Napájení a blokování napájení mikroprocesorů

Napájení a blokování napájení mikroprocesorů v. 2012 Materiál je určen jako pomocný materiál pouze pro studenty zapsané v předmětu: A3B38MMP ČVUT- FEL, katedra měření, přednášející Jan Fischer Jan Fischer, 2012 A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 1

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, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 2

Napájení Stabilizátor se Zenerovou diodou Zenerovo napětí U Z, jednotky voltů, min. používané - od 3,6 V I 1 I R U 1 I 2 I ZD ZD U stab U Z U Vhodné pro malé odběry, stálá velikost proudu I1, 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 A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 3

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 A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 4

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, použito v úloze voltmetr, teplot. závislost 50 ppm / 0 C TLV431 napětí 1,24 V, I max = 50 ma A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 5

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, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 6

Napájení Stabilizátor se zdrojem ref. napětí a zesilovačem- ideové schéma pro vyšší napětí, než je referenční realizace v integrované verzi A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 7

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 317 - ( 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) A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 8

Regulátor LM317 vnitřní uspořádání Stabilizátor LM317 proudová ochrana, snímací odpor 0,1 Ohmu A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 9

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, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 10

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, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 11

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, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 12

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, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 13

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, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 14

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 lin. růst proudi i není možná skoková změna proudu cívkou výklad odvození průběhu proudu cívkou,.. řešení cívek použité kondenzátory, pojem low ESR spínací diody,.. spoje z hlediska rušení, malý odpor (a indukčnost), krátké spoje (analogie volnoběžka, furtšlap A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 15

Funkce impulsního regulátoru - MC34166 step down - A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 16

Funkce impulsního regulátoru LM2596 - Pevné, nebo nastavitelné napětí fixed output voltage, nebo adjustable (obdobně u dalších výrobců) A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 17

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 A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 18

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, A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 19

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, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 20

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, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 21

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, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 22

Invertující měnič s MC34166 Invertující měnič vstup + 12V, výstup - 12 V A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 23

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, ale podobně impulsní regulátor, dodání energie pouze v diskrétních intervalech U = I C T regulátor volba velikosti tak C, aby nebyly rušivé změny napájecího napětí T = 10 us, I = 500 ma C= 100 uf, změna napětí I T 0,5 10 U = = 4 C 10 6 = 0,05V A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 24

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, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 25

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 d i t 1 V = u L = = 2 10 A/s = 20 A/µ/ -9 L 50 10 H = 0,02A / ns u L = L d d i t Logický obvod s velkým impulsním odběrem tlumivka neumožní prudkou změnu proudu z rozvodu U CC, jinak roste u L, kde je di/ dt obvod L U CC + log.ob. C b A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 26

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 I T 0,2 2 10 U = = 9 C 10 10 U CC GND L log.ob. 9 = + 0,04 V C b A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 27

Ovládání akčních členů s indukčním charakterem Výklad na přednášce: ovládání relé, solenoidových ventilů, buzení vinutí krokových motorků, SS motorků nechtěný zvyšující měnič při vypnutí -!!! špičkové napětí ( podobně jako step up měniče). u -špič. nebezpečí průrazu přechodu kolektor báze tranzistoru. ( podobně při PWM řízení ss motorku) D L -indukční zátěž!!! u -špič. U 1 T Mproc. použít ochrannou diodu (rekuperační dioda), ale zpomalení odpadu relé, příp. použití rezistoru do série s diodou U 1 T Mproc. A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 28

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 d d i t = L L u dt L di L = D U 1 T Mproc. D R s 0 L L d dt = 0 u i u Ld t = L I I 0 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, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 29

Pomocné a dohlížecí obvody mikroprocesoru RTC real time clock obvod reálného času, interní externí zálohování napájení, bateriové napájení pro RTC, příp., neb. vnitřní SRAM procesoru monitorování napájecího napětí, hlášení, uložení důležitých dat, reset dohlížecí obvod typu watch dog. A3B38MMP, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha 30