Проектиране на интелигентни токозахранвания

По традиция импулсните захранвания се реализират с аналогова верига на обратната връзка. В последно време, обаче, развитието в областта на цифровите сигнални контролери (DSC) позволи практически несложно и икономически изгодно реализиране на проекти с изцяло цифрово управление на захранването.

Подобни решения засега се използват предимно в приложения от висок клас, където ефектът от замяната на аналоговото управление с цифрово е най-осезаем. Има обаче и множество случаи, при които заместването на аналоговите схеми с малки и евтини микроконтролери, може съществено да подобри "интелигентността" и възможностите за конфигуриране на захранващите модули.

Най-общо, съществуват четири стадия на приложение на цифровото управление в токозахранванията:

-on/off управление,

-пропорционално управление,

-управление на конфигурирането,

цифрова ОВ, или изцяло цифрово управление

Настоящият материал е посветен на първия от тях - on/off управлението и дава идеи за елегантно решаване на някои проблеми при разработката на импулсни токозахранващи устройства.

Така например, чрез включване и изключване на входа, използван за управление на изходите на MOSFET драйвера в класическите импулсни захранвания, може да се приложи принципа на широчинно-импулсната модулация (ШИМ), за да се регулира времето на работа на захранването от 0 до 100%, а чрез това и изходното му напрежение (фиг. 1). По този начин могат да се реализират произволни режими на плавен старт, които елиминират мощните токове, характерни за процесите на стартиране на импулсните захранвания.

Дори и най-малките микроконтролери разполагат с поне четири входа/изхода и изчислителна мощ, далеч надхвърляща изискванията на описаното приложение. Това дава възможност същата концепция без проблеми да бъде приложена към два или повече изхода. Така може да бъде реализирано едновременно управление на няколко ключови стабилизатора и прецизен контрол на изходите.

В допълнение, ако микроконтролерът разполага с вграден компаратор и източник на опорно напрежение, той може да се използва за реализиране на ефективна защита от намаляване на напрежението (under-voltage lockout - UVLO), или за едновременно повишаване на две изходни напрежения до една и съща стойност.

Друг пример за повишаване на "интелигентността" на захранванията по относително прост начин, е използването на вътрешния 4-мегахерцов осцилатор на микроконтролера. Този осцилатор може да бъде използван като източник на тактова честота за ШИМ генератор на ключов стабилизатор, както е показано на фигура 2.

Тук сигналът от тактовия генератор, взет директно от извода на микроконтролера, се дели на 4, за да се получи типичната опорна честота от 1 MHz. Също така, ако микроконтролерът разполага с вградена ШИМ периферия, тя може да се използва като източник за ШИМ на ключовия стабилизатор. По този начин се реализира по-добро управление на коефициента на запълване и честотата.

Вътрешните осцилатори на микроконтролерите обикновено са RC схеми с температурна компенсация и са калибрирани при производството на чипа. Все пак, с помощта на регистрите за калибриране на осцилатора на микроконтролера (Oscillator Calibration registers - OSCCAL), честотата му може софтуерно да се регулира по време на работа. Тази възможност е особено полезна, когато проектантът е принуден да се съобразява с изискванията за ограничаване на електромагнитните смущения, наложени от регулаторните органи. На практика, когато работят с фиксирана честота, обикновените импулсни захранвания генерират мощни енергийни пикове.

Като се използва псевдослучаен закон за промяна на OSCCAL настройката, захранването може да се се управлява така, че честотата му да варира - например от 600 kHz до 1.2 MHz. Генераторът на случайни числа се реализира лесно - с няколко програмни реда и преместващ регистър с линейна обратна връзка. Това е добре познат метод при 8-битовите микроконтролери, който изисква минимални програмни ресурси. Чрез промяна на настройката на вградения осцилатор, енергията на импулсното захранване може да бъде разпределена в по-широк честотен спектър, така че магнитудата на излъчената енергия на всяка отделна честота да се намали с 20 dB, както е показано на фиг. 3.

В заключение може да бъде отбелязано, че съществуват множество сравнително прости начини да се добави "цифрова интелигентност" към традиционните импулсни захранвания и така да се подобрят техните характеристики. Когато ги познават и използват рационално, дизайнерите на електронна апаратура могат да постигнат значителни подобрения в проектите си, при това бързо и с малък разход на средства.