10 probleme ale driver-elor pentru LED-uri rezolvate de PIC12HV752

5 NOIEMBRIE 2013

În cel mai bun stil numerologic, acest articol va prezenta topul celor 10 motive pentru care inginerii de control embedded îndrăgesc sau vor îndrăgi acest mic şi economic microcontroler cu 8 pini. Articolul prezintă fiecare punct ca o soluţie la o problemă specifică cu constrângeri de buget, cu spiritul practic al unui proiectant de drivere pentru LED-uri.

Introducere

PIC12HV752 este un microcontroler de semnal mixt mic şi economic, proiectat special pentru a mulţumi proiectanţii de soluţii de iluminare cu LED-uri. Pentru a fi mai exacţi, această clasă de ingineri caută soluţii SSL (Solid State Lighting) noi şi inovative pentru a obţine eficienţe energetice mai ridicate. Ei doresc de asemenea să evidenţieze companiile lor prin adău­garea de “inteligenţă iluminării”. Indiferent de modali­tatea în care vor să acţioneze: furnizând capabilităţi de comunicare, detecţii avansate, intrări tactile sau doar mai multă flexibilitate, noua cerinţă cheie este prezenţa unui “creier” sub forma unui mic microcontroler bazat pe flash. Din nefericire (sau din fericire?), de vreme ce aceste aplicaţii au potenţialul unor vo­lume de producţie cu adevărat mari, se acordă întotdeauna o extremă atenţie costului total al soluţiei şi adesea şi dimensiunii.

Convertor coborâtor de tensiune pentru LED-uri

Flyback offline

Nu trebuie să surprindă că toate caracteristicile prezentate în următoarele 10 puncte translatează eventual într-un cost semnificativ ŞI o reducere de dimensiune a circuitului global. Pentru simplitate, majoritatea consideraţiilor din acest articol se vor face cu privire la o topologie cu convertor coborâtor de tensiune sau convertor flyback. Cu toate acestea, experţii dvs. vor putea cu uşurinţă să facă legătura cu topologia aleasă de ei (mai avansată). Să începem!

#1 Alimentare direct cu tensiune ridicată

Primul lucru ce vine în minte atunci când ne gândim la adăugarea unui microcontroler la ceea ce altfel ar putea fi un simplu circuit convertor dc/dc (analogic) este acela că aceste MCU pot fi pretenţioase în legătură cu alimentarea proprie. Veţi fi bucuroşi să auziţi că utilizând PIC12HV752 nu trebuie să vă faceţi griji cu privire la furnizarea unei tensiuni de linie de 5V stabilizată.
“HV” din codul producătorului indică faptul că dispozi­tivul integrează pe cip un stabilizator.

Figura 1

Puteţi plasa doar o simplă rezistenţă în serie şi apoi vă puteţi lega direct la intrarea de înaltă tensiune. Şuntul (ope­rând similar unei diode Zener) va regla cantitatea de curent absorbit după cum este necesar pentru a lăsa suficientă cădere de tensiune pe rezistenţă pentru a garanta că nu mai mult de 5V (±10%) vor fi prezenţi pe terminalele (Vdd-GND). Există o cantitate minimă de curent necesară pentru a produce o sursă stabili­zată bună: 1 mA pe întreg domeniul de temperatură de la -40 la +85°C. Altfel decât aceasta sunteţi liberi să aplicaţi Legea lui Ohm pentru a determina cea mai mică rezistenţă ne­cesară, precum şi puterea sa.
Pentru a nu fi necesare componente externe, PIC12HV752 include un circuit de reiniţializare a alimentării pentru o secvenţă corectă de pornire a ali­-men­tării şi un circuit de detecţie a căderii alimentării pentru a garanta si­guranţa operării când alimentarea se face după un ciclu.

#2 Monitorizarea tensiunii de alimentare

Pe lângă condiţiile de pornire a alimentării şi ciclurile de alimentare, există un număr de motive pentru care veţi avea nevoie de o referinţă de tensiune absolută. Acesta este motivul

Figura 2a: Monitorizarea tensiunii de alimentare

Figura 2b: Monitorizarea tensiunii de alimentare

pentru care PIC12HV752 include FVR (referinţă de tensiune fixă) cu o ieşire nominală 1,2V ce poate intra direct, fără necesitatea unor conexi­uni externe, într-un canal de intrare al unui convertor analog/digital (ADC) pe 10 biţi şi/sau pe o intrare a unui comparator analogic. Aceasta face posibil ca microcontrolerul să compare Vdd-ul său cu o tensiune absolută, ceea ce este util atunci când se utilizează o alimentare de la baterie, pentru a detecta condiţiile de baterie descărcată, sau într-o aplicaţie flyback pentru a ajuta la stabilizarea ieşirii de tensiune a unei surse secundare proiectate să descarce stabilizatorul cu şunt (vedeţi #1) după o scurtă încărcare iniţială. Şi în cele din urmă se furnizează o creştere a randamentului global al circuitului cu un cost foarte modest de calcul.

#3 Operarea la frecvenţe (mai) ridicate

Modulul de comparator analogic furnizat în interiorul PIC12HV752 nu este dispozitivul tipic pe care v-aţi aştepta în microcontrolerele dvs. de zi cu zi. Acesta este capabil de un timp de răspuns mai bun de 30ns, ceea ce este clar ceea ce doriţi atunci când aveţi nevoie să

Figura 3: Operare la frecvenţe (mai) ridicate

controlaţi vârfurile de curent prin convertorul dvs. coborâtor de tensiune, operând la viteze de până la 500KHz. Majoritatea convertoarelor economice DC/DC se vor opri departe de această limită, şi vor opera între 150-250kHz pentru cel mai bun compromis cost/dimensiune.
Unii dintre dvs. vor găsi cu siguranţă in­te­resantă opţi­u­nea de a comuta comparatorul la un mod de pute­re (mai) joasă, unde consu­mul energe­tic este speculat cu viteza. În fapt, cu aducerea timpului de răspuns în domeniul de 200ns, modul low-power furnizează o reducere sem­nificativă în consumul ener­getic al modulului.
Aceasta este o opţiune valoroasă când se utilizează comparatorul numai ca detector al pragului de tensiune în aplicaţii alternative, posibil operate cu baterii.

#4 Reducerea pierderilor de detecţie

Proiectat să lucreze împreună cu comparatoare, într-o topologie tipică de convertor coborâtor de tensiune sau de convertor flyback, PIC12HV752 oferă un modul DAC pe 5 biţi “domeniu limitat”, cu toate conexiunile interne corespunzătoare pentru a opera ca detector de vârf de

Figura 4: Reducerea pierderilor de detecţie

curent în circuitul de reacţie. Acum, dacă vă gândiţi că 5 biţi pot să nu fie adecvaţi pentru aceste aplicaţii, haideţi să vedem cum operează în realitate aceste module. Din motive de randament, calea de detecţie a curentului (de vârf) constă din aplicarea în serie cu sarcina a celei mai mici rezistenţe posibil (şirul de LED-uri). Pentru a fi realişti, discutăm de o valoare rezistivă ce furnizează o reacţie de câteva sute (300) de mV. Mai mult ar fi o risipă de energie, mai puţin ar crea probleme legate de un raport slab semnal-zgomot. Dacă acest semnal este aplicat unui comparator (rapid) în vreme ce DAC este conectat la cealaltă intrare pentru a stabili puntul de cursă, modulul DAC va trebui să ofere o rezoluţie maximă specifică în domeniul 0 şi 300mV. Acesta este exact cum operează modul de “domeniu limitat” al PIC12HV752, oferindu-vă rezoluţia eficientă a unui DAC pe 9 biţi (10 mV@5V), dar făra costul acestuia.

#5 Reducerea pierderilor de comutaţie

Topologiile de comutaţie sincronă sunt utilizate în proiectele de convertoare DC/DC pentru a creşte randamentul (şi a reduce aşa numitele pierderi de comutaţie) atunci când tensiunea de ieşire este relativ mică (şiruri mici sau un singur LED).
În esenţă, căderea de tensiune directă pe dioda de “flyback”, prezentă în toate topologiile ridicătoare sau coborâtoare de tensiune, poate fi văzută ca o sursă de pierderi. Prin înlocuirea sa cu un al doilea ele­ment activ, pot fi reduse aceste pierderi la costul unui MOSFET suplimentar şi un minim de circuit pentru a-l comanda cu temporizarea corespunzătoare.

Figura 5: Reducerea pierderilor de comutaţie

De fapt PIC12HV752 poate face ca această opţiune să fie cu adevărat uşor de adoptat, după cum ieşirea comparatorului (sau modulului PWM) poate fi trimisă către un modul mic, cunoscut sub numele de COG (Complementary Output Generator), care va furniza două semnale de ieşire complementare pentru a comanda perechea MOSFET.
Modulul COG oferă un control suplimentar asupra celor două semnale de ieşire, pentru a furniza aşa numita bandă moartă; o măsură ce previne un posibil efect încrucişat (shot through) produs de condensatoarele celor două porţi MOSFET. În realitate, mult mai multe lucruri pe care le poate face COG pentru a asigura un control sigur al ieşirilor sincrone, inclusiv:

• Suprimarea intrării, pentru a evita zgomotul pe reacţia de curent şi pentru a produce comutaţii multiple
• Întârziere pe fază pentru a stabiliza sistemul fără necesitatea unor reţele de compensare externe
• Intrări selectabile de front crescător sau front descrescător (PWM, comparator, pin)
• Control independent al benzii moarte pe front crescător şi descrescător
• Surse de închidere selectabile
• Activare Auto-restart
• Pin pentru preluarea controlului auto-închiderii
Toate aceste caracteristici oferă flexibilitatea de a vă ajuta să obţineţi un compromis ideal între numărul de componente, cost şi eficienţă.

#6 Comandă MOSFET-uri

Printre componentele necesare la asamblarea unui convertor DC/DC complet, există întotdeauna cel puţin un dispozitiv MOSFET (de putere). Microcontrolerele PIC® sunt foarte cunoscute pentru ieşirile lor puternice şi performanţele de sursă (25 mA), dar asigurarea că un MOSFET este ţinut în afara regiunii liniare necesită mai mult.

Figura 6: Comandă MOSFET-uri

Driverele MOSFET sunt omniprezente şi nu foarte scumpe, dar acest lucru este întotdeauna o consideraţie relativă. PIC12HV752 face tot ce se poate pentru a vă ajuta să reduceţi costurile, oferind 50mA (scurgere şi sursă) pe doi pini I/O selectaţi (corespunzători desigur celor 2 ieşiri ale COG). În vreme ce aceste valori sunt departe de Amperii oferiţi de circuitele integrate ale unor drivere discrete de MOSFET-uri, există o compen­saţie care trebuie evaluată foarte atent. Pe de o parte, există un cost suplimentar şi cerinţe de spaţiu legate de driverul MOSFET (posibil dual). Pe de altă parte există pierderi ce cauzează un randament redus al convertorului, dar şi căldură care trebuie disipată. Alegerea va depinde de specificul proiectului. De exemplu, pro­iectele de joasă putere sunt afectate mai puţin de pierderi de randament, dar sunt mai sensibile la con­sideraţii de cost. Dispozitivele MOSFET avansate (logi­ce) devin încet dar sigur mai accesibile şi vor ajuta la schimbarea deciziei în favoarea unei soluţii mai simple.

#7 Consum energetic

Probabil că aţi realizat că PIC12HV752 este proiectat pentru a vă oferi o soluţie hibridă, unde conversia DC/DC către driverul LED este realizată analogic, aproape complet autonom, după ce MCU realizează o simplă pregătire iniţială. Cerinţele MIPS ale acestor aplicaţii sunt minuscule; pot fi numite soluţii zero-MIPS. De fapt, puterea de calcul a MCU este disponibilă proiectantului pentru a furniza “inteligenţă”, în vreme ce munca grea este făcută în background printr-o combinaţie deşteaptă de comparator (sau PWM), DAC şi modul COG.

Figura 7a: Consum energetic

În mod interesant, un număr de aplicaţii ce implică soluţii de iluminare mai inteligente se învârt în jurul a ceea ce face dispozitivul de iluminare când nu este activ. În aceste situaţii, MCU trebuie să fie în alertă şi să opereze, consumul său energetic devenind componenta dominantă a bugetului energetic al întregii aplicaţii. De aceea veţi fi încântaţi să aflaţi că PIC12HV752 are unul dintre cele mai reduse consumuri energetice în stare activă (dacă nu cumva cel mai redus) dintre toate microcontrolerele embedded disponibile pe piaţă la momentul scrierii acestor rânduri.
Acest curent caracteristic este sub 45 µA/MHz (@2V). Atunci când dispozitivul este inactiv (Sleep), de exemplu nu se execută niciun program şi toate perife­ricele sunt dezactivate, consumul de curent sca­de la 10nA, o valoare aşa de mică încât repre­zintă o provocare pentru orice instrument de măsurare aţi avea.

Figura 7b: Consum energetic

#8 Volatilitate

PIC12HV752 este un microcontroler Flash, ceea ce înseamnă că tot conţinutul memoriei sale program poate fi rescris de sute de mii de ori. Acest lucru oferă produsului o durată de viaţă mai mare, noile programe putând fi implementate chiar şi cu dispozitivul aflat în teren. Dar este şi mai mult! Microcontrolerul poate utiliza o parte din memoria sa de program pentru a stoca parametrii de func­ţionare. Memoria flash a PIC12HV752 este garantată pentru 100 000 de cicluri de ştergere/scriere şi 40 de ani de stocare a datelor. Indiscutabil, acesta nu este un echivalent de funcţionare a unui EEPROM de date, de vreme ce memoria flash a PIC12HV752 poate oferi caracteristici mai mult decât potrivite pentru numeroase aplicaţii de iluminare:
• Stocarea unui număr serial unic (realocabil)
• Înregistrarea în permanenţă a câtorva valori (curent, tensiune, temperatură …)
• Înregistrarea în permanenţă a valorilor de calibrare
• Înregistrare parametri
• Păstrarea numărului de utilizări

#9 Spaţiu

PIC12HV752 sunt oferite în capsule de 8 pini, o caracteristică posibilă datorită nivelului de integrare şi a conexiunilor interne flexibile oferite. Sunt incluse câteva capsule relativ mari (fizic), precum DIP8 şi SOIC8, care sunt uşor de manipulat pentru prototipare rapidă şi experimentare în laborator. Sunt de asemenea disponibile în capsule minuscule, precum opţiune DFN 3mm × 3mm, care combină dimensiunile mici cu un pas relativ mare (0,6mm), ceea ce însemnă uşurinţă de utilizare şi cost redus de asamblare.

#10 Cost

Nu numai că PIC12HV 752 va fi produsul cu costul cel mai mic din lista de materiale (BOM), cu preţuri începând de la 0,56USD pentru o cantitate de 10 000, dar trebuie apreciat şi cât de puţine componente suplimentare sunt necesare pentru o soluţie completă. Dincolo de toate celelalte elemente menţionate la punctul anterior, trebuie luat în considerare faptul că pe cip se găsesc integrate deja:
• Oscilator de precizie (1% reglat în fabrică) cu opţiuni de ieşire selectabile 8 MHz, 4 MHz, 1 MHz şi 31 KHz
• Circuite de alimentare şi reiniţializare la detectarea căderii de tensiune
• Temporizator de siguranţă (Watchdog)
• 4 temporizatoare (3×8-biţi, 1×16-biţi)
• 1 modul PWM de captură şi comparaţie
• Rezistenţe de pull up/down pe fiecare pin de I/O
• Interfaţă de depanare şi programare în circuit

Concluzii

Sper că aceste 10 puncte scurte v-au ajutat să apreciaţi avantajele alegerii microcontrolerului PIC12HV752 pentru proiectarea unor drivere LED mici, economice şi eficiente. Similar oricăror alte aplicaţii cu conversii DC/DC (de exemplu surse de tensiune mici, încărcătoare de baterii …) ele necesită inteligenţa şi flexibilitatea unui microcontroler cu uşurinţa de utilizare a unui comutator analogic. Este oferită astfel o combinaţie de integrare analogică şi simplitate.
www.microchip.com

Referinţe
• PIC12HV752 Datasheet: ( www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en552818)
• High Power LED Flashlight Demonstration
( http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41625A%20.pdf)
• Next-Generation Peripherals Brochure ( http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41565c.pdf)

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre