Csökkent és növel…

Egy szinkron egyenfeszültség-csökkentő és -növelő átalakítót akár egyetlen mikrovezérlővel is megvalósíthatunk – ráadásul 100%-os analóg szabályozással a precíz kimenőfeszültség-szabályozás érdekében. Ennek az az előnye is megvan, hogy a mikrovezérlő számítási kapacitását nem köti le a tápegységfunkció megvalósítása, hanem marad szabad kapacitás egyéb firmware-funkciók ellátá­sára is. A cikk példa arra, hogyan lehet egy mikrovezérlő beépített analóg funkcióival és progra­mozható csatlakozópontjaival helyesen „gazdálkodva” komplex alkalmazásokat felépíteni.

Analóg vezérlésű feszültségcsökkentő és -növelő DC/DC-átalakítók

A kapcsolóüzemű tápegységek analóg szabályozásának előnye, hogy az analóg szabályozóhuroknak sokkal rövidebb a válaszideje, ha a terhelés vagy a bemeneti feszültség változásainak a kimenetre gyakorolt hatását kell csökkentenie. Ezért az analóg szabályozóhurok használata számos alkalmazásban felmerül.
A szóbanforgó mikrokontroller (MCU) a Microchip PIC16F753 típusa. Mind a feszültségcsökkentő, mind a növelő átalakító megoldásához ugyanarra a perifériakészletre van szükség: egy ellenütemű, kimeneti kapcsolópárra: Complementary Output Generator – COG), komparátorra (COMP) és műveleti erősítőre (Operational Amplifier – OA), egy 9 bites DA-átalakítóra (DAC), egy állandó feszültségreferenciára (Fixed Voltage Reference – FVR), egy felfutási meredekséget kompenzáló (Slope Compensation – SC) modulra és egy „elfog és összehasonlít”-típusú impulzusszélesség-modulátorra (Capture and Compare PWM – CCP). Az adott MCU-ban ezeket a perifériákat firmware-vezérléssel kialakított belső „huzalozással” kapcsoljuk össze, amely a szükséges külső csatlakozópontok számát csökkenti.

Az áramkör kapcsolási rajza

A működési bemenőfeszültség-tartomány 8…16 V egyenfeszültség. Az elvárt kimeneti paraméterek: 5 V egyenfeszültség 2 A terhelhetőséggel, tehát a kimenőteljesítmény 10 W. A programkód terje­delme 105 programszó, RAM-igénye 0 bájt, tehát az egyéb feladatokra szabadon maradó eszközkapacitás 1943 programszó és 128 bájt RAM. A mért hatásfok 2 A terhelésnél 94%.
A szinkron feszültségcsökkentő átalakító tömbvázlatát az 1. ábra mutatja. A kimeneti feszültség stabilizálása csúcsáram-üzemmódú szabályozással történik, a kimeneti feszültséget a referenciaforrással a hibajel-erősítő műveleti erősítő hasonlítja össze. Az összehasonlítás eredményét a csúcsáram-komparátorra vezetjük. A belső jelme­redekség-kompenzáló modul kivon egy szoftver által meghatározott, programozható, időben lineárisan változó értéket a hibaerősítő kimenetéből, mielőtt az a csúcsáram-komparátorra kerülne. A CCP egy állandó frekvenciájú és kitöltési tényezőjű vezérlőjelet állít elő, amelyet a csúcsáram-komparátor módosít a komplementer kimeneti kapcsolójel lefutó élén.

1. ábra A feszültségcsökkentő egyenfeszültség-átalakító tömbvázlata

A feszültségnövelő átalakító hasonló módon működik, tömbvázlata a 2. ábrán látható. Van azonban néhány különbség az eltérő specifikáció miatt. Ebben az esetben a bemenőfeszültség 3…5 V egyenfeszültség. A kimeneti feszültség (5 V) és a maximális terhelőáram (2 A) azonos. A programkód ez esetben sem használ RAM-ot, a kódméret 99 programszó, a fennmaradó szabad programkapacitás tehát 1949 programszó. Az átalakító hatásfoka 2 A ter­he­lésnél 87%.

2. ábra A feszültségnövelő egyenfeszültség-átalakító tömbvázlata

Hogyan működik?

Miután a perifériákat konfiguráltuk és összecsatlakoztattuk, a szabályozóhurok „magától”, processzoridő igénybevétele nélkül működni kezd. A csúcsáram-szabályozáson alapuló megoldások az 50%-ot meghaladó kitöltési tényező esetén kialakuló oszcillációt megelőző jelmeredekség-kompenzációt igényelnek. Ez az alacsonyabb kitöltési tényezőknél is fokozza a szabályozóhurok stabilitását, ha az áramérzékelő söntellenállása kis értékű. A PIC16F753 belső jelmeredekség-kompenzáló modullal rendelkezik, amely arra használható, hogy egy programoz­ható mere­dek­ségű, időben lineárisan változó értéket vonjunk ki a hibaerősítő kimeneti jeléből, mielőtt azt a csúcsáram-komparátorra vezetnénk.
A szinkron kapcsolóüzemű tápegységeknél egy rövid holtidőre is szükség van a tranzisztorok vezérlőjelében ahhoz, hogy elkerüljük az ellenütemű tranzisztorok egymásba vezetését. Ezt az időkésleltetést egy – az oszcillá­torjelből származtatott jelként is előállíthatjuk, de analóg késlel­tetővonalat is alkalmazhatunk. A kés­leltetőlánc 5 ns-os felbontással teszi lehetővé a holtidő beállítását, amely inkább a kis tranzisztorokhoz felel meg. Ebben az alkalmazásban a holtidőt 30 ns-ra állítottuk be.
A feszültségcsökkentő topológiánál az induktivitás árama egy­enlő a terhelőárammal. Ahhoz, hogy az induktivitás csúcsáramát egy alsó­oldali sönt­el­lenállással mérhessük, néhány módosítás szükséges.
A szokásos körülmények között a söntel­lenállás a szűrt kimeneti áramot „látja”, ezért nem alkalmas a csúcs­áramalapú szabályozás megvalósítá­sára. Azzal, hogy a kimeneti kapacitásokat a söntön keresztül kapcsoljuk a földpontra, az ekvivalens soros ellenállás növekszik ugyan, de a söntellen­álláson eső feszültség hullámalakja jobban megfelel az induktivitáson folyó áraménak. E módszer hátránya a kissé rosszabb hatásfok, a felsőoldali sönt azonban további áramkörök (áramtükör vagy speciális érzékelő áramkör) beépítését igényelné, ezért költségnövekedést vonna maga után.
A feszültségnövelő topológiában az induktivitás árama a be­menő árammal azonos. Az induktivitás csúcsárama ezért közvetlenül mérhető egy ellenállással, amely a tranzisztor forráselektródája és a földpont közé van kapcsolva.

Bemenet és kimenet

A kimeneti áramkorlátozás nem a szabályozóhurok része, ezért egy második komparátort kell alkalmaznunk arra, hogy áramtúlterheléskor automatikusan kikapcsolja a komplementer kapcsolótranzisztorokat. A hibaerősítő kimenete az induktivitás csúcsáramát korlátozza, ezért ha ezt az értéket egy ellenállásosztóval alacsony értéken tartjuk, az segít az áramlökések korlátozásában és a katasztrofális rövidzár következményeinek elhárításában. E megközelítés árnyoldala, hogy a rendszer hurokerősítése csökken, ezért lassabban reagál a tranziensekre.
A műveleti erősítő kimenete azonos a jelmeredekség-kompenzáló áramkör bemenetével, ezért e két periféria nem igényel külső csatlakoztatást. Ha viszont ellenállásosztót alkalmazunk a kimeneti feszültség csökkentésére, kívülről kell azt csatlakoztatni a feszültségreferencia elválasztó erősítőjének bemenetére.
A feszültségnövelő konverter bemeneti feszültségét egy kis diódán keresztül a mikrovezérlő tápfeszülség-bemene­téhez kell csatlakoz­tatni, amely a diódával a kimeneti feszültséghez van rögzítve. Ezért amikor a kimeneti feszültség növekszik, a mikrovezérlő és a MOSFET-meghajtó beindul. Ez azért hatékonyabb megoldás, mert a magasabb kapufeszültség javítja (csökkenti) az R_DS(ON) csatorna-ellenállást, és a 4,5 V-nál kisebb kapcsolt feszültség egyébként is problématikus a legtöbb teljesítménytranzisztor számára. Ennek hatására lép működésbe a beépített referenciaforrás – a rendszer egyetlen referenciafeszültsége (V_REF) – is. Ezért az áramkört úgy kell módosítani, hogy a szabályozóhurok referenciafeszültsége mindig rendelkezésre álljon, függetlenül a tápfeszültségtől vagy a kimeneti feszültségtől. Mivel a szabályozóhurok referencia-feszültségét a DA-átalakítóból (DAC) nyerjük, ennek a perifériának is saját, stabil referenciaforrásra van szüksége. Ha az 1,2 V-os fix referenciafeszültséget (FVR) választjuk a DA-konverter referenciaforrásául, ez minden említett követelménynek megfelel.
A feszültségnövelő topológiánál világosan felismerhető, „egyenes” út vezet a tápforrástól a kimenetig, az induktivitáson és az egyenirányító diódán keresztül – még akkor is, ha a kapcsolótranzisztor le van zárva. Az áramkorlátozó hurok csak akkor akadályozhatja meg a túláram kialakulását, ha a kapcsolási frekvencia nul­lára csökken. Emiatt katasztrofális rövidzár történhet anélkül, hogy ennek bármilyen védőkapcsoló állná az útját. Ezért egy második tranzisztort lehet beépíteni a kimenet alsó oldalába, hogy kikapcsolja a terhelést rövidzár esetén. A komparátor-alapú rövidzár­vé­de­lemnél a referenciafeszültségnek stabilnak kell maradnia a teljes feszültségtartományban. Mivel a kimeneti áramot érzékelő sönt feszültsége rendszerint túl kicsi az 1,2 V-os referenciafeszültséggel való közvetlen összehasonlításhoz, azt kívülről kell átvezetni a referencia-leválasztó (buffer – BUF) erősítőjén, majd egy ellenállásosztón, hogy a komparátor részére szükséges referenciafeszültség kívánt értékét előállítsuk. Mivel a referenciabuffer erősítőt ezen a módon használjuk, a hibaerősítő kimenetét közvetlenül, járulékos osztóáramkör nélkül kell csatlakoztatni a jelmeredekség-kompenzáló modulhoz. Ez nem használ több processzoridőt, de több kime­neti pontot és perifériát igen. Az AD-konverteren (ADC) alapuló rövidzárvédelem megvalósításához a söntfeszültséget és a referenciafeszültséget a firmware-ben kell tárolni. A referenciafeszültség – amennyiben az kisebb 5 V-nál – a VDD értékének számításához szükséges, amely ebben az esetben az AD-konverter referenciafeszültségéül szolgál. Ez a megoldás ugyan nem igényel további komparátort vagy külső ellenállásokat, azonban leköt némi programterületet és processzoridőt.
A feszültségátalakítót egy adott terhelésre kell kompenzálni, és a stabilitást a működési feltételek teljes tartományán ellenőrizni kell.
Ha az eredményt egy kimondottan erre a célra tervezett PWM-vezér­lő­csippel hasonlítjuk össze, a teljesítőképességük hasonló, de a PIC-mikrovezérlő alkalmazása rugalmasabb megoldás. Ráadásul az analóg szabályozóhurok önmagában is működőképes, ezért a mik­ro­vezérlőt teljesen szabadon hagyja egyéb felhasználói programok futtatására, például a tápegység paramétereinek mérésére vagy a lényeges jellemzők továbbítására a felügyeleti rendszer számára.

Alkalmazások

Az analóg vezérlőhurok lehetővé teszi, hogy a tápegység gyorsan reagálhasson a dinamikus terhelésváltozásokra vagy a bemeneti feszültség változásaira. Az áramgenerátoros táplálást igénylő terhelések (például ledek vagy termoelektromos cellák) esetén a feszültség­visszacsatolást fel lehet cserélni egy átlagárammal arányos visszacsatolással. A tápegység olyan alkalmazásokban is használható, amelyek mind feszültség-, mind pedig áramszabályozást is igényelnek (például az állandó feszültségű (CV) vagy állandó áramú (CC) akkumulátortöltőkben. A PIC16F753 DA konvertere 9 bites felbontású, amely felező kimeneti osztó esetén a feszültségcsökkentő átalakító feszültségét 20 mV-os lépésekben, ötödére csökkentő feszültségosztónál; a feszültségnövelő átalakító feszültségét pedig 50 mV-os lépésekben teszi programozhatóvá.
Az alkalmazás egy műveleti erősítőt, egy komparátort és egy DA-kon­vertert igényel. Ez utóbbi kimenete közvetlenül csatlakozik a műveleti erősítőre, ezzel egy csatlakozópontot takarít meg. A PWM-modul egy állandó frekvenciájú és kitöltési tényezőjű impulzussorozatot állít elő a komplementer kimeneti kapcsolófokozata részére. A felhasználó döntésétől függ, hogy korlátozni akarja-e a műveleti erősítő kimeneti feszültségét. Ha igen, egy ellenállásosztót kell kívülről csatlakoztatni a referenciaforrás buffererősítőjének bemenetére. Ha viszont ilyen feszültségosztót nem használunk, a két csatlakozópont helyett csak egyre van szükségünk. Ebben az esetben viszont a műveleti erősítő kimenetét, amelyet jelmeredekség-analóg csatlakozópontként kell konfigurálni, és nem lehet más célra felhasználni. A csak bemenetként felhasználható digitális csatlakozópontra egy nyomógombot vagy más hasonló funkciójú alkatelemet lehet csat­lakoztatni. Futásidőben viszont a programozásra szolgáló I/O-csat­la­­kozópont két másik kivezetéssel együtt a felhasználó által kívánt célokra használható.

A feszültségnövelő átalakító alternatív megoldása

Ugyancsak egy digitálisan vezérelhető feszültségnövelő egyenfeszültség-átalakítót lehet készíteni a PIC12F1501-mikrovezérlő felhasználásával. Ennek kis terheléseknél jó a hatásfoka, hardver túlfeszültség-védelemmel (Overvoltage Protection – OV prot) rendelkezik, és igen kis számú alkatrészből felépíthető. A szükséges perifériák: két 10 bites AD-konverter csatorna, egy feszültségreferencia, egy komparátor, egy numerikusan vezérelt oszcillátor (Numeric Controlled Oscillator – NCO) és egy komplementer hullámforma-generátor (Complementary Waveform Generator – CWG). A perifériák belsőleg, firmware vezérléssel vannak összekapcsolva, amely a szükséges csatlakozópontok számát háromra csökkenti. A kapcsolás tömbvázlata a 3. ábrán látható.

3. ábra A digitálisan vezérelt feszültségnövelő egyenfeszültség-átalakító tömbvázlata

A kimeneti feszültséget és áramot arányos hurok szabályozza.
A kimeneti értékeket két AD-konverter csatorna olvassa le, és a szabályozójeleket ennek megfelelően állítja be. A numerikus vezérlésű oszcillátor állandó bekapcsolási idejű, változó frekvenciájú impulzussorozatot állít elő, tehát a kitöltési tényező változtatását frekvenciamodulációval valósítja meg.

Összefoglalás

Az itt bemutatott áramkörök példák arra, hogyan lehet a Microchip mikrovezérlőivel feszültségcsökkentő és -növelő egyenfeszültség-átalakítókat építeni úgy, hogy a processzor erőforrásait más feladatok számára is elérhetővé tesszük. Mindhárom példa a rendelkezésre álló perifériáknak csupán kis részét veszi igénybe e cél eléréséhez.

Szerző: Mihnea Rosu - Microchip Technology

[1]A továbbiakban a magyarra fordított kifejezéseknek hasonló módon megadjuk az angol eredetijét és a szövegben használt rövidítését is, mivel ezek a rövidítések szükségesek az ábrákon feltüntetett részegységek azonosításához. – A ford. megj.

www.microchip.com

Még több Microchip