и RSER образуют делитель напряжения с напряжением в средней точке Uср, удерживаемым напряжением стабилитрона. Увеличение Vunreg вызывает увеличение тока через RHI и в результате рост падения напряжения на нем. Таким образом напряжение средней точки поддерживается относительно постоянным. Это приводит к уменьшению диапазона изменения напряжения, который может отслеживать RSER и вторичный шунт-регулятор, упрощая тем самым выбор резистора RSER.
Разработка шунтирующего регулятора на высокое напряжение аналогична разработке регулятора микроконтроллера. Наибольшее и наименьшее значения Vunreg, как и наибольшие и наименьшие токи нагрузки, указываются в технической документации (на микроконтроллер, шунтирующий регулятор и дополнительные нагрузки). Стабилитрон выбирается на основе значений напряжения ВАХ приблизительно в интервале между VUNREG_MIN и VDD.
Необходимо учитывать рассеиваемую мощность стабилитрона и шунтирующего регулятора. Используя полученный из спецификации максимальный ток стабилитрона, минимальное и максимальное значения RHI можно вычислить с помощью следующих модифицированных с учетом напряжения Vzener выражений (1) и (2):
...
...
Если значение RHI стабилитрона не может быть подобрано в пределах этого диапазона, можно выбрать более мощный стабилитрон с большим значением IZENER_MAX или сниженным до VDD значением напряжения. Если не удается подобрать соответствующие значения тока или напряжения, а также если мощность рассеивания стабилитрона или RHI слишком велики, а другие рассмотренные методы окажутся неприемлемыми, то для кардинального решения проблемы, возможно, понадобиться применить импульсный регулятор. Однако, если все же удастся подобрать RHI и стабилитрон, на следующем этапе, исходя из значений Vunreg и RHI, следует определить диапазон изменения тока стабилитрона Izener.
...
...
Задавшись значениями минимального и максимального тока стабилитрона Izener_min и Izener_max, с помощью ВАХ стабилитрона можно оценить минимальное и максимальное значения напряжения средней точки Vср_min и Vср_max (рис.10):
Заменив в формулах (1) и (2) значения VU_MIN и VU_MAX,полученными значениями Vmid_min и Vmid_max можно рассчитать RSER. Далее процедура разработки шунтирующего регулятора на высокое напряжение абсолютно аналогична рассмотренной выше.
Применение встроенного в микроконтроллер шунт-регулятора упрощает разработку различных схем контроля и управления, оперирующих напряжениями большими, чем напряжение питания контроллера. Микроконтроллеры со встроенным регулятором могут использоваться в системах управления сетевым напряжением (диммеры, интеллектуальные устройства), в автомобильных устройствах, распределенных системах контроля и управления с питанием от шлейфа, а также в качестве источника питания других активных устройств.
Восьмиразрядные микроконтроллеры со встроенным шунт-регулятором PIC12HV615 и PIC16HV616 (см. таблицу) компании Microchip характеризуются:
· напряжением питания от 2 В (верхнее значение задается программно);
· возможностью внутрисхемного программирования;
· встроенным высокоточным программно-переключаемым генератором (4/8 MГц);
· встроенным 5-В шунт-регулятором;
· диапазоном шунтирования 4-50 мА;
· токами портов I/O 25 мА (втекающий и вытекающий ток).
Основные особенности работы шунт-регулятора
В микроконтроллере с шунт-регулятором напряжение на его входе VDD отслеживается и сравнивается с внутренним опорным напряжением. В зависимости от разницы этих напряжений шунтирующий регулятор устанавливает ток, протекающий через последовательно включенный резистор Rser, таким, чтобы падение напряжения на Rser было равно разности между напряжением питания Vunreg и напряжением VDD (рис.1). Примечательной особенностью шунт-регулятора является то, что напряжение питания Vunreg по сути ограничено только рассеиваемой мощностью и пробивным напряжением внешнего резистора Rser, а не мощностью и пробивными характеристиками самого регулятора. Поэтому, по сути, разработка шунтирующего регулятора сводится к выбору номинального сопротивления последовательно включенного резистора так, чтобы в диапазоне напряжений, которые должен контролировать регулятор, резистор обеспечивал падение напряжения, необходимое для формирования напряжения 5 В. Таким образом, все, что нужно знать для разработки шунтирующего регулятора, – это закон Ома. Проблема заключается в том, что напряжение питания Vunreg не постоянно и не равно требуемому напряжению питания. К тому же напряжение, которое способен контролировать регулятор, также ограничено. Поэтому задача выбора резистора Rser не однозначна. Кроме того, топология регулятора допускает подключение других внешних по отношению к микроконтроллеру цепей и питание их от вывода VDD.
Проектирование
Процесс проектирования лучше всего начать с определения возможного диапазона изменения питающего напряжения и тока нагрузки. Для этого сначала определим граничные минимальные и максимальные значения сопротивления резистора RSER:
...
...
где VU_min – минимально допустимое напряжение питания; VU_max – максимально допустимое напряжение питания; Iload_min – минимальный ток нагрузки, допускаемый регулятором (4 мА), Iload_max – максимальный ток нагрузки, допускаемый регулятором (50 мА); Iload_min – минимальный ток нагрузки, допускаемый регулятором; 5,0 В – напряжение VDD регулятора.
Полученные значения сопротивления резисторов Rmin и Rmax задают диапазон, в котором можно выбирать номинальное сопротивления резистора. При этом следует учесть, что, если минимальное значение сопротивления резистора Rmin больше максимального Rmax, необходимый для регулировки диапазон изменения значений напряжения питания и тока нагрузки не может быть получен с помощью только одного резистора. В этом случае следует использовать следующие схемотехнические подходы:
· уменьшить номинальный диапазон изменения тока нагрузки;
· организовать систему выбора необходимого компонента из нескольких резисторов ;
· уменьшить номинальный диапазон изменения напряжения Vunreg.
Если Rmin < Rmax, номинальное сопротивление резистора может быть выбрано в интервале (Rmin – Rmax). После расчета диапазона возможного изменения номинального сопротивления резистора Rser не лишней будет проверка минимального и максимального токов регулятора (Ireg_mn и Ireg_max), воспользовавшись следующими уравнениями:
...
...
Собственно проверка заключается в установлении того факта, что максимальный ток регулятора больше минимального (Ireg_min < Ireg_max), а их разница меньше максимального тока нагрузки Iload_max = 50 мА. Если это не так, то нужно перепроверить расчет резистора.
Минимальная номинальная мощность резистора PMIN может быть вычислена с помощью следующего выражения:
...
При выборе конечного значения мощности, не стоит забывать про охлаждение и следует предусмотреть некоторый запас по этому параметру.
Следующий шаг – выбор значения емкости конденсатора источника питания. Многие микроконтроллерные приложения допускают приближенный выбор номинальной емкости такого конденсатора, однако особые свойства шунт-регулятора осложняют этот выбор. Прежде всего, резистор и конденсатор образуют RC-цепочку, которая ограничивает время нарастания напряжения питания микроконтроллера VDD. Поэтому необходимо ограничить максимальное значение емкости конденсатора так, чтобы время нарастания напряжения VDD было меньше значения этого показателя, заданного для микроконтроллера.
Минимальная скорость нарастания напряжения питания VDD для контроллеров компании Microchip составляет 0,5 В/мс, до тех пор пока напряжение не достигнет значения 2,1 В (Power-on Reset trip point – точка восстановления питания). Таким образом, питание должно достичь 2,1 В за 42 мс (2,1/0,5 мс). Исходя из вышесказанного, максимальное значение емкости конденсатора Cmax может быть вычислено по следующей формуле:
...
Таким образом, емкость конденсатора шунт-регулятора должна быть меньше значения, рассчитанного по формуле (6), чтобы удовлетворять заданным требованиям по нарастанию питания, но больше 0,1–0,047 мкФ – для подавления пульсаций и помех.
Схемотехнические приемы и трюки, расширяющие возможности использования шунт-регулятора
Как было отмечено выше, для того чтобы обходиться одним резистором, приходится уменьшать либо диапазон возможных изменений тока нагрузки, либо диапазон возможных изменений напряжения питания Vunreg. Для преодоления существующих ограничений и увеличения диапазона питающего напряжения и тока нагрузки, рассмотрим несколько приемов, позволяющих расширить возможности применения контроллеров со встроенным шунт-регулятором.
Прием 1. Нагрузочные резисторы. Один из методов уменьшения вариаций значений тока нагрузки – подключение нагрузочных резисторов к свободным выводам контроллера (рис.2). При установке высокого уровня на соответствующих выводах микроконтроллера ток нагрузки ILOAD увеличивается.
Прием 2. Ключи с открытым коллектором. Еще один способ уменьшения возможных вариаций тока нагрузки – управление нагрузкой при помощи ключей с открытым коллектором (рис.3).
Прием 3. Ключи с открытым стоком. Этот метод уменьшения максимального тока нагрузки в основном схож с методом 2, за исключением того, что управление ключом не требует непрерывного тока смещения (рис. 4). Кроме того, падение напряжения через МОП-транзистор в открытом состоянии значительно ниже, чем у биполярного транзистора. Благодаря отсутствию необходимости непрерывного смещения базы ток нагрузки уменьшается, а снижение падения напряжения ключа во включенном состоянии приводит к тому, что на выход передается больше энергии.
Однако недостаток применения МОП-транзистора – увеличение на определенных частотах значения тока, требуемого для заряда или разряда емкости затвора, до нескольких ампер. Поэтому решение вопроса об использовании биполярного или МОП-транзистора основывается на выборе между такими параметрами, как ток смещения и падение напряжения, с одной стороны, и дополнительными требованиями к току, необходимому для переключения МОП-транзистора, – с другой.
Прием 4. Управление с использованием триаков. В системах управления нагрузками переменного тока в качестве выходного драйвера часто используется триак. Несмотря на то что триаки известны уже много-много лет, некоторые инженеры до конца не знают их возможности и не используют в своих разработках все их достоинства. Так, одно из наиболее значимых усовершенствований этих приборов – создание так называемых триаков с чувствительными затворами, работающих с гораздо меньшими токами затвора, чем обычные триаки. Уменьшение управляющего тока означает, что триаки смогут хорошо работать не только в первой и третьей четвертях, но и во второй и четвертой четвертях, расширяя возможности управления для разработчиков (рис.5).
Применение триаков с чувствительным затвором в системах на основе контроллеров с шунтирующим регулятором имеет следующие достоинства:
· уменьшение токов затвора, которые должен выдавать микроконтроллер для управления триаком;
· уменьшение токов удержания, что сокращает время управления контроллером затвором в течение каждого периода переменного напряжения;
· включение триака как положительным, так и отрицательным током затвора благодаря работе микроконтроллера во всех четвертях симистора.
Другое усовершенствование триаков – уменьшение значения тока удержания, т.е. минимального рабочего тока, при котором триак защелкивается.
Прием 5. Использование портов I/O для питания VDD. В системах с внешними цепями для сокращения энергопотребления желательно отключать неиспользуемые цепи. Если требуемое значение тока цепи меньше максимально возможного тока GPIO-выводов микроконтроллера (обычно 20 мА), эту цепь можно питать непосредственно от GPIO-портов (рис.6). Это позволяет программно управлять питанием цепи, подавая его по мере необходимости и отключая, когда часть схемы в данный момент не задействована. Если ток, необходимый для управления, больше возможного тока GPIO-порта, можно подключить внешний транзистор для усиления тока вывода.
Другая возможность – использовать выводы GPIO для управления входами "Shutdown" (выключения) и "Enable" (разрешение) активных устройств цепи (ОУ, АЦП, фильтров или ЦАП) (рис.6).
Прием 6. Требования к переходным режимам. Один из путей решения проблемы токов в переходных режимах – "перезагрузка" напряжения питания VDD. Падение напряжения питания VDD может быть уменьшено за счет увеличения номинальной емкости используемого конденсатора. Это также приводит к увеличению времени, необходимого системе для восстановления после перезагрузки. Поэтому необходимо выбирать оптимальное значение емкости конденсатора с учетом спада напряжения и времени его восстановления. Значение спада напряжения питания Vu_min, которое выдержит система, и время Trecover, требуемое для восстановления напряжения питания после спада, можно рассчитать по следующим формулам:
...
...
Прием 7. Применение альтернативного резистора. Следующий метод получения широкого диапазона значений напряжения и тока нагрузки при формировании питания состоит в изменении значений сопротивления резистора (рис.7). Согласно этому методу, резистор программно шунтируется резистором с более низким сопротивлением. Когда уровень сигнала на выводе GPIO высокий, транзисторный ключ с открытым коллектором (Q1) устанавливает низкое напряжение базы транзисторного ключа Q2, что, в свою очередь, открывает Q2, и резистор R1 шунтируется резистором R2 с меньшим сопротивлением. В результате ток контроллера и цепей, питающихся от VDD, возрастает. При переходе цепи в режим низкого энергопотребления уровень вывода GPIO становится низким, оба транзистора закрываются, и ток протекает через резистор R1. Тем самым потребление тока системой сокращается.
Такая система имеет, по сути, два источника питания: один, обеспечивающий минимальный и максимальный ток в режиме "низкого потребления", второй – минимальный и максимальный ток в режиме "высокого потребления". Таким образом, в режиме низкого потребления используется резистор R1, в режиме высокого – резистор R2.
Применение такой системы позволяет получить хорошее решение проблемы, когда минимальное расчетное значение сопротивления резистора Rmin из выражения (1) больше максимального Rmax выражения (2).
Замечание: Значения напряжения пробоя транзисторов Q1 и Q2 должны быть больше Vunreg.
Прием 8. Увеличение тока с помощью последовательно включенного транзистора. С выхода последовательно включенного внешнего транзистора управляемого шунт-регулятором микроконтроллера можно получить большую мощность (рис.8). В этом случае транзистор, по сути, является последовательным регулятором, суммирующим опорное напряжение контроллера и прямое напряжение диода и формирует на выходе напряжение в 4,9–5,2 В. При этом транзисторы выбираются, исходя из двух параметров: падения напряжения, необходимого для управления напряжением питания, и мощности рассеивания с учетом возможного диапазона изменения напряжения источника питания.
Прием 9. Уменьшение диапазона Vunreg с помощью вторичного дискретного шунтирующего регулятора. В предыдущих примерах рассматривались методы уменьшения диапазона тока нагрузки и методы организации выбора последовательного пропускающего резистора. Существует и метод уменьшения диапазона изменения номинального напряжения Vunreg. Поэтому в заключение рассмотрим метод ограничения интервала [VU_min, VU_max] за счет регулировки высокой составляющей напряжения Vser другим шунтирующим регулятором, выполненным на стабилитроне (рис.9). Два резистора RHI и RSER образуют делитель напряжения с напряжением в средней точке Uср, удерживаемым напряжением стабилитрона. Увеличение Vunreg вызывает увеличение тока через RHI и в результате рост падения напряжения на нем. Таким образом напряжение средней точки поддерживается относительно постоянным. Это приводит к уменьшению диапазона изменения напряжения, который может отслеживать RSER и вторичный шунт-регулятор, упрощая тем самым выбор резистора RSER.
Разработка шунтирующего регулятора на высокое напряжение аналогична разработке регулятора микроконтроллера. Наибольшее и наименьшее значения Vunreg, как и наибольшие и наименьшие токи нагрузки, указываются в технической документации (на микроконтроллер, шунтирующий регулятор и дополнительные нагрузки). Стабилитрон выбирается на основе значений напряжения ВАХ приблизительно в интервале между VUNREG_MIN и VDD.
Необходимо учитывать рассеиваемую мощность стабилитрона и шунтирующего регулятора. Используя полученный из спецификации максимальный ток стабилитрона, минимальное и максимальное значения RHI можно вычислить с помощью следующих модифицированных с учетом напряжения Vzener выражений (1) и (2):
...
...
Если значение RHI стабилитрона не может быть подобрано в пределах этого диапазона, можно выбрать более мощный стабилитрон с большим значением IZENER_MAX или сниженным до VDD значением напряжения. Если не удается подобрать соответствующие значения тока или напряжения, а также если мощность рассеивания стабилитрона или RHI слишком велики, а другие рассмотренные методы окажутся неприемлемыми, то для кардинального решения проблемы, возможно, понадобиться применить импульсный регулятор. Однако, если все же удастся подобрать RHI и стабилитрон, на следующем этапе, исходя из значений Vunreg и RHI, следует определить диапазон изменения тока стабилитрона Izener.
...
...
Задавшись значениями минимального и максимального тока стабилитрона Izener_min и Izener_max, с помощью ВАХ стабилитрона можно оценить минимальное и максимальное значения напряжения средней точки Vср_min и Vср_max (рис.10):
Заменив в формулах (1) и (2) значения VU_MIN и VU_MAX,полученными значениями Vmid_min и Vmid_max можно рассчитать RSER. Далее процедура разработки шунтирующего регулятора на высокое напряжение абсолютно аналогична рассмотренной выше.
Применение встроенного в микроконтроллер шунт-регулятора упрощает разработку различных схем контроля и управления, оперирующих напряжениями большими, чем напряжение питания контроллера. Микроконтроллеры со встроенным регулятором могут использоваться в системах управления сетевым напряжением (диммеры, интеллектуальные устройства), в автомобильных устройствах, распределенных системах контроля и управления с питанием от шлейфа, а также в качестве источника питания других активных устройств.
Отзывы читателей
