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Diez problemas del control de LED que soluciona el microcontrolador PIC12HV752

En el mejor estilo de la numerología, este artículo indica las 10 razones principales por las cuales los ingenieros de control embebido (van a) amar este pequeño y económico microcontrolador de 8 patillas. Este artículo presenta cada punto como una solución a un problema muy concreto que se presenta ante el hábil diseñador de control de LED que tiene en cuenta las limitaciones del presupuesto disponible.

 

Introducción

 
El PIC12HV752 es un microcontrolador pequeño y económico de señal mixta especialmente diseñado para complacer a los diseñadores de iluminación LED. Para ser más concretos, esta clase de ingenieros busca soluciones nuevas e innovadoras de iluminación de estado sólido para obtener una mayor eficiencia energética. También quieren ayudar a sus compañías a diferenciarse “añadiendo inteligencia a la iluminación”. Con independencia de cómo tengan previsto llevarlo a cabo, bien sea proporcionando funciones de comunicación, detección avanzada, entradas táctiles o simplemente una mayor flexibilidad, el principal requisito añadido es la presencia de un “cerebro” en forma de un pequeño microcontrolador basado en memoria Flash. Desgraciadamente, o quizá afortunadamente, dado que estas aplicaciones tienen el potencial de trabajar en volúmenes realmente grandes, se presta siempre una enorme atención al coste total de la solución, y a menudo no tanto a su tamaño.No debería sorprender al final que todas las características descritas en los siguientes 10 puntos se traduzcan en una reducción significativa de coste y tamaño del circuito en su conjunto.Para mayor sencillez, la mayoría de aspectos evaluados en este artículo se refieren a una topología de convertidor reductor (buck) o de retroceso (flyback). Sin embargo, los lectores expertos serán capaces de relacionar con rapidez tales aspectos y la topología (más avanzada) que hayan escogido. ¡Manos la obra!
 

Fuente de alta tensión directa

 
Lo primero que viene a la cabeza cuando se piensa en añadir un microcontrolador a lo que, de lo contrario, podría ser un simple convertidor CC/CC (analógico) es que ya se sabe lo exigentes que pueden ser estos microcontroladores acerca de su alimentación. Les alegrará saber que con el PIC12HV752 no hay que preocuparse por suministrar un carril finalmente regulado de 5V. La parte “HV” de la referencia así lo indica ya que el dispositivo integra un regulador de derivación. Solo hay que colocar una resistencia en serie y conectarla directamente a una fuente de entrada de alta tensión. La derivación (que funciona de forma similar a un diodo Zener) ajustará la cantidad de corriente absorbida, tanto como sea necesario, para permitir una caída de tensión en la resistencia que sea suficiente para garantizar que nunca haya más de 5V (±10%) en sus terminales (Vdd-GND). Se requiere una mínima cantidad de corriente para generar una adecuada alimentación regulada: con 1 mA es suficiente para todo el rango de temperaturas entre -40 y +85ºC. A partir de ahí se puede recurrir perfectamente a la ley de Ohm para determinar la resistencia más pequeña necesaria, así como su potencia. Para asegurarse de que no haga falta ningún otro componente externo, el PIC12HV752 incluye un circuito de puesta a cero al conectar la alimentación para activar una secuencia y un circuito de detección de tensión de línea baja para garantizar un funcionamiento seguro cuando hay alimentación.

Monitorización de la tensión de alimentación

 
Además de la conexión a la alimentación y de los ciclos de alimentación, existen varias razones por las que se necesitará una referencia de tensión absoluta. De ahí que el PIC12HV752 incluya una referencia de tensión fija (Fixed Voltage Reference, FVR) con una salida nominal de 1,2V que puede alimentar directamente, sin necesidad de conexiones externas, un canal de entrada de un convertidor A/D de 10 bit, y/o una entrada de comparador analógico. Esto permite que el microcontrolador compare su Vdd con una tensión absoluta, que resulta útil cuando se aplica la alimentación de una batería para detectar un nivel bajo de la batería o, en una topología de retroceso, para ayudar a regular la salida de tensión de una fuente secundaria diseñada para descargar al regulador de derivación (ver apartado anterior) tras un breve arranque por autoelevación. Éste aumenta la eficiencia total del circuito por un coste muy modesto en cuanto a la potencia de cálculo.

Funcionamiento con una frecuencia alta/más alta
 

El módulo comparador analógico suministrado en el PIC12HV752 no es el típico dispositivo que se podría esperar en un microcontrolador corriente.
Éste es capaz de ofrecer un tiempo de respuesta inferior a 30 ns, que es ciertamente lo que se desea cuando hace falta controlar la corriente de pico que circula por el convertidor reductor cuando trabaja a una velocidad de hasta 500 kHz. De hecho, la mayoría de convertidores CC/CC de bajo coste estarán lejos de ese límite y se contentarían con trabajar entre 150-250 kHz para lograr el mejor compromiso entre coste y tamaño. Algunos de ustedes opinarán que es muy la opción de conmutar el comparador a un modo de consumo más bajo a expensas de la velocidad. De hecho, con un tiempo de respuesta del orden de 200 ns el modo de bajo consumo ofrece una reducción significativa del consumo de energía del módulo.
Es una opción valiosa cuando se utiliza el comparador únicamente como detector de umbral de tensión en aplicaciones alternativas, posiblemente alimentadas mediante batería

 
Reducción de las pérdidas de detección

 
El PIC12HV752, que ha sido diseñado para trabajar junto a comparadores en una topología típica de convertidor reductor o de retroceso, ofrece un módulo convertidor D/A de 5 bit con “rango limitado” que cuenta con las conexiones internas adecuadas para trabajar como detector de corriente de pico en el circuito de realimentación.
Ahora bien, si se piensa que 5 bit solo bastan para las aplicaciones más sencillas de regulación, permítame explicar cómo funciona este módulo en la práctica.
Por razones de eficiencia, la forma de detectar la corriente de pico consiste en aplicar una resistencia serie lo más pequeña posible a la carga (la cadena de LED). Para ser realistas, se busca un valor resistivo que proporcione unos pocos cientos (300) mV de realimentación. Un valor superior podría ser un desperdicio de energía, y si fuera inferior habría problemas provocados por la mala relación señal/ruido.
Si se aplica esta señal a un lado de un comparador (rápido) mientras el convertidor D/A está conectado al otro lado para ajustar el rango, el módulo D/A debería ofrecer la máxima resolución concretamente entre 0 y 300 mV. Así es exactamente como funciona el PIC12HV752 en modo “Rango limitado”, proporcionando la resolución efectiva que de un convertidor D/A de 9 bit (10 mV a 5V), pero sin su coste.

Reducción de las pérdidas de conmutación

 
Las topologías de conmutación síncrona se utilizan en los diseños de convertidor CC/CC para aumentar la eficiencia (y reducir las denominadas pérdidas de conmutación) cuando la tensión de salida es relativamente baja (cadenas cortas de LED o un solo LED).
La caída de tensión directa en el diodo de “retroceso”, presente en todas las topologías reductoras y elevadoras, se puede ver básicamente como una fuente de pérdidas. Al sustituirlo por un segundo elemento activo podemos reducir estas pérdidas por el coste de un MOSFET adicional y una mínima circuitería para controlarlo con la sincronización adecuada (complementaria). De hecho, el PIC12HV752 puede hacer que resulte sencillo adoptar esta opción dado que la salida del comparador (o del módulo PWM) se puede introducir en un pequeño módulo denominado generador de salida complementaria (Complementary Output Generator, COG), que proporcionará dos señales de salida complementarias y listas para controlar el par de MOSFET.
El módulo COG ofrece un control añadido sobre las dos señales de salida para proporcionar lo que se conoce como banda muerta; esta medida evita que la capacidad de las dos puertas MOSFET genere un peligroso efecto de cruce (disparo). En realidad, el COG puede hacer mucho más por asegurar un control seguro de las salidas síncronas, como:
• Supresión de entrada para evitar ruido en la realimentación de corriente y generar conmutaciones múltiples
• Retardo de fase para estabilidad el sistema sin necesidad de redes de compensación externa
• Entradas de fuente seleccionables en flanco de subida y de bajada (PWM, comparador, patilla)
• Control independiente de banda muerta en flanco de subida y de bajada
• Fuentes de apagado seleccionables
• Activación de reinicio automático
• Control de intervención sobre la patilla de apagado automático
Todas estas funcionalidades aportan la flexibilidad necesaria para ayudarle a alcanzar el compromiso idóneo entre número de componentes, coste y eficiencia.
 

Control de los MOSFET

 
Entre los pocos componentes necesarios para realizar un convertidor CC/CC completo se encuentra siempre como mínimo un dispositivo MOSFET de potencia. Los microcontroladores PIC® destacan por sus excelentes prestaciones en cuanto a consumo y suministro a la salida (25 mA), pero para asegurar que un MOSFET se mantenga fuera de la región lineal hace falta algo más.
Los controladores de MOSFET son ubicuos y no particularmente costosos, pero esto es siempre relativo. El PIC12HV752 hace todo lo posible por reducir el coste al proporcionar 50 mA (consumo y suministro) mediante dos patillas de E/S que, naturalmente, corresponden a las dos salidas del COG. Si bien estos valores están muy lejos de proporcionar los amperios que suministran algunos de los CI discretos para control de MOSFET, es un compromiso que hay que evaluar con mucho cuidado. Por un lado está el coste añadido y el espacio necesario para el controlador MOSFET (que quizá haya de ser doble).
Por otro lado están las pérdidas, que disminuyen la eficiencia del convertidor y generan calor que ha de disiparse. La elección dependerá de cada diseño. Por ejemplo, los diseños de menor potencia se ven menos afectados por la pérdida de eficiencia, pero hay que prestar más atención a su coste.
Los dispositivos MOSFET (lógicos) avanzados, aunque de forma lenta, son cada vez más asequibles y en muchos casos ayudarán a no decidirse por una solución más simple.

Consumo de energía

 
Es probable que ya se haya dado cuenta de que el PIC12HV752 está diseñado para ofrecerle una solución híbrida en la cual la conversión CC/CC que ocupa el centro del diseño de controlador LED es analógica, casi completamente autónomo, después de que el microcontrolador haya realizado una sencilla configuración inicial. El número de MIPS que necesitan tales aplicaciones es minúsculo; me gusta llamar a esto una solución “cero MIPS”. De hecho, toda la “potencia de cálculo” del microcontrolador está disponible para que el diseñador proporcione la “inteligencia”, mientras que el trabajo duro se realiza de fondo mediante una hábil combinación de comparador (o PWM), convertidor D/A y módulo COG.
Conviene destacar que numerosas aplicaciones que incluyen soluciones de iluminación más inteligentes giran en torno a lo que hace la luminaria cuando NO está activa. En tales casos, el microcontrolador debe estar alerta y en funcionamiento, mientras que su consumo de energía se convierte en el componente dominante del consumo de energía asignado a toda la aplicación. Le gustará saber que el PIC12HV752 tiene uno de los consumos de energía activa más bajos (si no el más bajo de todos) entre todos los microcontroladores embebidos disponibles del mercado, en el momento de redactar este artículo. Éste se ha caracterizado por ser inferior a 45 uA/MHz (a 2V).
Cuando el dispositivo está inactivo (dormido), es decir, cuando no hay código en ejecución y todos los periféricos están desactivados, el consumo del núcleo cae hasta 10 nA, un valor tan pequeño que pondría en entredicho la resolución para cualquier instrumento.
 

Volatilidad

 
El PIC12HV752 es un microcontrolador Flash, lo que significa que el contenido de su memoria de programa puede reescribirse cientos de miles de veces. Esto proporciona al producto una vida operativa más larga ya que se puede añadir código nuevo incluso cuando ya se encuentra en el entorno de la aplicación. Pero aún hay más. El microcontrolador puede utilizar una parte de su memoria de programa Flash para almacenar parámetros durante la ejecución. La memoria Flash del PIC12HV752 tiene una garantía de 100.000 ciclos de borrado/escritura y 40 años de retención de datos. Si bien no equivale exactamente a la funcionalidad de una EEPROM de datos adecuada, la memoria Flash del PIC12HV752 puede resultar más adecuada capacidad para muchas aplicaciones de iluminación con el fin de:
• Almacenar un número de serie único (reasignable)
• Grabar de forma permanente unos pocos ajustes (corriente, tensión, temperatura…)
• Grabar de forma permanente los valores de calibración
• Realizar registros
• Mantener un conteo útil
 

Espacio

 
El PIC12HV752 se suministra en encapsulados de 8 patillas, una hazaña que es posible gracias a su elevada integración y a sus flexibles conexiones internas.
También incluye algunos encapsulados relativamente grandes desde un punto de vista físico, como DIP8 y SOIC8, que resultan muy prácticos para el desarrollo rápido de prototipos y para realizar experimentos en laboratorio.
También se suministran en encapsulados minúsculos como el DFN de 3×3 mm, que combina unas dimensiones pequeñas y un paso relativamente grande (0,6mm), lo que significa facilidad de uso y bajo coste de montaje.
 

Coste

 
El PIC12HV752 no solo será el elemento más barato de la lista de materiales, con un precio inicial de 0,56 dólares para pedidos de 10.000 unidades, sino que además hacen falta unos pocos componentes adicionales para ofrecer una solución completa. Además de los otros elementos ya mencionados en apartados anteriores, pensemos que el dispositivo también integra:
• Oscilador de precisión (ajustado en fábrica al 1%) con salida seleccionable a 8 MHz; 4 MHz; 1 MHz y 31 kHz.
• Circuitos de puesta a cero al conectar la alimentación y de detección de tensión de línea baja.
• Temporizador supervisor.
• 4 temporizadores (3×8 bit, 1×16 bit).
• 1 módulo PWM de captura y comparación.
• Resistencias de polarización (pull up/down) en cada patilla de E/S.
• Interface de programación y depuración en el propio circuito.
 

Conclusiones
 

Espero que estos diez breves apartados le hayan ayudado a apreciar las ventajas que supone escoger el microcontrolador PIC12HV752 para diseñar controladores pequeños, de coste ajustado y eficientes para LED. De forma parecida, cualquier otra aplicación de conversión CC/CC (como fuentes de alimentación de tamaño reducido y cargadores de baterías) que necesite la inteligencia y flexibilidad de un microcontrolador y la facilidad de uso de un interruptor analógico podrá aprovechar la misma combinación de integración analógica y sencillez.

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