Napájení a blokování napájení mikroprocesorů

Transkript

1 Napájení a blokování napájení mikroprocesorů Materiál je určen jako pomocný materiál pouze pro studenty zapsané v předmětu: A3B38MMP ČVUT- FEL, katedra měření, přednášející Jan Fischer Jan Fischer, 2014 A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 1

2 Náplň Napájení síťové napájení, bateriové napájení vestavěných systémů stabilizace napětí napájecího zdroje opakování, (základy viz. před. prof. Zemánek) Stabilizátor se Zenerovou diodou lineární regulátor impulsní regulátor parametry integrovaných regulátorů napětí Výklad na přednášce: A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 2

3 Napájení Stabilizátor se Zenerovou diodou Zenerovo napětí U Z, jednotky voltů, minimální používané - od 3,6 V (pozor - není Zenerova dioda na 1,24 V viz dále band. gap. reference) I 1 I R U 1 I 2 IZD ZD U stab U Z U Paralelní stabilizátor Vhodné pro malé odběry, stálá velikost proudu I 1, přerozdělení mezi I ZD a I 2 růst I 2, pokles I Z, pokles U 2 Diferenciální odpor R d Zenerovy diody v pracovní oblasti R d = U/ I, jednotky Ohmů A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 3

4 Napájení Zdroje referenčního napětí na principu šířky zakázaného pásu (Bandgap) minimálně 1,24 V Používané ve většině současných stabilizátoru a regulátorů napětí info HB206-D Regul-Handook.pdf ON Semiconductors A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 4

5 Napájení Zdroje referenčního napětí na principu šířky zakázaného pásu (Band Gap) minimálně 1,24 V Používané ve většině současných stabilizátoru napětí Zdroje referenčního napětí v ADC na čipu mikrořadiče - Band gap. ref. Funkční obdoba Zenerovy diody (pouze z hlediska zapojení do obvodu), ale na principu Band Gap TL431, viz cvičení MMP Min. napětí Vref = 2,5 V, dynamický odpor R d = 0,2 Ohmu, I max = 100 ma, použito v úloze voltmetr, teplotní závislost 50 ppm / 0 C (změna U r / o C) TLV431 napětí 1,24 V, I max = 50 ma A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 5

6 Napájení Stabilizátor se zdrojem ref. napětí a zesilovačem zpětná vazba, regulátor zesilovač odchylky porovnání žádané a skutečné hodnoty, podstata všech lineárních stabilizátorů napětí Výkonové ztráta P = I OUT (U in - U OUT ) např. U IN = 6 V, U OUT = 3, 3 V, I OUT =, 0, 1 A P = 2,7 V x I OUT =, 0, 27 W A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 6

7 Napájení Stabilizátor se zdrojem ref. napětí a zesilovačem- ideové schéma pro vyšší napětí, než je referenční realizace v integrované verzi A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 7

8 Regulátor LM317 Vnitřní referenční napětí U ref = 1,25 V Nejmenší možné výst. napětí U OUT = 1,25 V Minimální napěťový spád na regulátoru Drop, Dropout voltage LM ( přibl. 2 V - viz. graf) Min. proud regulátorem? (R1 = 120 Ohmů) I Omin 10mA ( minimum load current ) ( tvrdý dělič, nebo dát indikační LED) I adj = typ 0,05 až 0,1 ma Pozor na funkčnost děliče, (Pozor - přerušení R1, plné napětí na výstupu - příklad) Minimální výst. napětí 1,25 V (svorka Adj na GND) A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 8

9 Regulátor LM317 vnitřní uspořádání Stabilizátor LM317, nemůže být zapojen naprázdno bez zátěže potřebný pracovní proud I Omin alespoň 10 ma. proudová ochrana, snímací odpor 0,1 Ohmu A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 9

10 Low drop regulátory ST LF33 (3,3 V), drop 0,5 V, pro napájení např. STM32 D103 procesory ARM Cortex M3, napáj. napětí U cc = 3,3 V, příp. nižší použití tranzistoru PNP v regulátoru diskuse parametrů - kat. list. A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 10

11 Lineární regulátory napětí- hlavní parametry Uo výstupní napětí pevné ( většinou), nebo nastavitelné vnějším děličem I max U Omin pro nastavitelné regul., ro bateriové aplikace, I Omin Minimum load current minimální proud výstupem ( potřebný pro správnou funkci regulace) význam u nastavitelných regulátorů napětí, u I d (Quiescent current) klidový proud protéká vstupem regul. a odtéká do GND země A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 11

12 Lineární regulátory napětí- hlavní parametry Použití lin. regulátoru napětí respektování hlavních parametrů U dropout,, I max,, I min, U Omin pro nastavitelné regul., pro bateriové aplikace, P tot, max. teplota čipu, A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 12

13 Pouzdra regulátorů Použití lin. regulátoru napětí respektování hlavních parametrů max. ztrátový výkon závistí též na schopnosti odvádět teplo chladičem tepelný odpor R th, rozdíl teplot, tepelný tok (W) výpočty analogicky - elektrický odpor, napětí a proud tepelný odpor chladiče A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 13

14 Pouzdra regulátorů Použití P TOT (totální) maximální ztrátový výkon obvodu při ideálním odvodu tepla z povrchu pouzdra Tepelný odpor R thjc Thermal resistance junction-case, tepelný odpor mezi čipem a pouzdrem závisí na typu pouzdra R thja Thermal resistance junction-ambient, tepelný odpor mezi čipem a vnějším okolím ( pouzdrem) má smysl pouzte u většíh pouzder např. TO220 T OP Operating junction temperature range rozsah pracovních teplot vlastního čipu A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 14

15 Výpočet oteplení čipu regulátoru Elektrotepelné náhradní schéma R th tepelný odpor analogie jako elektrický odpor Rozdíl teplot analogie jako spád napětí na odporu Tepelný tok výkon ( proud energie ) analogie jako elektrický proud Výpočty analogicky, jako podle Ohmova zákona Příklad (řešen na přednášce) Určete teplotu čipu regulátoru napětí LM317 v pouzdře TO220 (R thja ), jestliže na vstupu regulátoru je napětí U 1 = 7,5 V, na výstupu U 2 = 5 V, regulátorem protéká proud I = 0,2 A. Regulátor nemá další chladič a je umístěn ve vzduchu s teplotou t 2 = 20 o C Výpočet t 1 = t 2 + ( U. I/ R thja ) = 20+ (7,5-5) x 0,2 / 50 = 20+0,5 x 50= 75 o C A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 15

16 Napájení Impulsní regulátory, snižující měnič, step down, snížení výkonové ztráty v regulátoru, impulsní provoz omezení proudu obvodem místo tranzistoru (ztráty) dynamické efekt přechodového děje náběh proudu cívkou (indukčnost) cívka jako akumulátor energie W =1/2 L I 2 u L = L (di/dt), di/dt = u L /L u L = konst, pak lineární nárůst proudu i není možná skoková změna proudu cívkou odvození průběhu proudu cívkou,.. řešení cívek. PWM řízení velikosti proudu buck converter použité kondenzátory, pojem low ESR, náhradní schéma - malý sériový odpor kondenzátorů, rychlé spínací diody, typicky Schotkyho diody Impulsní regulátor nutný filtrační kondenzátor na výstupu!!! (analogie vodní tok, akumulační vodní nádrž, vyrovnání průtoku řeky pod přehradou, kolísání hladiny) Spoje z hlediska rušení, malý odpor (a indukčnost), krátké spoje (funkce diody výklad na přednášce - analogie kolo - volnoběžka, versus kolo typu furtšlap ) A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 16

17 Funkce impulsního regulátoru - MC34166 step down Zpětnovazební řízení střední hodnoty proudu cívkou tak, aby na výst. bylo právě žádané napětí U 2 (Vo) Dělič R 2, R 1, porovnání s referencí 5,05 V Možno nastavit napětí U 2 větší (a rovno) než U ref (analogické nespojité řízení výkonu domácích spotřebičů regulace typu ON - OFF i out u f u 2 A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 17

18 Funkce impulsního regulátoru LM2596 Pevná frekvence, proměnná střída Pevné, nebo nastavitelné napětí fixed output voltage, zde 5 V LM nebo adjustable (označ. ADJ ) LM2596-ADJ vnitřní reference 1,23 V ( band gap reference ), nastavení žádaného napětí - odpor. děličem (obdobně u dalších výrobců) Upozornění průběh proudu cívkou, kolísání napětí na výstupním filtračním kondenzátoru A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 18

19 Napájení Obvod L6928 vstup 2 až 5, 5 V výstup od 0,6 V frekvence 1,4 MH, synchronní U ref = 0,6 V U OUT = U ref (1 + (R 2 /R 1 )) (vzorec jako u lin. regulátorů) výstup P GOOD Power Good úroveň H - výstup dosáhl 90 % úroveň L - výstup je nižší než 90 % (žádané hodnoty výst. napětí) RUN shutdown méně 0,4 V L zastaví, H (větší než 1,3V) povolí funkci regulátoru A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 19

20 Napájení Step down nejčastěji používané regulátory v embedded aplikacích Odstraní se problém výkonové ztráty v (v lineárním regulátoru) při napájení např. 12 V, 24 V,.. Zdroj ( akumulátor, napáječ) musí být schopen poskytnout výstupní proud shodný s max. výstupním proudem step down regulátoru!! Volba tlumivky do impulsního regulátoru kritická Požadována daná indukčnost L a musí být dimenzována na daný proud a danou frekvenci impulsů. Proud tlumivkou nejen otázka odporu vinutí, ale i feromagnetického jádra Pro daný max. proud tlumivkou - nesmí dojít k nasycení feromagnetika nesmí se překročit max.indukce. (nasycení jádra tlumivky růstem proudu již neroste magnetický tok, pokles diferenciální indukčnosti A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 20

21 Napájení Další impulsní regulátory, Step up, - zvyšující, impulsní regulátory (Boost converter) využití rázu L D U 1 S + C U 2 (mechanická analogie použití kladiva fáze akumulace energie síla, pohybová energie, zastavení, impuls síly) hydromechanická analogie vodní trkač, dlouhé potrubí, tekoucí voda, zastavení na výstupu, ráz, velký tlak, ) A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 21

22 Step Up měnič s MC34166 Step UP zařazen spínač s tranzistorem Q 2 pumpování energie do cívky, sepnut Q 1 a Q 2, rozepnutí Q 1, rozepnutí Q 2,, proud protéká D 1, L, D 2 a nabíjí C 0 A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 22

23 Invertující měnič Invertující měnič (buck boost converter) S - sepnut, protéká proud v obvodu: U 1, S, L, rozepnutí S ráz, protéká proud v obvodu L, D a nabíjí C záporné výstupní napětí, S D L C U 1 U + 2 A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 23

24 Invertující měnič s MC34166 Invertující měnič vstup + 12V, výstup - 12 V A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 24

25 Napájení blokování napájecího zdroje Výklad na přednášce: otázka rychlosti odezvy stabilizátoru na změnu odběru, proč je nutno blokovat výstupy regulátoru pomocí C (analogie vyrovnávací sklad energie) Q = CU Q = I T Q náboj, C kapacita, I proud, T čas např. impulsní odběr, U ale podobně impulsní regulátor, dodání energie pouze v diskrétních intervalech I T C Regulátor- volba velikosti tak C, aby nebyly rušivé změny napájecího napětí při impulsních změnách proudového odběru = T = 10 us, I = 500 ma C= 100 uf, změna napětí U = I T C = 0, = 0,05V A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 25

26 Napájení blokování napájení log. obvodů Výklad na přednášce: Impulsní odběr logického obvodu, mikroprocesoru při změně stavu, regulátor není schopen tak rychle reagovat problém indukčnosti rozvodu napájení čím rychlejší mikroprocesor, tím důležitější otázka blokování napájení ( analogie sklad p., chladnička, sklep) U CC + log.ob. C b A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 26

27 Napájení blokování napájení, tlumivky Výklad na přednášce: Impulsní odběry- protékají impulsní proudy rozvodem napájení U CC, ale také zemí GND!!! Lokalizace proudového okruhu Tlumivka v rozvodu napájení neumožní impulsní proud, úbytek napětí na tlumivce příklad L= 50 nh, u L = 1V, jaký možný nárůst proudu? d 7 i dt 1 V = ul = = 2 10 A/s= 20 A/µ/ -9 L H = Logický obvod s velkým impulsním odběrem tlumivka neumožní prudkou změnu proudu z rozvodu U CC, jinak roste u L, kde je di/ dt obvod 0,02A / ns L u L = L di dt U CC + log.ob. C b A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 27

28 Napájení blokování napájení log. obvodů Výklad na přednášce: Omezení impulsního odběru z UCC, nutno použít blokovací kondenzátor dostatečné kapacity C b. předpoklad proudového impulsu 200 ma pro dobu 2 ns, C= 10 nf Kondenzátor s kapacitou 10 nf napájení log. obodu po dobu 2 ns při poklesu napětí o 0,04 V Logický obvod s velkým impulsním odběrem tlumivka neumožní prudkou změnu proudového odběru (di/ dt) obvod energie z lokálního blokovacího kondenzátoru C b, snížení rušení po rozvodu napájení Snížení impulsních proudů rozvodem GND Snížení rušení po rozvodu napájení a vyzařování rušivé vysokofrekvenční energie U = I T C U CC GND 0, = L log.ob. 9 = + 0,04 V C b A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 28

29 Ovládání akčních členů s indukčním charakterem Výklad na přednášce: L -indukční zátěž Ovládání relé, solenoidových ventilů, buzení vinutí krokových motorků, SS motorků nechtěný zvyšující měnič při vypnutí -!!! špičkové napětí (podobně jako step up měniče). U 1 T!!! u -špič. Mproc. u špička - nebezpečí průrazu přechodu kolektor báze tranzistoru. ( podobně při PWM řízení ss motorku) D použít ochrannou diodu (rekuperační dioda), ale zpomalení odpadu relé, příp. použití rezistoru do série s diodou U 1 T Mproc. A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 29

30 Ovládání akčních členů s indukčním charakterem Výklad na přednášce: Použít ochrannou diodu rekuperační dioda, ale zpomalení odpadu relé, Velikost u L omezena vnější diodou úbytkem na odporu vinutí u L = di L dt 0 uldt= 0 I Ldi u dt L = 0 Ldi uldt= LI integrál u L podle času je konstantní roven L. I. při vypínání - změna proudu z počáteční hodnoty I na nulu U 1 T Mproc. pří použití rezistoru R s do série s diodou, průtok proudu, úbytek napětí, u L vzroste, rychlejší průběh přechodového děje ( bez diody, vysoké napětí u L, nejkratší přechodový děj). A3B38MMP, 2014, J.Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření 30 D D R s U 1 T Mproc.