Плюсы и минусы многофазных импульсных регуляторов напряжения питания процессоров. Мир периферийных устройств пк

Микропроцессоры являются самыми мощными потребителями энергии в современных компьютерах. Ток потребления современного микропроцессора может достигать величины нескольких десятков ампер. При этом качество питающего напряжения микропроцессора является важнейшим фактором, определяющим стабильность работы всей системы. О том, как производители системных плат решают проблему обеспечения микропроцессора мощным и качественным питанием, рассказывается в статье, предлагаемой вашему вниманию.

Преамбула

Тактовая частота микропроцессоров неуклонно растет и достигает сейчас уже нескольких ГГц. Повышение тактовой частоты микропроцессора сопровождается значительным увеличением потребляемой им мощности, а, соответственно, приводит и к увеличению температуры кристалла процессора. Кроме того, на энергопотребление микропроцессоров оказывает влияние и повышение количества транзисторов на его кристалле (чем современнее процессор, тем более высокой степенью интеграции он обладает). Хотя КМОП-транзисторы, составляющие основу микропроцессоров, потребляют в закрытом состоянии мизерные токи, но когда речь идет уже о нескольких миллионах транзисторов, расположенных на кристалле процессора, то пренебрегать этим уже не приходится. Основное потребление энергии КМОП-транзисторы осуществляют в момент его включения, и, естественно, что чем чаще транзисторы переключаются, тем большее количество энергии они потребляют. В результате, миллионы транзисторов, переключающихся с высокой частотой, способны обеспечить потребление микропроцессором такого тока, величина которого уже доходит до 50 и более Ампер. Таким образом, кристалл процессора начинает сильно разогреваться, что приводит к значительному ухудшению процессов переключения транзисторов и способно вывести их из строя. При этом решить проблему исключительно путем теплоотвода не удается.

Все это вынуждает производителей снижать питающее напряжение микропроцессоров, точнее, напряжение питания его ядра. Снижение питающего напряжения способно решить проблему мощности, рассеиваемой на кристалле микропроцессора и понизить его температуру. Если самые первые микропроцессоры семейства 80x86 имели питающее напряжение +5В (а впервые снижение напряжения до +3.3В было применено в I80486), то микропроцессоры последних поколений уже могут работать при питающем напряжении +0.5В (см. спецификацию VR11 от Intel).

Но дело в том, что такие низкие напряжения не вырабатываются системным источником питания. Напомним, что на его выходе формируются лишь напряжения +3.3V, +5V и +12V. Таким образом, на системной плате должен появиться собственный регулятор напряжения, способный понизить эти «высоковольтные» напряжения до уровня, необходимого для питания ядра процессора, т.е. до величины 0.5 – 1.6 В (рис.1) .

Рис.1

Так как этот регулятор обеспечивает преобразование постоянного напряжения +12В в постоянное напряжение, но меньшего номинала, то регулятор получил название DC-DC Converter (преобразователь постоянного тока в постоянный ток). Хочется обратить внимание всех специалистов, что напряжение ядра процессора вырабатывается сейчас из напряжения +12V, а не из +5V или +3.3V, как это могло бы показаться более логичным. Дело в том, что напряжение канала +12V является наибольшим, и поэтому в нем можно создать значительно большую мощность при меньшем значении тока. Таким образом, в современных вычислительных системах важнейшим напряжением становится +12V, и именно в этом канале текут наибольшие токи. Это, кстати сказать, нашло отражение и в стандартах, описывающих требования к системным блокам питания, в соответствии с которыми, нагрузочная способность канала +12V является максимальной. Кроме того, на выходе блока питания должно быть два канала напряжения +12В (+12V1 и +12V2), причем контроль тока в каждом из этих каналов должен осуществляться независимо. Один из этих каналов, а именно +12V2, предназначен, как раз, для питания ядра процессора, и к нему предъявляются самые жесткие требования по стабильности и самые малые допуски на отклонения от номинального значения.

Необходимо отметить еще и следующий момент. Так как мощность, потребляемая процессорами, является достаточно большой (может достигать почти 100 Вт), то преобразование напряжения необходимо осуществлять импульсным методом. Линейное преобразование не способно обеспечить достаточно высокий КПД на такой мощности, и будет приводить к значительным потерям, а следовательно, и к нагреву элементов преобразователя. На сегодняшний день только импульсное преобразование позволяет получить эффективный и экономичный источник питания с небольшими габаритами и с приемлемой стоимостью исполнения. Таким образом, на системной плате находится DC-DC Converter, являющийся импульсным преобразователем понижающего типа (Step Down или Trim).

DC-DC Converter понижающего типа

Базовая схема понижающего преобразователя постоянного тока представлена на рис.2. Хочется отметить, что регуляторы такого типа в современной импортной литературе получили название Buck Converter или Buck Regulator. Транзистор Q1 в этой схеме является ключом, который, замыкаясь/размыкаясь, создает из постоянного напряжения импульсное напряжение.

Рис.2

При этом амплитуда формируемых импульсов равна 12В. Для повышения эффективности преобразования, Q1 должен переключаться с высокой частотой (чем выше частота, тем эффективнее преобразование). В реальных схемах регуляторов системных плат частота переключения транзисторов преобразователя может находиться в диапазоне от 80 кГц до 2 МГц.

Далее, полученное импульсное напряжение сглаживается дросселем L1 и электролитическим конденсатором C1. В результате, на C1создается постоянное напряжение, но меньшей величины. При этом величина созданного постоянного напряжения будет пропорциональна ширине импульсов, полученных на выходе Q1. Если транзистор Q1 открывается на большее время, то энергия, накопленная на L1, также будет больше, что, в итоге, приводит к повышению напряжения на C1. Соответственно, и, наоборот – при меньшей длительности открытого состояния транзистора Q1 , напряжение на С1 снижается. Этот метод регулирования постоянного напряжения получил название широтно-импульсная модуляция - ШИМ (PWM – Pulse Width Modulation).

Очень важным элементом схемы является диод D1. Этим диодом поддерживается ток нагрузки, создаваемый дросселем L1, в те периоды времени, когда транзистор Q1 закрыт. Другими словами, при открытом Q1, ток дросселя и ток нагрузки обеспечивается источником питания, а в дросселе при этом накапливается энергия. После закрывания транзистора Q1, ток нагрузки поддерживается за счет энергии, накопленной на дросселе. Этот ток протекает через D1, т.е. энергия дросселя расходуется на поддержание тока нагрузки (см. рис.3 ).

Рис.3

Однако в практических схемах понижающих регуляторов, формирующих мощные токи, возникают некоторые проблемы. Дело в том, что большинство диодов не обладает достаточным быстродействием, а также имеют относительно большое сопротивление открытого p-n перехода. Все это не имеет решающего значения при малых токах нагрузки. А вот при больших токах, все это приводит к значительным потерям, сильному разогреву диода D1, всплескам напряжения и к возникновению обратных токов через диод при переключениях транзистора Q1. Именно поэтому данная схема была доработана с целью повышения быстродействия и снижения потерь, в результате чего вместо диода D1 стали использовать еще один транзистор – Q2 (рис.4) .

Рис.4

Транзистор Q2, являясь МОП-транзистором, имеет очень малое сопротивление открытого канала и обладает высоким быстродействием. Так как Q2 выполняет функцию диода, то он работает синхронно с Q1, но строго в противофазе, т.е. в момент запирания Q1, транзистор Q2 открывается, и, наоборот, при открытом Q1, транзистор Q2 – закрыт (см. рис.5) .

Рис.5

Именно такое решение и является единственно возможным для организации преобразователей напряжения современных системных плат, где, как мы уже говорили, требуются очень большие токи для питания процессора.

Закончив обзор базовых технологий организации импульсных регуляторов напряжения, переходим к рассмотрению практических схем их реализации.

Основы организации регуляторов напряжений ядра процессора

Сразу стоит оговориться, что уже достаточно давно производители элементной базы начали выпуск специализированных микросхем, предназначенных для построения импульсных регуляторов напряжения системных плат персональных компьютеров. Применение подобных специализированных микросхем позволяет улучшить характеристики регуляторов, обеспечить их высокую компактность и снизить стоимость, как самих регуляторов, так и стоимость их разработки. На сегодняшний день можно выделить три типа микросхем, использующихся в регуляторах напряжения системных плат, предназначенных для питания ядра процессора:

- основной контроллер (Main Controller), который называют еще, как ШИМ-контроллером (PWM-Controller) или регулятором напряжения (Voltage Regulator);

- драйвер управления МОП-транзисторами (Synchronous-Rectifier MOSFET Driver);

- комбинированный контроллер, совмещающий в себе функции и ШИМ-контроллера, и драйвера МОП-транзисторов.

С учетом разновидности используемых микросхем, в современных системных платах мы можем встретить два основных варианта построения импульсных регуляторов напряжения для питания ядра процессора.

I вариант. Этот вариант характерен для применения в системных платах начального уровня, отличающихся невысокой производительностью, т.е. он, чаще всего, применяется на системных платах, в которых не предусмотрено использование высокопроизводительных и мощных процессоров. В этом варианте управление силовыми транзисторами преобразователя осуществляется микросхемой комбинированного контроллера. Эта микросхема обеспечивает выполнение следующих функций:

- считывание состояния сигналов идентификации питающего напряжения процессора (VIDn);

- формирование ШИМ-сигналов для синхронного управления силовыми МОП-транзисторами;

- контроль величины формируемого напряжения питания;

- осуществление токовой защиты силовых МОП-транзисторов;

- формирование сигнала, подтверждающего правильную работу регулятора и наличие на его выходе корректного напряжения для питания ядра процессора (сигнал PGOOD).

Пример такого варианта регулятора напряжения представлен на рис.6 . В этом случае, как мы видим, силовые транзисторы непосредственно подключены к выходам микросхемы комбинированного контроллера. В качестве такого контроллера достаточно часто использовалась микросхема HIP6004.

Рис.6

II вариант. Этот вариант характерен для системных плат, предназначенных для работы с высокопроизводительными процессорами. Так как высокопроизводительный процессор подразумевает потребление больших токов, то регулятор напряжения делают многоканальным (рис.7).

Рис.7

Наличие нескольких каналов позволяет уменьшить величину тока каждого канала, т.е. уменьшить токи, коммутируемые МОП-транзисторами. Это, в свою очередь, повышает надежность всей схемы и позволяет использовать менее мощные транзисторы, что положительно сказывается на стоимости, как самого регулятора, так и системной платы в целом.

Данный вариант регулятора характеризуется использованием двух типов микросхем: главного ШИМ-контроллера и драйверов МОП-транзисторов. Синхронное управление МОП-транзисторами осуществляется драйверами, каждый из которых может управлять как одной, так и двумя парами транзисторов. Драйвер обеспечивает противофазное переключение транзисторов в соответствии с входным сигналом (чаще всего обозначается PWM), который определяет частоту переключения и время открытого состояния транзисторов. Количество микросхем драйверов соответствует количеству каналов импульсного регулятора.

Управления всеми драйверами, осуществляет главный контроллер (Main Controller), к основным функциям которого можно отнести:

- формирование импульсов для управления драйверами МОП-транзисторов;

- изменение ширины этих управляющих импульсов с целью стабилизации выходного напряжения регулятора;

- контроль величины выходного напряжения регулятора;

- обеспечение токовой защиты МОП-транзисторов;

- считывание состояния сигналов идентификации питающего напряжения процессора (VIDn).

Кроме этих функций, могут выполняться и другие, вспомогательные функции, наличие которых будет определяться типом используемого главного контроллера.

Общая схема подобного регулятора напряжения представлена на рис.8 . Большинство современных главных контроллеров являются 4-х канальными, т.е. имеют 4 выходных сигнала PWM для управления транзисторными драйверами.

Рис.8

Итак, на текущий момент времени, регуляторы напряжения для ядра процессора могут быть 2-х канальными, 3-х канальными и 4-х канальными.

Пример реализации 2-х канального регулятора представлен на рис.9 . Этот регулятор построен с использованием микросхемы Main Controller типа HIP6301, который, в принципе является четырехканальным, но два канала остались незадействованными.

Рис.9

В качестве драйверов ключей в данной схеме использованы микросхемы HIP6601B.

Пример реализации 4-х канального регулятора с использованием того же самого Main Controller"а представлен на рис.10 .

Рис.10

Контроллер HIP6301 декодирует напряжение ядра процессора с учетом 5-разрядного идентификационного кода (VID0 – VID4) и формирует выходные ШИМ-импульсы с частотой до 1.5 МГц. Кроме того, им формируется сигнал PGOOD (хорошее питание) в том случае, если напряжение ядра процессора, сформированное регулятором напряжения, соответствует значению, заданному с помощью сигналов VIDn.

Особенности многоканальных регуляторов

При использовании многоканальных регуляторов напряжения можно отметить несколько проблем, которые приходится решать разработчикам системных плат. Дело в том, что каждый канал представляет собой импульсный регулятор, который, переключаясь с высокой частотой, создает на своем выходе импульсы тока. Эти импульсы, естественно, должны сглаживаться, и для этого используются электролитические конденсаторы и дроссели. Но дело в том, что из-за большой токовой нагрузки, емкости конденсаторов и индуктивности дросселей, все-таки, не хватает для создания действительно постоянного напряжения, в результате чего, на шине питания процессора наблюдаются пульсации (рис.11) . Причем от этих пульсаций не спасает ни увеличение количества конденсаторов, ни увеличение емкости конденсаторов и индуктивности дросселей, ни увеличение частоты преобразования (если только не говорить об увеличении частоты в несколько раз). Естественно, что эти пульсации способны привести к нестабильной работе процессора.

Рис.11

Выход из проблемы, как раз, найден в использовании многоканальной архитектуры регулятора напряжения. Но только лишь использованием нескольких параллельных каналов решить проблему, все равно, не удастся. Необходимо сделать так, чтобы ключи разных каналов переключались с фазовым смещением, т.е. они должны открываться поочередно. Это позволит сделать так, что каждый канал будет поддерживать выходной ток регулятора в строго отведенный период времени. Другими словами, сглаживающие конденсаторы будут подзаряжаться постоянно, но от разных каналов в разные моменты времени. Так, например, при использовании 4-х канального регулятора, выходные конденсаторы подзаряжаются четыре раза за один тактовый период контроллера, т.е. импульсные токи отдельных каналов смещены по фазе друг относительно друга на 90° (см. рис.12 ). Это соответствует увеличению частоты преобразования в 4 раза, и если частота переключения транзисторов каждого канала равна 0.5 МГц, то частота импульсов на сглаживающем конденсаторе будет составлять уже 2 МГц.

Рис.12

Таким образом, ШИМ-импульсы, которые формируются на выходе микросхемы главного контроллера (выходные сигналы PWM), должны следовать с определенным фазовым смещением и это фазовое смещение определяется внутренней архитектурой микросхемы и задается, как правило, уже на этапе проектирования микросхемы. Но некоторые контроллеры позволяют конфигурировать их под разные режимы работы: 2-фазное, 3-фазное или 4-фазное управление (о том, как это делается можно узнать в описаниях на сами контроллеры).

Отличительные особенности:

• Наименьший сдвоенный повышающий преобразователь: 16-выв. QSOP
• К.п.д. 90%
• Старт при питании напряжением 1.5В
• Максимальный общий потребляемый ток 85 мкА
• Потребляемый ток в режиме выключения 1 мкА
• Раздельные входы выключения
• Управляет двумя N-канальными МОП-транзисторами для поверхностного монтажа
• Вход и выход компаратора определения разряда батареи
• Возможность использования как повышающего и как понижающего преобразователя

Области применения:

• Портативное оборудование с 2- и 3-х элементным питанием
• Органайзеры
• Электронные переводчики
• Портативные, переносные контрольно-измерительные приборы
• Портативные компьютеры
• Персональные цифровые помощники (PDA)
• Источники двойного питания (питание логики и ЖКИ)

Типовая схема включения:

Расположение выводов:

Описание выводов:

SENSE1	Вход обратной связи преобразователя 1 в режиме фиксированного выходного напряжения
VDD	Вход напряжения питания
BOOT	Вход разрешения работы генератора повышения напряжения для запуска при 1.5 В питания
FB1, FB2	Входы обратной связи и выбора предустановленных напряжений
EXT1, EXT2	Выходы драйверов
PGND	Сильноточный общий
GND	Общий
CS1, CS2	Входы компараторов контроля тока
SHDN1, SHDN2	Входы перевода в режим выключения
LBI	Вход компаратора контроля разряда батареи (порог 1.25В)
REF	Выход опорного напряжения
LBO	Выход компаратора контроля разряда батареи

Описание:

MAX863 - преобразователь постоянного напряжения с двумя выходами, который содержит два независимых повышающих контроллера в одном компактном корпусе. ИМС выполнена по технологии Bi-CMOS и потребляет всего 85 мкА при работе обеих контроллеров. Минимальное входное напряжение питания составляет 1.5В, что позволяет использовать данную ИМС в органайзерах, переводчиках и другом маломощном портативном оборудовании. MAX863 обеспечивает к.п.д. преобразования 90% при токе нагрузке от 20 мА до 1А. Данная малогабаритная ИМС выпускается в 16-выв. корпусе QSOP, который занимает те же размеры, что и 8-выв. корпус SOIC.

ИМС использует архитектуру частотно-импульсной модуляции с ограничением тока, которая характеризуется небольшими выбросами тока при запуске и малым током потребления, тем самым обеспечивая высокий к.п.д. преобразования в широком диапазоне нагружения. Каждый контроллер управляет недорогим, внешним, N-канальным МОП-транзистором, размер которого оптимизирован для любых выходных токов и напряжений.

В более мощных системах два MAX863 могут использоваться для генерации напряжений 5В, 3.3В, 12В и 28В, используя при этом в качестве источника питания всего два или три элемента питания. Для ускорения сроков проектирования выпускается оценочный набор MAX863EVKIT. Если требуется контроллер с одним выходом, то см. документацию на MAX608 и MAX1771.

Устройство имеет меню. Вход в меню, перемещение в нем и выход осуществляется одновременным нажатием кнопок "Н"и"В". В процессе этого на индикаторе появляется соответствующая мнемоника, "H-U", "B-U" (нижняя и верхняя границы напряжения),"H-I", "B-I" (нижняя и верхняя границы тока), "P-0" , "P-1" - режим ручной или автоматический, включения реле после возврата напряжения или тока в заданные границии. "-З-" сигнализирует о записи установленных параметров в энергонезависимую память и выходе из режима меню. В режиме меню кнопки "Н" и "В" позволяют менять параметры в ту или иную сторону, причем удержание кнопки, около 3-х сек., ускоряет изменение параметра. Изменение происходит по кругу, 99,8-99,9-0,0-0,01 и т.д. При выходе за установленные пределы, происходит отключения реле, индикатор начинает мигать, сигнализируя о аварии. Т.о. устройство позволяет как заряжать, так и разряжать АБ до определенного напряжения. Причем, автоматический режим позволяет держать АБ постоянно заряженной, а ручной, контролировать емкость АБ, в А/часах.

Несколько замечаний. Не забудте запитать 74HC595, 16н.-+5В, 8н.-"земля". На кнопках лучше применять пару резисторов 3К3 и 10К. Полярность индикатора не имеет значения, выбирается резистором на 11 ноге контроллера (как на схеме).

Пример применения для зарада/разряда АБ:

Hex-файл для микроконтроллера PIC16F676, с функциями контроля.
У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера - файл прошивки для вольтампервольтметра с параметрами Umax=99,9В; Imax=9,99A; Pmax=99,9/999 W; Cmax=9,99 A/h.
У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера - hex_файл вольтамперметра с усечёнными функциями, только Umax=99,9В и Imax=9,99A

Этим уроком я начинаю серию статей посвященных импульсным стабилизаторам, цифровым регуляторам, устройствам управления выходной мощностью.

Цель, которую я поставил это разработка контроллера для холодильника на элементе Пельтье.

Будем делать аналог моей разработки , только реализованный на основе платы Ардуино.

• Эта разработка многих заинтересовала, и мне посыпались письма с просьбами реализовать ее на Ардуино.
• Разработка идеально подходит для изучения аппаратной и программной части цифровых регуляторов. К тому же она объединяет в себе множество задач, изученных в предыдущих уроках:
  • измерение аналоговых сигналов;
  • работа с кнопками;
  • подключение систем индикации;
  • измерение температуры;
  • работа с EEPROM;
  • связь с компьютером;
  • параллельные процессы;
  • и многое другое.

Разработку я буду вести последовательно, шаг за шагом, поясняя свои действия. Что в результате получится – не знаю. Надеюсь на полноценный рабочий проект контроллера холодильника.

У меня нет готового проекта. Уроки я буду писать по текущему состоянию, поэтому в ходе испытаний может выясниться, что на каком-то этапе я ошибся. Буду исправлять. Это лучше, чем я отлажу разработку и выдам готовые решения.

Отличия разработки от прототипа.

Единственное функциональное отличие от прототипа разработки на PIC-контроллере – это отсутствие быстрого стабилизатора напряжения, который компенсирует пульсации питающего напряжения.

Т.е. данный вариант устройства должен питаться от стабилизированного источника питания с низким уровнем пульсаций (не более 5%). Этим требованиям отвечают все современные импульсные блоки питания.

А вариант питания от нестабилизированного блока питания (трансформатор, выпрямитель, емкостной фильтр) исключен. Быстродействие системы Ардуино не позволяет реализовать быстрый регулятор напряжения. Рекомендую прочитать о требованиях к питанию элемента Пельтье.

Разработка общей структуры устройства.

На этом этапе надо в общем виде понять:

• из каких элементов состоит система;
• на каком контроллере ее выполнить;
• достаточно ли выводов и функциональных возможностей контроллера.

Я представляю контроллер “черным ящиком” или “мусорной ямой” и подключаю к нему все что надо. Потом смотрю, подходит ли для этих целей, например, плата Arduino UNO R3.

В моей интерпретации это выглядит так.

Я нарисовал прямоугольник – контроллер и все сигналы, необходимые для подключения элементов системы.

Я решил, что необходимо подключить к плате:

• LCD индикатор (для отображения результатов и режимов);
• 3 кнопки (для управления);
• светодиод индикации ошибки;
• ключ управления вентилятором (для включения вентилятора радиатора горячей стороны);
• ключ импульсного стабилизатора (для регулировки мощности элемента Пельтье);
• аналоговый вход измерения тока нагрузки;
• аналоговый вход измерения напряжения нагрузки;
• датчик температуры в камере (точный 1-wire датчик DS18B20);
• датчик температуры радиатора (еще не решил, какой датчик, скорее тоже DS18B20);
• сигналы связи с компьютером.

Всего получилось 18 сигналов. У платы Arduino UNO R3 или Arduino NANO 20 выводов. Осталось еще 2 вывода про запас. Может, захочется еще одну кнопку подключить, или светодиод, или датчик влажности, или вентилятор холодной стороны… Нам требуется 2 или 3 аналоговых входа, у платы – 6. Т.е. все нас устраивает.

Можно назначить номера выводов сразу, можно в ходе разработки. Я назначил сразу. Подключение происходит через разъемы, всегда можно изменить. Имейте в виду, что назначение выводов неокончательное.

Импульсные стабилизаторы.

Для точной стабилизации температуры и работы элемента Пельтье в оптимальном режиме необходимо регулировать мощность на нем. Регуляторы бывают аналоговые (линейные) и импульсные (ключевые).

Аналоговые регуляторы представляют собой последовательно подключенные к источнику питания регулирующий элемент и нагрузку. За счет изменения сопротивления регулирующего элемента происходит регулировка напряжения или тока на нагрузке. В качестве регулирующего элемента, как правило, используется биполярный транзистор.

Регулирующий элемент работает в линейном режиме. На нем выделяется “лишняя” мощность. При больших токах стабилизаторы такого типа сильно греются, имеют небольшой КПД. Типичным линейным стабилизатором напряжения является микросхема 7805.

Нам такой вариант не подходит. Будем делать импульсный (ключевой) стабилизатор.

Импульсные стабилизаторы бывают разные. Нам нужен понижающий импульсный регулятор. Напряжение на нагрузке в таких устройствах всегда ниже напряжения питания. Схема понижающего импульсного регулятора выглядит так.

А это диаграмма работы регулятора.

Транзистор VT работает в ключевом режиме, т.е. у него может быть только два состояния: открыт или закрыт. Устройство управления, в нашем случае микроконтроллер, коммутирует транзистор с определенной частотой и скважностью.

• Когда транзистор открыт ток течет по цепи: источник питания, транзисторный ключ VT, дроссель L, нагрузка.
• При разомкнутом ключе энергия, накопленная в дросселе, поступает в нагрузку. Ток течет по цепи: дроссель, диод VD, нагрузка.

Таким образом, постоянное напряжение на выходе регулятора зависит от соотношения времени открытого (tоткр) и закрытого ключа (tзакр), т.е. от скважности импульсов управления. Меняя скважность, микроконтроллер может менять напряжение на нагрузке. Конденсатор C сглаживает пульсации выходного напряжения.

Главное достоинство такого способа регулирования – высокий КПД. Транзистор всегда находится в открытом или закрытом состоянии. Поэтому на нем рассеивается небольшая мощность - всегда или напряжение на транзисторе близко к нулю, или ток равен 0.

Это классическая схема импульсного понижающего регулятора. В ней ключевой транзистор оторван от общего провода. Транзистором тяжело управлять, требуются специальные цепи смещения к шине напряжения питания.

Поэтому я изменил схему. В ней нагрузка оторвана от общего провода, зато к общему проводу привязан ключ. Такое решение позволяет управлять транзисторным ключом от сигнала микроконтроллера, используя простой драйвер-усилитель тока.

• При замкнутом ключе ток поступает в нагрузку по цепи: источник питания, дроссель L, ключ VT (путь тока показан красным цветом).
• При разомкнутом ключе энергия, накопленная в дросселе возвращается в нагрузку через рекуперативный диод VD (путь тока показан синим цветом).

Практическая реализация ключевого регулятора.

Нам необходимо реализовать узел импульсного регулятора со следующими функциями:

• собственно ключевой регулятор (ключ, дроссель, рекуперативный диод, сглаживающий конденсатор);
• цепь измерения напряжения на нагрузке;
• цепь измерения тока регулятора;
• аппаратная защита от превышения тока.

Я, практически без изменений, взял схему регулятора из .

Схема импульсного регулятора для работы с платой Ардуино.

В качестве силового ключа я использовал MOSFET транзисторы IRF7313. В статье об увеличении мощности контроллера элемента Пельтье я подробно писал об этих транзисторах, о возможной замене и о требованиях к ключевым транзисторам для этой схеме. Вот ссылка на техническую документацию .

На транзисторах VT1 и VT2 собран драйвер ключевого MOSFET транзистора. Это просто усилитель по току, по напряжению он даже ослабляет сигнал примерно до 4,3 В. Поэтому ключевой транзистор обязательно должен быть низкопороговым. Есть разные варианты реализации драйверов MOSFET транзисторов. В том числе и с использованием интегральных драйверов. Этот вариант самый простой и дешевый.

Для измерения напряжения на нагрузке используется делитель R1, R2. При таких значениях сопротивлений резисторов и источнике опорного напряжения 1,1 В, диапазон измерения составляет 0 … 17,2 В. Цепь позволяет измерить напряжение на втором выводе нагрузки относительно общего провода. Напряжение на нагрузке мы вычислим, зная напряжение источника питания:

Uнагрузки = Uпитания – Uизмеренное.

Понятно, что точность измерения будет зависеть от стабильности поддержания напряжения источника питания. Но нам не нужна высокая точность измерения напряжения, тока, мощности нагрузки. Нам нужно точно измерять и поддерживать только температуру. Ее мы и будем измерять с высокой точностью. А если система покажет, что на элементе Пельтье установлена мощность 10 Вт, а на самом деле будет 10,5 Вт, это ни как не отразится на работе устройства. Это касается всех остальных энергетических параметров.

Ток измеряется с помощью резистора-датчика тока R8. Компоненты R6 и C2 образуют простой фильтр низких частот.

На элементах R7 и VT3 собрана простейшая аппаратная защита. Если ток в цепи превысит 12 А, то на резисторе R8 напряжение достигнет порога открывания транзистора 0,6 В. Транзистор откроется и замкнет вывод RES (сброс) микроконтроллера на землю. Все должно отключится. К сожалению, порог срабатывания такой защиты определяется напряжением база-эммитер биполярного транзистора (0,6 В). Из-за этого защита срабатывает только при значительных токах. Можно применить аналоговый компаратор, но это усложнит схему.

Ток будет измеряться точнее при увеличении сопротивления датчика тока R8. Но это приведет к выделению на нем значительной мощности. Даже при сопротивлении 0,05 Ом и токе 5 А на резисторе R8 рассеивается 5 * 5 * 0,05 = 1,25 Вт. Обратите внимание, что резистор R8 имеет мощность 2 Вт.

Теперь, какой ток мы измеряем. Мы измеряем ток потребления импульсного стабилизатора от источника питания. Схема измерения этого параметра гораздо проще, чем схема измерения тока нагрузки. Нагрузка у нас “отвязана” от общего провода. Для работы системы необходимо измерять электрическую мощность на элементе Пельтье. Мы вычислим мощность потребляемую регулятором, умножив напряжение источника питания на потребляемый ток. Посчитаем, что наш регулятор имеет КПД 100% и решим, что это и есть мощность на элементе Пельтье. На самом деле КПД регулятора будет 90-95%, но эта погрешность никак не скажется на работе системы.

Компоненты L2, L3, C5 – простой фильтр радиопомех. Возможно, в нем нет необходимости.

Расчет дросселя ключевого стабилизатора.

Дроссель имеет два параметра, важных для нас:

• индуктивность;
• ток насыщения.

Необходимая индуктивность дросселя определяется частотой ШИМ и допустимыми пульсациями тока дросселя. На эту тему есть очень много информации. Я приведу самый упрощенный расчет.

Мы подали на дроссель напряжение и ток через него начал увеличиваться ток. Увеличиваться, а не появился, потому что какой-то ток уже протекал через дроссель в момент включения Iвкл).

Транзистор открылся. К дросселю подключили напряжение:

Uдросселя = Uпитания – Uнагрузки.

Ток через дроссель начал нарастать по закону:

Iдросселя = Uдросселя * tоткр / L

• tоткр – длительность импульса открытого ключа;
• L - индуктивность.

Т.е. значение пульсации тока дросселя или на сколько увеличился ток за время открытого ключа определяется выражением:

Iвыкл – Iвкл = Uдросселя * tоткр / L

Напряжение на нагрузке может меняться. А оно определяет напряжение на дросселе. Существуют формулы, учитывающие это. Но в нашем случае я бы принял такие значения:

• напряжение питания 12 В;
• минимальное напряжение на элементе Пельтье 5 В;
• значит максимальное напряжение на дросселе 12 – 5 = 7 В.

Длительность импульса открытого ключа tоткр определяется частотой периода ШИМ. Чем она выше, тем меньшей индуктивности необходим дроссель. Максимальная частота ШИМ платы Ардуино 62,5 кГц. Как получить такую частоту я расскажу в следующем уроке. Ее и будем использовать.

Возьмем худший вариант – ШИМ переключается ровно в середине периода.

• Длительность периода 1 / 62500 Гц = 0,000016 сек = 16 мкс;
• Длительность открытого ключа = 8 мкс.

Пульсации тока в таких схемах обычно задают до 20% от среднего тока. Не надо путать с пульсациями выходного напряжения. Их сглаживают конденсаторы на выходе схемы.

Если мы допускаем ток 5 А, то возьмем пульсации тока 10 % или 0,5 А.

L = Uдросселя * tоткр / Iпульсаций = 7 * 8 / 0,5 = 112 мкГн.

Ток насыщения дросселя.

Все на свете имеет предел. И дроссель тоже. При каком-то токе он перестает быть индуктивностью. Это и есть ток насыщения дросселя.

В нашем случае максимальный ток дросселя определяется как средний ток плюс пульсации, т.е. 5,5 А. Но лучше ток насыщения выбирать с запасом. Если мы хотим, чтобы работала аппаратная защита в этом варианте схемы, то он должен быть не менее 12 А.

Ток насыщения определяется воздушным зазором в магнитопроводе дросселя. В статьях о контроллерах элемента Пельтье я рассказывал о конструкции дросселя. Если я начну разворачивать эту тему подробно, то мы уйдем от Ардуино, от программирования и не знаю когда вернемся.

У меня дроссель выглядит так.

Естественно, провод обмотки дросселя должен быть достаточного сечения. Расчет простой – определение тепловых потерь за счет активного сопротивления обмотки.

Активное сопротивление обмотки:

Rа = ρ * l / S,

• Rа – активное сопротивление обмотки;
• Ρ – удельное сопротивление материала, для меди 0,0175 Ом мм2 / м;
• l – длина обмотки;
• S – сечение провода обмотки.

Тепловые потери на активном сопротивлении дросселя:

Ключевой регулятор потребляет от источника питания приличный ток и нельзя допускать, чтобы этот ток проходил через плату Ардуино. На схеме показано, что провода от блока питания подключены непосредственно к блокировочным конденсаторам C6 и C7.

Основные импульсные токи схемы проходят по контуру C6, нагрузка, L1, D2, R8. Эта цепь должна замыкаться связями с минимальной длиной.

Общий провод и шина питания платы Ардуино подключаются к блокировочному конденсатору C6.

Провода сигналов между платой Ардуино и модулем ключевого стабилизатора должны быть минимальной длины. Конденсаторы C1 и C2 лучше расположить на разъемах подключения к плате.

Я собрал схему на плате . Запаял только нужные компоненты. Выглядит собранная схема у меня так.

Я задал ШИМ 50% и проверил работу схемы.

• При питании от компьютера плата формировала заданный ШИМ.
• При автономном питании от внешнего блока питания все замечательно работало. На дросселе формировались импульсы с хорошими фронтами, на выходе было постоянное напряжение.
• Когда я включил одновременно питание и от компьютера, и от внешнего блока питания у меня сгорела плата Ардуино.

Моя глупая ошибка. Расскажу, чтобы ее никто не повторил. Вообще, подключая внешний блок питания надо быть аккуратным, прозвонить все связи.

У меня случилось следующее. На схеме не было диода VD2. Я добавил его после этой неприятности. Я посчитал, что плату можно питать от внешнего источника через вывод Vin. Сам же написал в уроке 2, что плата может получать питание от внешнего источника через разъем (сигнал RWRIN). Но я думал, что это один и тот же сигнал, только на разных разъемах.

0 Рубрика: . Вы можете добавить в закладки.