Coborâre şi ridicare de tensiune

6 IUNIE 2016

O privire asupra modului de proiectare a convertoarelor coborâtoare şi ridicătoare de tensiune cu control analogic complet pentru stabilizarea ieşirii.

de Mihnea Roşu
Microchip Technology Inc.


Cu ajutorul aceluiaşi microcontroler este posibilă realizarea atât a unei surse de alimentare sincrone coborâtoare de tensiune, cât şi a uneia ridicătoare de tensiune cu un control 100% analogic pentru stabilizarea ieşirii. În ambele cazuri, implementarea are avantajul că nu utilizează puterea niciunui procesor, lăsând nucleul liber pentru firmware mai complex. De asemenea, bucla analogică are un timp de răspuns mult mai rapid pentru a încărca paşi şi schimbări ale tensiunii de intrare, fiind foarte utilă pentru numeroase aplicaţii.
Microcontrolerul în cauză este PIC16F753 de la Microchip. Atât convertorul coborâtor, cât şi cel ridicător de tensiune necesită acelaşi set de peri­ferice: un generator complementar de ieşire; comparator; amplificator operaţional; convertor analog-digital pe 9 biţi; referinţă de tensiune fixă; modul de compensare pantă şi modul PWM de captură şi comparaţie. Perifericele trebuie să fie conectate intern prin firmware, reducând numărul de pini externi necesari.

MCA616_EA0516_TB3102_fig-1

Figura 1: Diagrama bloc a sursei de alimentare coborâtoare de tensiune.

Schemă circuit
Domeniul de intrare de operare pentru convertorul coborâtor de tensiune este de la 8 la 16VCC. Ieşirea prezintă 5VCC, 2A şi 10W. Dimensiunea de program este de 105 cuvinte, iar dimensiunea RAM este 0 byte, rămânând disponibil un program de 1943 cuvinte şi 128 byte de RAM. Randamentul măsurat la 2A este de 94%.
În figura 1 este prezentată schema bloc a unei surse sincrone coborâtoare de tensiune. Tensiunea de ieşire trebuie să fie stabilizată utilizând controlul de mod curent de vârf control şi comparaţia cu o tensiune de referinţă prin amplificatorul operaţional (OPA) de eroare. Rezultatul poate fi apoi trimis către comparatorul de curent de vârf. Modulul intern de compensare a pantei scade o rampă programabilă software din ieşirea amplificatorului de eroare înaintea comparatorului de curent de vârf. CCP – modulul de captură şi comparaţie PWM – furnizează un semnal de control cu o frecvenţă fixă şi factor de umplere fix, iar ieşirea comparatorului de curent de vârf a fost selectată ca a doua sursă (bazată pe nivel) pentru rampa coborâtoare a generatorului complementar de ieşire (COG).
Convertorul ridicător de tensiune operează într-un mod similar, iar schema sa bloc este prezentată în figura 2. Există însă câteva diferenţe în specificaţii. În acest caz, domeniul tensiunii de intrare este de la 3 la 5VCC. Ieşirea rămâne aceeaşi, precum şi dimensiunea RAM. Dimensiunea de program este de 99 de cuvinte, iar dimensiunea de program disponibilă este de 1949 de cuvinte. Randamentul la 2A este de 87%.

MCA616_EA0516_TB3102_fig-2

Figura 2: Schema bloc a convertorului ridicător de tensiune.

Cum lucrează aceste configuraţii
După configurarea perifericelor şi conectarea lor împreună, bucla de control va rula singură, fără a necesita alocarea unui timp de procesor. Schemele de control pentru curentul de vârf necesită compensarea pantei pentru factori de umplere de peste 50% pentru a preveni oscilaţia. Pentru factori de umplere mai mici, compensarea pantei va ajuta la stabilizarea buclei de control dacă şuntul de curent este mic. PIC16F753 dispune de un modul intern de compensate a pantei ce poate fi utilizat pentru a scădea o pantă programabilă din ieşirea amplificatorului de eroare înainte de a fi trimisă la comparatorul de curent de vârf.
Pentru sursele de alimentare sincrone în comutaţie, este nevoie de un mic timp mort pentru semnalele de control ale tranzistoarelor pentru a evita trecerea rapidă de curent. COG poate genera acest semnal bazat fie pe o frecvenţă de oscilator, fie pe un lanţ de întârziere analogic. Lanţul de întârziere permite utilizatorului să stabilească timpul mort cu o rezoluţie de 5ns, ceea ce este mai potrivit pentru tranzistoare mici. Pentru această aplicaţie, timpul mort a fost reglat la 30ns.
Pentru topologia coborâtoare de tensiune, curentul pe inductor este egal cu curentul de sarcină. Pentru a se putea determina curentul de vârf pe inductor utilizând un şunt pe nivel inferior, sunt necesare câteva modificări. În mod normal, şuntul vede curentul de ieşire filtrat care nu este utilizabil de schema de control al curentului de vârf. Prin conectarea condensatoarelor de ieşire la masă prin şunt, ESR este mai ridicat, dar forma de undă rezultată se potriveşte îndeaproape cu forma de undă a curentului prin inductor. Partea mai puţin bună a acestei metode este un randament uşor mai mic, dar un şunt pe nivel superior necesită uzual un circuit suplimentar (oglindă de curent sau CI specializat), care se adaugă la cost.
Pentru topologia de ridicare de tensiune, curentul pe inductor este egal cu valoarea curentului pe intrare. Curentul de vârf pe inductor a fost măsurat direct pe o rezistenţă plasată între sursa tranzistorului şi masă.

Intrare şi ieşire
Limitarea curentului de ieşire nu este integrată în bucla de control, pentru aceasta fiind necesar un al doilea comparator selectat ca o sursă de auto-închidere pentru COG. Ieşirea amplificatorului de eroare este limita curentului de vârf pe inductor, astfel încât, păstrând această valoare mică printr-un divizor de tensiune se rezolvă problemele legate de salturile de curent şi condiţiile catastrofice de scurtcircuit. Partea slabă a acestei abordări este aceea că amplificarea sistemului este redusă şi va răspunde mai lent la tranziţii. Pinul de ieşire al amplificatorului operaţional este acelaşi cu pinul de intrare al modulului de compensare a pantei, astfel că cele două periferice pot fi utilizate împreună, fără nicio conectivitate externă. Dacă se utilizează un divizor rezistiv pentru limitarea tensiunii de ieşire a amplificatorului operaţional, el trebuie trasat extern către pinul de intrare al buffer-ului referinţei de tensiune fixe (FVR).
Tensiunea de intrare a convertorului ridicător de tensiune trebuie să fie conectată la microcontroler utilizând o mică diodă de iniţializare a ieşirii. Prin urmare, atunci când tensiunea de ieşire creşte, ea va alimenta microcontrolerul şi driverul MOSFET. Acest lucru este mai eficient deoarece un VGS mai ridicat va îmbunătăţi RDS(ON), iar intervalul sub 4,5V este problematic pentru majoritatea tranzistoarelor de putere. De asemenea, FVR devine singura referinţă stabilă disponibilă, iar circuitul necesită câteva schimbări pentru a asigura că tensiunea de referinţă în buclă este întotdeauna independentă de sursă sau de tensiunea de ieşire. Câtă vreme tensiunea de referinţă a buclei de control este derivată din DAC, acest periferic necesită de asemenea o referinţă stabilă. A fost selectată o tensiune FVR de 1,2V ca referinţă pentru DAC, răspunzând astfel tuturor cerinţelor.
Topologia ridicătoare de tensiune are o cale clară de CC de la sursa de tensiune la ieşire, prin inductor şi dioda rectificatoare, chiar dacă tranzistorul de comutaţie este blocat. Bucla de limitare a curentului poate preveni numai supracurentul până când frecvenţa de comutaţie devine zero. Din acest punct înainte, evenimente de tip scurtcircuit pot apărea fără o comutaţie de protecţie suplimentară. Pentru cazul unui scurtcircuit, un al doilea tranzistor poate fi plasat pe partea de nivel inferior pentru tăierea alimentării sarcinii în cazul unui scurtcircuit.

MCA616_EA0516_TB3102_fig-3

Figura 3: Schema bloc a unei surse de alimentare ridicătoare de tensiune cu control digital.

Pentru protecţia la scurtcircuit bazată pe comparator, referinţa trebuie să fie stabilă pe tot domeniul tensiunii de operare. Deoarece tensiunea de şunt a curentului de ieşire este uzual prea mică pentru a utiliza direct 1,2V FVR, ea trebuie să fie transmisă în afară prin buffer-ul FVR, iar apoi printr-un divizor de tensiune pentru a obţine tensiunea de referinţă dorită pentru comparator.
Deoarece buffer-ul FVR este utilizat în acest fel, ieşirea amplificatorului operaţional trebuie să fie utilizată direct cu modulul de compensare a pantei, fără divizorul suplimentar. Acest lucru nu utilizează timp de procesor, dar utilizează mai mulţi pini şi periferice.
Pentru protecţia la scurtcircuit bazată pe ADC, tensiunea şuntului de curent şi FVR sunt citite în firmware. Tensiunea FVR este necesară pentru a calcula VDD (atunci când este mai mică de 5V), care în acest caz este tensiunea de referinţă a ADC. Deoarece nu utilizează un extra-comparator, (pini de intrare/ieşire şi rezistenţe externe) vor fi necesare spaţiu de programare şi timp de procesor.
Convertorul trebuie să fie compensat pentru o sarcină specifică, iar stabilitatea trebuie să fie verificată pe întreg domeniul condiţiilor de operare.
Prin comparaţie cu utilizarea unui cip de controler PWM specializat, performanţele sunt similare, dar microcontrolerul PIC vine cu un plus de flexibilitate. De asemenea, bucla de control analogică rulează singură, astfel încât nucleul microcontrolerului este complet liber de a rula algoritmi ai utilizatorului, pentru a măsura parametrii sursei de tensiune sau pentru a transmite informaţii relevante.

Aplicaţii
Bucla de control analogică face ca sursa de tensiune să fie suficient de rapidă pentru sarcini dina­mice şi schimbări ale tensiunii de intrare. Pentru sarcini controlate în curent precum LED-uri sau celule termoelectrice, reacţia de tensiune poate fi înlocuită cu o reacţie de curent mediu. Sursa de ali­mentare poate fi de asemenea utilizată pentru aplicaţii ce necesită un control atât de tensiune, cât şi de curent, precum încărcătoarele de baterii CC şi CV. Convertorul D/A al PIC16F753 are o rezoluţie de 9 biţi, ceea ce conduce la un pas minim de 20mV cu un divizor de tensiune la jumătate pentru convertorul coborâtor de tensiune şi 50mV cu un divizor de tensiune de o cincime pentru convertorul ridicător de tensiune.
Aplicaţia necesită un amplificator operaţional, un comparator şi un DAC.
Ieşirea DAC poate fi trimisă intern către amplificatorul operaţional, ceea ce economiseşte un pin. Modulul CCP generează un semnal de frecvenţă fixă şi factor de umplere fix către COG.
În funcţie de opţiunile utilizatorilor pentru limi­tarea ieşirii OPA, este nevoie ca divizorul de tensiune să fie conectat extern la intrarea buffer-ului FVR. Dacă nu este utilizat un divizor de tensiune, este utilizat doar un pin în loc de doi. În acest caz, ieşirea amplificatorului operaţional, care este aceeaşi cu intrarea modulului de compensare a rampei, este configurată ca pin analogic şi nu trebuie utilizată în alte scopuri.
Pinul digital numai de intrare poate fi utilizat pentru un buton sau pentru o funcţionalitate similară. Pe timpul funcţionării, pinul de intrare/ieşire date de programare şi alţi doi pini sunt liberi pentru o funcţionalitate particularizată.

Variantă alternativă de convertor ridicător de tensiune
O sursă de alimentare ridicătoare de tensiune controlată digital poate fi de asemenea construită utilizând PIC12F1501. Aceasta are un randament bun la sarcini mici, protecţie hardware la supratensiune şi utilizează un număr mic de componente. Perifericele necesare sunt două canale ADC pe 10 biţi, un FVR, comparator, oscilator controlat numeric şi un generator complementar de forme de undă. Perifericele sunt conectate intern prin firmware, reducând numărul de pini externi la trei. Schema bloc pentru această configuraţie este prezentată în figura 3.

Tensiunea de ieşire şi curentul sunt stabilizate utilizând o buclă de control proporţional. Valorile de ieşire sunt citite utilizând două canale ADC, iar semnalul de control este ajustat corespunzător. Oscilatorul controlat numeric utilizează pulsuri fixe în timp, cu frecvenţă variabilă pentru a regla factorul de umplere prin modularea frecvenţei.

Concluzie
Descrierea de mai sus prezintă modalitatea prin care microcontrolerele Microchip pot fi utilizate pentru a crea convertoare coborâtoare şi ridicătoare de tensiune, economisind putere de procesare şi alte sarcini. Toate cele trei exemple necesită numai un mic set de periferice pentru realizarea scopului propus.

 

Microchip Technology
www.microchip.com


Sigla-Microchip

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