7.2. Импульсный преобразователь напряжения на микроконтроллере фирмы Microchip

Несмотря на частое появление в последнее время сообщений об удачном применении в DC-DC преобразователях остаётся пока экзотикой. Объясняется это, скорее всего, обилием специализированных микросхем. Однако порой поставленную задачу затруднительно решить в лоб. В этом случаях весьма удобно вместо десятка стандартных корпусов поставить на одну плату одну микросхему, поручив ей выполнение всех необходимых функций. По этой причине микро контроллер может стать если не панацеей, то предпочтительным вариантом. В [67,68] показаны причины, побуждающие разработчика совместной импульсной техники обращать свои взоры на микроконтроллеры.

В рассматриваемом преобразователе применён микроконтроллер PIC16F876A-I/P [67]. Почему именно этот? Во-первых, и это самое главное, он имеет два независимых 10-битных широтно-импульсных модулятора (ШИМ), во-вторых, пятиканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В третьих, микроконтроллер содержит энергонезависимую память данных. В четвёртых, у него есть множество других выводов, которые можно использовать под всевозможные интерфейсы

Преобразователь состоит из двух независимых каналов-источников питания, которые гальванически изолированы как от входного напряжения, так и друг от друга. Преобразование энергии осуществляется синхронно, что исключает биение частот[68].

Основные технические характеристики

Входное напряжение, В 18..30

Номинальное выходное напряжение каналов, в 12 или 5

Точность поддержания напряжения канала, %

для канала напряжением 12В ±0,5

для канала с напряжением 5В ±1,2

Пульсации выходного напряжения, мВ, не более 50

Выходная мощность канала, Вт, не менее 6

Коэффициент полезного действия, %, не менее 77

Рабочий диапазон температур, С -15…+85

Преобразователь имеет защиту, от переполюсовки по входу, заниженного или завышенного напряжения, от приведения максимальной мощности канала, потребляемой нагрузкой, от короткого замыкании, а также по перегреву. Подстройка выходных напряжений в пределах ±1В осуществляется при помощи нажатия на кнопки. Результат подстройки заносится в энергонезависимою память микроконтроллера.

Преобразователь выполнен в корпусе фирмы Phoenix contact серии UEGH. Этот корпус имеет клеммы для внешних электромонтажных соединений и клипсу для его фиксации на стандартной рейке DIN. Для индикации режимов работы на фронтальную плоскость выведен светоизлучающий диод красного свечения. При подаче входного напряжения микроконтроллер осуществляет временную задержку 3 с., анализирует уровень входного напряжения, внутреннюю температуру и выполняет запуск преобразователя. При наличии короткого замыкания (КЗ) по одному из каналов микроконтроллер приостанавливает преобразование энергии на 15с., после чего опять выполняет запуск преобразователя. При наличии КЗ такой аварийный режим не приводит к перегреву силовых элементов устройства и может продолжаться до устранения причин короткого замыкания. Этот режим реализован программно и позволяет резко повысить надёжность преобразователя. Ещё одним важным преимуществом использования программируемого микроконтроллера является контроль температуры и температурная коррекция выходных напряжений, что повышает точность их поддержания в широком температурном диапазоне.

Благодаря определённым конструкторским решениям можно легко изменить выходное напряжение канала с 12 на 5В. Такая гибкость позволяет получить довольно широкий спектр источников питания, например: два по 12В, два по 5В, один на 24В, один на 9В, один двуполярный по 12В, два на 12 и 5В и т.д. Преобразователь предназначен для применения, прежде всего в промышленной автоматике, связи и телекоммуникации, спецтехники. На рис. 237 показана часть схемы, которая относится к микроконтроллеру и DDI.

Рис. 237

На схеме указаны следующие элемент:R1=4,7к; R3=180 Ом; R4=47к; R5=560 Ом; R11=560 Ом; R21=10к; R22=10к; R23=10к; R24=10к; R25=10к; RT1=2к; C1=22; C2=22 пФ; C13=0,1мк.

Порт А, выводы которого используются как входы АЦП, предназначен для контроля выходных напряжений(выводы RА0,РА1),напряжения питания (RА2) и температуры (RА5). Порт В используется для организации режимами работы преобразователя. При помощи установки перемычек на штырьковые контакты на выводы порта, к которым программно подключены внутренние подтягивающие резисторы, подаются лог.0. Кроме того, вывод RВ0 используется для обслуживания кнопки SВ1 «Память». На порт С возложены следующие задачи: опрос кнопок SВ2 и SВ3 «+» и «-» включение светодиода НL1(RC0), выдача сигналов ШИМ (PWM1 и PWM2) на оба канала преобразования, а так же при необходимости, организация последовательного двух- или трехпроводного интерфейса с внешней аппаратурой контроля, управления или автоматической проверки и настройки. На элементах VT1, VD1, R1, R3, R4 организован супервизор напряжения питания микроконтроллера. Если применить стабилитрон на 3,3 В при снижении напряжения питания дл 4В на выводе 1 сформируется лог.0 – сигнал сброса.

Рис. 238

Для фильтрации пульсаций установлен конденсатор С13.Узел питания (рис. 238) вырабатывает два напряжения питания - +12 и +5В, и содержит: R13 = 10к; R16 = 1к; R30 = 10к; C11 = 0,1мк; C12 = 0,1мк; C16 = 0,01мк; C10 = 470мк; C19 = 0,1мк; C10 = 100мк; C20 = 100мк:DA2 (LM2940T-12); DA4 (LM2936Z-5,0).

Если напряжение +5В необходимо для микроконтроллера, то +12В используется для драйверов полевых транзисторов VD5 – защита от переполюсовки по входу. В качестве предохранителя F1 в печатную плату впаивается проводник диаметром 0,1 мм. Вместо него можно применять самовосстанавливающийся предохранитель MF-R фирмы Bourns на ток 1А.

Рис. 239

На рис.239 показана схема одного из каналов преобразователя с параметрами: R6=200; R33=5,6к; R7=10; R34=5,6к; R8=2к; R35=10к; R9=1к; R10=1к; R19=10к; R20=24к; R28=2,2; R31=10к; C3=470мк; C4=0,1мк; C5=0,01мк; C14=470мк; C17=0,01мк; DA1 (TL431).

На транзисторах VT2, VT4, VT8, VT9 собран драйвер полевого транзистора. Преобразование энергии осуществляется обратноходовым импульсным трансформатором ТV1. На элементах C5, С6 собрана демпфирующая цепочка (10). Она необходима для подавления импульсных выбросов напряжения и шунтирует первичную обмотку трансформатора, подавляя тем самым паразитные колебания, возникающие в нем. VD2, VD3, C3 – выпрямитель вторичной цепи, L1, C14, C4 – сглаживающий фильтр. С помощью резисторов R19, R20 управляемый стабилитрон DA1 настроен на напряжение стабилизации 8,5 В. Поэтому при изменении выходного напряжения в диапазоне 9,5…14,5В напряжение, поступающее через резистор R31 на АЦП микроконтроллера, изменяется в диапазоне 0…5В.

Таким образом достигается необходимая крутизна передачи отклонения выходного напряжения от номинала на вход АЦП, обеспечивающая требуемую точность и устойчивость петли обратной связи.

Оптотранзистор U1 обеспечивает гальваническую изоляцию, но повышает температурный дрейф. Задача компенсации этого дрейфа решается программным путем.

Микроконтроллер измеряет напряжения на своих входах RA0 и RA1, сравнивает эти напряжения с опорными, которые хранятся в энергонезависимой памяти в цифровом виде, и в зависимости от величины и знака разности корректирует скважность сигналов ШИП по соответствующим каналам. Программный блок, который отвечает за установку скважности, имеет довольно сложную структуру. Решение принимается не только по величине и по знаку измеряемого и опорного напряжения, но и по динамике изменения напряжения и его отклонения. Также в этом программном блоке реализована программа демпфирования возможной неустойчивой работы петли ОС. При резком отклонении напряжения от номинального, например, вниз, программа энергично изменяет скважность ШИМ, т.е. увеличивает длительность импульса открытого состояния ключевого транзистора. Но при восстановлении напряжения может произойти перекомпенсация, оно станет выше номинала, программе придётся резко уменьшать длительность импульса ШИМ и т.д., в результате возникает колебательный процесс. Для демпферных паразитных колебаний программа анализирует, с какой стороны идёт приближение к номиналу и с какой скоростью. При приближении к номинальному напряжению происходит более точная подстройка скважности. Период измерения выходных напряжений обоих каналов составляет 0,6 мс. Через каждые 255 измерений выходных напряжений производится контроль входного напряжения и температуры. Сразу после измерения температуры по её значению способом табличного перевода контроллер получает коэффициент температурной коррекции и соответственно изменяет значение опорного напряжения. При завышенном или заниженном входном напряжении микроконтроллер прекращает преобразование включается светодиод HL1.

В связи с тем, что преобразователь выполнен по обратноходовой схеме, короткое замыкание выхода приводит к увеличению длительности импульсов ШИМ до предельно возможной величины. Защита от короткого замыкания реализована за счёт прекращения выдачи сигналов ШИМ в режиме К3. Пороговое значение длительности изменяется в зависимости от входного напряжения – чем напряжение выше, тем допустимая длительность меньше. Для ограничения тока короткого замыкания в выходных цепях введены резисторы R28, R29. Естественно защита срабатывает не только при КЗ, но и при любом превышении мощности потребляемой нагрузкой максимально допустимой величины.

При необходимости изменить выходные напряжения нажимают и удерживают микрокнопки SB2 или SB3. В пошаговом режиме изменяются значения опорного напряжения, поскольку микроконтроллер отслеживает равенство опорного и выходного напряжений. После подстройки необходимо кратковременно нажать на кнопку SB1 и микроконтроллер занесёт новые значения опорных напряжений в энергонезависимую память. Выполнение этой операции будет сопровождаться свечением диода HL1. При выключении и повторном включении преобразователя на выходах устанавливается необходимые новые значения напряжений. Если установить перемычки на контакты J6 и J7 (рис. 267), по изменение напряжений будет запрещено. При отсутствии перемычек изменение напряжений будет происходить синхронно по обоим каналам, а при установке одной перемычки изменение напряжения произойдёт только на одном канале.

Рабочая частота преобразователя (20 кГц) является довольно низкой для современного импульсного устройства, но это вынужденная мера, ещё один компромисс между снижением точности и установкой скважности ШИМ и повышением частоты.

Для выходного напряжения 12В на печатную плату устанавливают перемычки X9, X10 (рис. 239), а диоды VD3,VD7 удаляют. Указанные перемычки находятся ближе к центру платы. При входном напряжении 5В эти перемычки выпаиваются и впаивают диоды VD3,VD7 и перемычки X26, X11. Также очень важно при переходе с 12 на 5В удалить резисторы R19, R26. Это необходимо для перевода управляемого стабилитрона в режим 2,5В.

Отдельно нужно остановится на элементной базе. Керамические конденсаторы для объёмного монтажа – K10-17, для поверхностного монтажа – 0805X7R. Оксидные конденсаторы – импортные аналоги K50-35, C10 на напряжение 35В, остальные на 16В. Резисторы для объёмного монтажа – МЛТ или C2-33, для поверхностного монтажа – корпус 0805, всё с допустимым отклонением от номинала 5%. Терморезистор RT1 – NTC. Дроссели L1, L2 – LGV-0,6. Для изготовления импульсных трансформаторов использованы каркасы и сердечники фирмы Epcos серии E13/7/4 с минимальным сечением 12,4 мм из материала N67 с начальной магнитной проницаемостью 860 и зазором 0,2 мм, вторичные 5-6 и 7-8 намотаны одновременно проводом ПЭВ-1 диаметром 0,33 мм. Между первичной и вторичной обмотками проложено два слоя лакоткани. Сердечники ставят на быстро сохнущий клей. Если не удалось найти сердечники с зазором можно применить и без зазора. В этом случае при сборке трансформатора необходимо вклеить между внешними кернами сердечников по два слоя бумаги для принтера.

Интегральные стабилизаторы DA2 (TO-220), DA4 (TO-92) заменить на отечественные аналоги не допустимо. Полевые транзисторы можно применить IRF1310, IRF3710, IRF2910 с суффиксами NS (корпус DPAK) или NL (корпус TO-262). Печатная плата допускает установку транзисторов в любом из этих корпусов. Возможно применение и транзисторов с логическими уровнями управления (IRL…). В этом случае интегральный стабилизатор DA2 надо заменить на LM2940T-5, а вместо DA4 поставить перемычку между входом и выходом. Диоды VD2, VD3, VD6, VD7 – только Шоттки или, в крайнем случае, ультрабыстрые с временем обратного восстановления не более 50 нс. VD5 можно заменить на 1N5408. Оптроны U1, U2 можно заменить другими с аналогичными параметрами, но в этом случае может потребоваться изменение таблицы температурной коррекции в программе микроконтроллера.

Настройка преобразователя заключается в установке требуемых выходных напряжений и занесении их в память микроконтроллера.

В описанной программе не реализованы многие заложенные в устройство возможности микроконтроллера, например, организация последовательного интерфейса с внешним устройством для автоматизированной проверки и настройки преобразователей, так как это не предусматривалось техническим заданием и рассматривается автором как потенциал для совершенствования подобных устройств.

Программа в файле 24-24v.hex доступна на сайте редакции по адресу www.dian.ru/programs.