Глава 7. Импульсные источники питания на микроконтроллерах
7.1. Краткие сведения о микропроцессорах
Проблемы проектирования импульсных источников питания
В настоящее время на российском рынке электронных компонентов пред-лагается большой выбор микросхем для импульсных источников питания. Эти микросхемы позволяют реализовать разнообразные источники питания в широком диапазоне выходных мощностей и напряжений. Производители таких микросхем ориентируются на массового потребителя и не могут предусмотреть в своих изделиях всех требований, которые могут возникнуть при проектировании специализированных источников для конкретных применений. К таким '' нетиповым '' требованиям можно отнести [66]:
стабилизацию не по выходному напряжению, а по выходному току;
возможность перестройки выходного напряжения (тока) в широких пределах от нуля до максимума;
управление выходным напряжением (током) от внешних устройств;
управление от компьютера;
работу по произвольно заданной программе;
изменение выходного напряжения (тока) в зависимости от выдаваемых в источник величин (например, от температуры или освещенности);
регистрацию нестандартных (например, времени пропадания питающей сети).
Каждый специалист может продолжить этот список.
Обычно для реализации источника питания с особыми требованиями к пара-метрам выбирается наиболее подходящая готовая микросхема из имеющихся в продаже, которая далее обрастает логическими схемами, компараторами, операционными усилителями и т.д. вплоть до микропроцессоров. При этом часто оказывается, что для выполнения того или иного требования в покупной микросхеме имеются соответствующие устройства, но их характеристики нес-колько отличаются от требуемых. В результате приходиться дублировать уже имеющиеся устройства. Все это приводит к усложнению и удорожанию источника.
Самым радикальным выходом из создавшегося положения является заказ специализированной микросхемы. Но это очень дорого и долго. Поэтому такое решение подходит только для больших серий.
Однако существует и другой способ. Можно быстро и с малыми затратами создать специализированную микросхему управления для конкретного источника питания, используя микроконтроллер фирмы Microchip. При этом оказывается, что у разработчика появляются дополнительные возможности.
Микросхема управления импульсным источником питания представляет собой специализированный аппаратный контроллер, алгоритм работы которого реализован в виде связей между входящими в него логическими устройствами. Аналоговым интерфейсом с другими узлами источника питания служат встроенные в микросхему управления компараторы, усилители и буферные каскады. Очевидно, что при достаточном быстродействии аппаратную реализацию такого микроконтроллера можно заменить программной, т.е. применить микропроцессор или микроконтроллер. Если же на кристалле выбранного микроконтроллера имеются устройства, позволяющие реализовать аналоговый интерфейс с внешней средой, то на таком микроконтроллере можно построить узел управления источником питания.
На рынке предлагается множество типов микроконтроллеров разных изготовителей, и многие из этих микроконтроллеров обладают весьма впечатляющими характеристиками. В частности, весьма популярны клоны процессора 8051, что обусловлено историческими причинами. Однако были выбраны PIC– микроконтроллеры фирмы Microchip по следующим соображениям :
RISC архитектура, раздельные шины команд и данных обеспечивают компактность программных кодов и высокое быстродействие;
PIC – микроконтроллеры никогда не ''зависают'' – были использованы в приборах , которые успешно отработали без выключения питания и без сбоев несколько лет;
Невосприимчивость к помехам – на одной небольшой печатной плате можно размещать контроллер, сетевой выпрямитель, служебный источник питания и мощные силовые транзисторы;
Разнообразие выбора типа микроконтроллера, что позволяет подобрать PIC с оптимальными для конкретного применения характеристиками;
Разнообразие интерфейсных устройств на одном кристалле;
Необходимость в запоминании всего 35 команд;
Доступность на рынке;
Широкий выбор различных дешевых и удобных средств отладки программ , программаторов и эмуляторов;
'' надежность '' программного обеспечения средств отладки – адекватное поведение реального контроллера и его программной модели;
Огромное количество легкодоступных программных наработок, начиная от фирменных примеров применения до массы программ, которые можно найти в Интернет;
Приемлемые цены.
В качестве базового выбрано наиболее развитое mid -range семейство PIC16xxx, содержащее более четырех десятков типов микроконтроллеров. В источниках питания наиболее часто используются следующие кристаллы:
PIC16С62x, которые содержат два аналоговых компаратора и источник опорного напряжения (18 – выводной корпус);
PIC16С711, содержащий 8–разрядны АЦП со схемами выборки/хранения и 4 – канальный аналоговый коммутатор (18–выводной корпус);
PIC16С73, имеющий 8 – разрядный АЦП, 5 – канальный аналоговый коммутатор, асинхронный приемопередатчик, два выхода 10 – разрядный ШИМ (модуль ССР), последовательный синхронный порт и схемы для организации 12С шины (28 – выводной корпус ) ;
PIC17F873, являющийся улучшенным вариантом PIC16С73 – 10 – раз-рядный АЦП, FLASH – память программ и данных (28 выводов).
Кроме перечисленных характеристик, эти контроллеры имеют весь стандартный набор возможностей – таймеры, развитую систему прерываний, регистры оперативной памяти и т.д. Имеются как приборы с однократной записью программы, так и с ультрафиолетовым стиранием. При тактовой частоте 20МГц одна команда выполняется за 200нс ( кроме команд ветвлений ).
Все перечисленные кристаллы имеют выходные токи логических сигналов до 25 мА, что позволяет напрямую подключать к ним оптроны и светодиоды.
1. Аппаратная реализация
1.1. Функции микросхемы управления источником питания
На рис. 236 приведена структурная схема импульсного полумостового сетевого источника питания, содержащая основные узлы, характерные для большинства источников питания [66]. Элементы, обведенные пунктиром, обычно размещаются на кристалле специализированной микросхемы управления. К ним относятся:
• устройство синхронизации и управления, обеспечивающее сигналы управления и синхронизации остальных узлов микросхемы (УСУ);
• генератор пилообразного напряжения (ГПН);
• источник опорного напряжения (ИОН);
• широтно-импульсный модулятор (ШИМ);
• устройства защиты от перегрузок (УЗП);
• устройство, отслеживающее состояние внешнего окружения – температуру, величину входного напряжения и его пульсации, отклонение напряжения общей точки силовых ключей от Uвх/2 и т.д. (УВО);
• устройство связи с внешними объектами, например, с компьютером (УС);
• устройства индикации (УИ);
• устройства задания режимов (УЗР).
Рис. 236
Драйверы силовых ключей А1, А2 также часто размещаются на кристалле схемы управления. Однако такие встроенные драйверы имеют значения максимального тока lout в пределах 100-500 мА, в то время как для управления современными ключевыми полевыми транзисторами необходимы токи величиной до 2А. Кроме того, встраиваемые драйверы обычно имеют максимально допустимые напряжения в пределах десятков вольт, и в сетевых источниках приходится развязывать драйверы и силовые ключи трансформаторами, что снижает быстродействие. Поэтому предпочтительней использовать специализированные микросхемы драйверов.
Устройство синхронизации и управления УСУ (рис. 236) связано с остальными управляющими устройствами сигналами S1-S10. При этом предполагается, что реакция микросхемы на какие-либо изменения окружения или нагрузки осуществляется путем воздействия УСУ на остальные устройства. В реальных микросхемах управления многих связей нет, например, ИОН почти всегда работает "сам по себе". Кроме того, УСУ, как правило, выполняет функции синхрогенератора, и управление большинством элементов осуществляется по принципу "включен/выключен".
Примеры реализации отдельных узлов импульсных источников питания на PIC-микроконтроллерах приведены в [66].