Wykorzystanie programowanych modułów zasilania do przyspieszenia projektowania regulatorów prądu stałego

Przełączające regulatory napięcia prądu stałego zapewniają wysoką sprawność zasilaczy. Chociaż dostępna jest szeroka gama dobrej jakości regulatorów monolitycznych, każdy z nich jest zaprojektowany tak, aby spełnić potrzeby szeregu zastosowań, a nie indywidualne specyfikacje własnego projektu inżyniera. Optymalizacja zasilacza dla konkretnego zastosowania może jednak wymagać czasochłonnych i kosztownych iteracji projektowych.

Projektanci potrzebują internetowego interfejsu do sprzedawcy zasilaczy, który pozwoli skonfigurować projekt zasilacza o parametrach działania, których wymagają - a następnie zlecić jego masową dostawę, gdy projekt zostanie sfinalizowany.

W tym artykule opisano jeden z takich procesów projektowania z wykorzystaniem konfigurowanych modułów zasilania. Artykuł opisuje sposób wykorzystania zestawu ewaluacyjnego (EK) i oprogramowania internetowego MPS do przyspieszenia procesu projektowania prostego lub bardziej zaawansowanego projektu przetwornicy prądu stałego.

Pierwsze kroki w projektowaniu przetwornic prądu stałego

Całkowicie możliwe jest zaprojektowanie przełączającego regulatora napięcia typu obniżającego (buck) od podstaw i przy użyciu stosunkowo niewielu komponentów. Przykładowy podstawowy projekt składa się z jednego tranzystora - który jest zasadniczo używany jako przełącznik - jednej diody, jednej cewki indukcyjnej, kondensatora na wyjściu i jeszcze jednego kondensatora na wejściu. Jednak w praktycznym rozwiązaniu prawdopodobnie będzie potrzebnych kilka dodatkowych elementów, w tym odniesienie napięcia, wzmacniacz błędu, komparator, oscylator i sterownik przełącznika. Jednak niewielu inżynierów decyduje się na projektowanie z elementów dyskretnych, ponieważ dostępna jest szeroka gama sprawdzonych i niedrogich, wysoce zintegrowanych monolitycznych regulatorów napięcia prądu stałego.

Często łatwiej jest wybrać regulator od sprawdzonego dostawcy na podstawie wymagań specyfikacji, takich jak napięcie wejściowe i wyjściowe, maksymalny prąd obciążeniowy i maksymalne tętnienia napięcia. Dodatkowo w przypadku zaawansowanych konstrukcji znaczenie mają takie czynniki jak sprawność, odpowiedź impulsowa i odpowiedź częstotliwościowa. Producenci układów scalonych oferują imponujący zakres rozwiązań spełniających większość części specyfikacji, jednak nie jest możliwe, aby dostarczyli urządzenie idealnie dopasowane do każdej sytuacji. To pozostawia projektantowi trochę pracy do wykonania.

Ilość pracy zależy od stopnia integracji rozwiązania monolitycznego, ale typowym punktem wyjścia dla projektu niskoprądowego (poniżej 10A) jest układ scalony, który integruje sterownik modulacji szerokości impulsu (PWM), elementy przełączające (tranzystory mocy MOSFET) i diody bocznikujące, pozostawiając projektantowi określenie zewnętrznej cewki indukcyjnej, kondensatorów bocznikujących i innych elementów pasywnych wymaganych dla obwodów filtrów wejściowych i wyjściowych.

Mimo, że producenci i inne źródła podają wiele informacji o tym, jak przystąpić do projektowania zasilacza opartego na stabilizatorze monolitycznym (włączając w to listę polecanych lektur poniżej), wciąż jest to skomplikowany i żmudny proces wymagający obliczeń, a następnie kilku cykli prototypowania sprzętu w celu zweryfikowania, jak teoretyczny układ sprawdza się w praktyce, a następnie dostosowania go tak, aby dokładnie spełniał wymagania specyfikacji.

Firma MPS oferuje alternatywną drogę realizacji czasochłonnego procesu projektowania zasilaczy dzięki konfigurowanym modułom zasilania.

Wprowadzenie do konfigurowanych modułów zasilania

Sercem konfigurowanego modułu zasilania mEZDPD3603A firmy MPS jest wysokoczęstotliwościowa, synchroniczna, prostownikowa przetwornica obniżająca z interfejsem sterującym I²C, wielostronicową, jednorazowo programowalną (OTP) pamięcią ROM i możliwością uzyskania ciągłego prądu wyjściowego 3A. W konwerterze wbudowano tranzystory mocy MOSFET strony wysokiej i niskiej, sieci kompensacyjne oraz dzielnik sprzężenia zwrotnego. Poziom napięcia wyjściowego, szybkość narastania napięcia, częstotliwość przełączania, włączenie i tryby oszczędzania energii są programowane przez interfejs I²C, co pozwala projektantowi zoptymalizować każde wyjście pod kątem konkretnego projektu.

Praca w trybie prądowym zapewnia szybką odpowiedź impulsową i ułatwia stabilizację pętli. Pełne funkcje ochronne obejmują blokadę pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO), zabezpieczenie nadnapięciowe (OVP), zabezpieczenie nadprądowe (OCP) i zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą (OTP).

Moduł mEZDPD3603A uzupełnia omawianą przetwornicę obniżającą o prawie wszystkie elementy peryferyjne potrzebne do stworzenia działającego projektu (ilustracja 1).

Ilustracja 1: schemat wewnętrzny modułu mEZDPD3603A firmy MPS. Projektantowi pozostaje jedynie określenie wartości kondensatorów wejściowych (C_IN) i wyjściowych (C_OUT). (Źródło ilustracji: MPS)

Aby dokończyć projekt w pełni funkcjonalnego zasilacza prądu stałego z regulatorem obniżającym, wystarczy dodać kondensatory wejściowe (C_IN) i wyjściowe (C_OUT). Przy projektowaniu od podstaw, obliczenie wartości tych kondensatorów nie jest proste i zależy od napięcia wyjściowego, obciążenia, cyklu pracy i tętnień napięcia (patrz artykuł techniczny DigiKey. „Dobór kondensatorów jako wymóg w projektowaniu regulatorów napięcia”). Jednak w przypadku modułu firmy MPS producent wyliczył te wartości za projektanta. Na ostateczny dobór ma wpływ tylko napięcie wyjściowe (ilustracja 2 i tabela 1).

Ilustracja 2: w typowym układzie zastosowania modułu mEZDPD3603A firmy MPS, rezystor R2 służy do ustawienia adresu interfejsu I²C, aby umożliwić identyfikację wielu modułów w systemie. (Źródło ilustracji: MPS)

Tabela 1: zalecane wartości kondensatorów dla obwodu zastosowania z ilustracji 2 dla różnych napięć wyjściowych. (Źródło ilustracji: MPS)

Jeśli zasilacz ma być stosowany w produkcie podlegającym surowym przepisom dotyczącym zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), kondensator wejściowy można zastąpić obwodem filtra L-C składającym się z trzech kondensatorów i cewki indukcyjnej. (Więcej informacji na temat projektowania obwodów filtrów wejściowych i wyjściowych można znaleźć w artykule technicznym DigiKey „Wykorzystanie regulatorów przełączających o niskich zakłóceniach elektromagnetycznych w celu optymalizacji projektów zasilaczy o wysokiej sprawności”). Wartości tych komponentów zależą również od napięcia wyjściowego, a odpowiedzi ponownie udzielił producent. (Ilustracja 3 i tabela 2.)

Ilustracja 3: obwód zastosowania zestawu ewaluacyjnego mEZDPD3603A firmy MPS z filtrowaniem zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) zgodnym z klasą B wg normy EN55022. (Źródło ilustracji: MPS)

Tabela 2: zalecane wartości komponentów dla powyższego obwodu zastosowania dla różnych napięć wyjściowych. (Źródło ilustracji: MPS)

Moduł oferuje zakres napięć wejściowych od 4,5 do 36V oraz zakres napięć wyjściowych od 0,6 do 12V. Dokładność napięcia wynosi ±1%, a dla regulacji linii i obciążenia (V_IN = 24V, V_OUT = 5V) wynosi ±1%. Maksymalny prąd wynosi do 3A, a tętnienia napięcia wyjściowego (V_IN = 24V, V_OUT = 5V, pełne obciążenie) wynoszą 30mV. Tabela 3 podsumowuje parametry działania i sprawność modułu, podczas gdy V_OUT dla różnych sprawności i wartości prądu obciążeniowego przedstawiono na ilustracji 4.

Tabela 3: parametry działania modułu mEZDPD3603A firmy MPS. (Źródło ilustracji: MPS)

Ilustracja 4: wartości sprawności zestawu mEZDPD3603A firmy MPS dla V_IN = 24V i V_OUT = 3,3, 5 oraz 12V. (Źródło ilustracji: MPS)

Zestaw ewaluacyjny konfigurowanego modułu zasilania

Ponieważ moduł firmy MPS zawiera cyfrowe obwody logiczne, jego parametry działania można modyfikować poprzez zmianę parametrów oprogramowania. Dostęp do parametrów jest zapewniony poprzez interfejs I²C modułu, skąd można sprawdzać i zmieniać ustawienia w pamięci RAM urządzenia. Po osiągnięciu żądanego optymalnego ustawienia, pamięć jednorazowo programowalna (OTP) ROM umożliwia trwałe zapisanie ustawień.

Firma MPS dostarcza narzędzia sprzętowe i programowe do wspomagania projektowania z wykorzystaniem konfigurowanych modułów zasilania. Podstawowym narzędziem jest sprzętowy zestaw ewaluacyjny PKT-MEZDPD3603A. Zestaw ewaluacyjny posiada wymiary 64 na 64mm, zawiera kondensatory wejściowe i wyjściowe (oraz opcjonalny filtr EMI, jeśli jest wymagany) oraz złącze, do którego podłączany jest konfigurowany moduł zasilania. Po podłączeniu modułu, do zestawu ewaluacyjnego należy podłączyć odpowiednie obciążenie oraz zasilacz zapewniający żądane napięcie wejściowe (pomiędzy 4,5 a 36V) (ilustracja 5).

Ilustracja 5: zestaw ewaluacyjny konfigurowanego modułu zasilania zawiera gniazdo dla modułu i wymaga zewnętrznego zasilacza oraz obciążenia. (Źródło ilustracji: MPS)

Zestaw ewaluacyjny wymaga również połączenia z komputerem PC w celu skonfigurowania z poziomu oprogramowania Virtual Bench V3.0 firmy MPS. Firma dostarcza do tego celu klucz USB (od strony PC)-I²C (od strony zestawu ewaluacyjnego). Kabel USB łączy klucz sprzętowy z komputerem, a 10-wtykowy kabel taśmowy spełnia tę samą funkcję po drugiej stronie. Interfejs I²C zestawu ewaluacyjnego łączy się bezpośrednio z wtykami interfejsu I²C modułu i umożliwia konfigurację z poziomu komputera PC (ilustracja 6).

Ilustracja 6: zestaw ewaluacyjny konfigurowanego modułu zasilania wymaga zasilacza, obciążenia i połączenia z komputerem PC poprzez klucz sprzętowy USB-I²C. (Źródło ilustracji: MPS)

Programowanie modułu zasilania

Po podłączeniu sprzętu do komputera PC (z systemem Windows XP, 7 lub nowszym) oraz zainstalowaniu i uruchomieniu oprogramowania Virtual BenchV3.0, deweloper ma do wyboru dwie opcje: „Simulation & Program” (Symulacja i program) (która umożliwia uruchomienie konfiguracji dewelopera na symulatorze oprogramowania, a nie na sprzęcie zestawu ewaluacyjnego) oraz „Direct Programming Mode” (Tryb programowania bezpośredniego). Poniższa dyskusja skupia się na opcji programowania bezpośredniego, ponieważ pozwala ona deweloperowi na bezpośrednią konfigurację modułu będącego centralnym elementem sprzętowego zestawu ewaluacyjnego.

W oprogramowaniu Virtual Bench V3.0 dostępne są dwa rodzaje konfiguracji: podstawowa i zaawansowana. W konfiguracji podstawowej deweloper może odczytywać istniejące ustawienia napięcia wyjściowego (V), wartości cewki indukcyjnej (µH)), częstotliwości przełączania (kHz)) i trybu pracy (na przykład tryb prądu szczytowego). Deweloper może następnie dokonać zmian w tych ustawieniach, zaprogramować nowe liczby w pamięci RAM modułu i włączyć moduł, aby sprawdzić wpływ zmian na jego parametry działania.

Podobnie na karcie Advanced (Zaawansowane) deweloper ma możliwość sprawdzenia i zmiany ustawień bardziej szczegółowych parametrów działania, w następujących grupach:

• Light-Load mode (Tryb lekkiego obciążenia): dostępne tryby to zaawansowana modulacja asynchroniczna (AAM) i wymuszony tryb ciągłego przewodzenia (CCM). AAM optymalizuje sprawność przetwornicy w warunkach niskiego obciążenia lub bez obciążenia, podczas gdy wymuszony tryb CCM utrzymuje stałą częstotliwość przełączania przy niższym tętnieniu wyjścia (ale jest mniej sprawny niż AAM przy małym obciążeniu).
• Compensation (Kompensacja): ustawienia te zmieniają odpowiedź częstotliwościową regulatora, która określa odpowiedź impulsową urządzenia, jego precyzję i stabilność, a w konsekwencji to, jak dobrze utrzymuje ono ustalone napięcie wyjściowe przy zmianach napięcia wejściowego, obciążenia i cyklu pracy. Dobra kompensacja prowadzi do uzyskania zasilacza, który jest stabilny w szerokim zakresie częstotliwości, ale nie jest przekompensowany w sposób pogarszający jego odpowiedź dynamiczną.
• Switching (Przełączanie): ustawienia te zmieniają szybkość narastania i opadania napięcia podczas przełączania regulatora oraz amplitudę i czas rozpraszania częstotliwości. Szybkość narastania i rozpraszanie są ważne dla zminimalizowania zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).
• VIN/EN threshold (Próg VIN/EN): ustawienia te określają progowe wartości graniczne (i histerezę) napięcia wejściowego UVLO i pracy EN.
• Power good (Prawidłowe zasilanie): te ustawienia określają górny i dolny próg narastania oraz histerezę „prawidłowego zasilania”.
• SS Time (Czas SS): ustawienie płynnego uruchamiania. Płynne uruchamianie zapobiega przeciążeniu wejścia regulatora po włączeniu wyjścia.
• Protection (Zabezpieczenie): ustawienia te pozwalają projektantowi na zaimplementowanie trybów i wartości progowych zabezpieczeń, takich jak prąd szczytowy, zabezpieczenie nadnapięciowe (OVP) i zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą (OTP) (ilustracja 7).

Ilustracja 7: graficzny interfejs użytkownika oprogramowania Virtual Bench firmy MPS obejmuje zaawansowane programowanie konfigurowanego modułu w celu optymalizacji jego parametrów działania zgodnie ze specyfikacją projektanta. (Źródło ilustracji: MPS)

Po wybraniu przez projektanta najlepszych dla danego zastosowania ustawień, informacje są zapisywane do wbudowanej pamięci RAM modułu. Deweloper może wtedy uruchomić zestaw ewaluacyjny (EK) z różnymi obciążeniami, aby sprawdzić jego parametry działania. Modyfikacja ustawień i przepisanie ich do pamięci RAM w celu optymalizacji parametrów działania zasilacza to błahostka.

Ponieważ pamięć RAM jest ulotna, po wyłączeniu modułu ustawienia zostają utracone. Po ponownym włączeniu moduł uruchamia się z domyślnymi ustawieniami fabrycznymi. Możliwe jest wyeksportowanie informacji z pamięci RAM do oprogramowania Virtual Bench przed wyłączeniem zasilania w celu późniejszego wykorzystania.

Po określeniu optymalnych ustawień projektant może je zaprogramować w pamięci jednorazowo programowalnej (OTP) ROM w taki sposób, że zostaną one zachowane po wyłączeniu zasilania i wykorzystane przy następnym uruchomieniu modułu. Zestaw ewaluacyjny (EK) pozwala ponadto na dalsze eksperymentowanie z ustawieniami poprzez interfejs I²C i pamięć RAM, ale po pierwszym użyciu pamięci ROM nie można w niej zapisać dalszych ustawień.

Podsumowanie

Dostępna jest szeroka gama doskonałych monolitycznych regulatorów napięcia, jednak projektant nadal musi wykonać wiele pracy, aby zaprojektować i przetestować obwody peryferyjne, które zoptymalizują parametry działania projektu konstrukcji dla konkretnego zastosowania. Dzięki połączeniu kompletnego projektu sprzętowego w module z programowaną logiką cyfrową, konfigurowane moduły zasilania firmy MPS ułatwiają i przyspieszają cykl projektowania.

Prezentowany zestaw ewaluacyjny w połączeniu z komputerowym interfejsem użytkownika sprawia, że konfiguracja jest prosta, a projektant może wykonywać podstawowe ustawienia, takie jak napięcie lub prąd wyjściowy i pozostawić resztę na ustawieniach fabrycznych lub zaangażować się w bardziej zaawansowany projekt przetwornicy przełączającej, aby zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i odpowiedź impulsową, jednocześnie maksymalizując stabilność i sprawność .

Po finalizacji projektu moduł może zostać dostarczony w ilościach produkcyjnych bez programowania, aby klient mógł go skonfigurować na podstawie danych prototypu lub, jeśli dane o konfiguracji zostaną dostarczone do firmy MPS, moduły mogą zostać zaprogramowane przez producenta i dostarczone w stanie gotowym do użycia.

Rekomendowane artykuły

1. Dobór kondensatorów jako wymóg w projektowaniu regulatorów napięcia.
2. Wykorzystanie regulatorów przełączających o niskich zakłóceniach elektromagnetycznych w celu optymalizacji projektów zasilaczy o wysokiej sprawności.
3. Informacje na temat odpowiedzi pętli sterowania regulatorów przełączających.
4. Projektowanie sieci kompensatorów w celu poprawy odpowiedzi częstotliwościowej regulatora przełączającego.
5. Różnica między ciągłym a nieciągłym trybem regulatora przełączającego i dlaczego jest ona tak istotna.