Napájení mikroprocesorů

Transkript

1 Napájení mikroprocesorů Přednáška A4B38NVS ČVUT- FEL, katedra měření, přednášející Jan Fischer A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 1

2 Náplň Napájení síťové napájení, bateriové napájení vestavěných systémů Stabilizace napětí napájecího zdroje opakování, Stabilizátor se Zenerovou diodou lineární regulátor, impulsní regulátor parametry integrovaných regulátorů napětí A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 2

3 Napájení Stabilizátor se Zenerovou diodou, paralelní stabilizátor Zenerovo napětí U Z, jednotky voltů, min. používané - od 3,6 V I 1 I R U 1 I 2 IZD ZD U stab U Z U 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 Zenerovy diody v prac. oblasti Rd = U/ I, jednotky Ohmů A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 3

4 Napájení Zdroje referenčního napětí na principu šířky zakázaného pásu (Bandgap) minimálně 1,24 V Používané ve většině současných stabilizátoru napětí info HB206-D Regul-Handook.pdf ON Semiconductors ve všech mikrořadičích. reference s využitím bang gap reference ( ne Zener. dioda) A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 4

5 Napájení Zdroje referenčního napětí na principu šířky zakázaného pásu (Band Gap) minimálně 1,24 V Používané ve většině současných stabilizátoru napětí Funkční obdoba Zenerovy diody, ale na principu Band Gap TL431 viz cvičení MMP Min. napětí Vref = 2,5 V, dynamický odpor Rd = 0,2 Ohmu, I max = 100 ma, teplotní závislost výstupního napětí 50 ppm / 0 C ( ppm parts per million 50 ppm = 50 miliontin ) TLV431 napětí 1,24 V, I max = 50 ma A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 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 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 6

7 Napájení Stabilizátor se zdrojem ref. napětí a zesilovačem- ideové schéma pro vyšší napětí, než je referenční realizace v integrované verzi A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 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) minimální 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) A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 8

9 Regulátor LM317 vnitřní uspořádání Stabilizátor LM317 proudová ochrana, snímací odpor 0,1 Ohmu A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 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. A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 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 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 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, A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 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 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 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 pouze u větších pouzder např. TO220 T OP Operating junction temperature range rozsah pracovních teplot vlastního čipu A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 14

15 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 buck converter u L = L (di/dt) di/dt = u L /L u L = konst, pak lineární nárůst proudu i není možná skoková změna proudu cívkou výklad odvození průběhu proudu cívkou,.. řešení cívek použité kondenzátory, pojem low ESR spínací diody rychlé, s malým úbytkem napětí spoje z hlediska rušení, malý odpor (a indukčnost), krátké spoje (analogie volnoběžka, a furtšlap ) A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 15

16 Funkce impulsního regulátoru - MC34166 step down - A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 16

17 Funkce impulsního regulátoru LM Pevné, nebo nastavitelné napětí fixed output voltage, nebo adjustable (obdobně u dalších výrobců) di/dt = u L /L teoreticky: (20 V-5 V)/ H= 0,5 A/us kontrola hodnot z obrázku A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 17

18 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 nižší než 90 % (žádané hodnoty výst. napětí) RUN shutdown méně 0,4 V L zastaví, H (větší než 1,3V) povolí funkci regulátoru A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 18

19 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!! Další impulsní regulátory, Step up, - zvyšující, impulsní regulátory další druhy, viz. lit. volba tlumivky do impulsního regulátoru kritická, musí být dimenzována na daný proud a frekvenci impulsů, A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 19

20 Napájení Další impulsní regulátory, Step up, - zvyšující, impulsní regulátory (Boost converter) využití rázu u L = L (di/dt) Pokud cívkou protéká proud a náhle se snažíme se docílit skokové změny proudu, objeví se na cívce napěťová špička (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, ), zapíchnutí připínáčku do dřeva rukou - versus zatloukání hřebíku kladivem použití statické síly, versus použití dynamické (impulsní) síly fáze akumulace energie a fáze předání energie, použití obdobných diferenciálních rovnic pro popis elektrického i mechanického impulsního systému F = m (dv /dt) = ma síla, hmotnost, změna rychlosti za čas = zrychlení napětí- někdy označované jako elektromotorická síla analogie L jako m, A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 20 L D U 1 S + C U 2

21 Poznámka -ovládání zátěže 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 -špič. nebezpečí průrazu přechodu kolektor báze tranzistoru. ( podobně při PWM řízení ss motorku) D použít ochrannou diodu (analogie volnoběžka na jízdním kole) U 1 T Mproc. ale zpomalení odpadu relé, příp. použití rezistoru do série s diodou A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 21

22 Poznámka - ovládání zátěže 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 = L di dt 0 uldt= 0 I Ldi udt 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). A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 22 D D R s U 1 T Mproc.

23 Poznámka ovládání zátěže s indukčním charakterem Ovládání proudu cívkou relé, proudu vinutím motorku ochranná dioda Pokud by nebyla dioda D - nechtěná realizace generátoru napěťových špiček na kolektoru T1 podobně jako v step- up impulsním zdroji D RE + U D 1 +U Mot. R B T R B T 1 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 23

24 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 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 24

25 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 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 25

26 Invertující měnič s MC34166 Invertující měnič vstup + 12V, výstup - 12 V A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 26