Es ist möglich, mit demselben Mikrocontroller ein synchrones Buck- und Boost-Netzteil mit 100 Prozent analoger Steuerung für die Ausgangsregelung zu bauen. In beiden Fällen hat die Implementierung den Vorteil, keine Prozessorleistung zu verbrauchen und somit den Kernel für komplexere Firmware freizugeben. Außerdem reagiert die analoge Schleife viel schneller auf Eingangsspannungs- und Lastschwankungen, was sie für viele Anwendungen nützlich macht.
Der fragliche Mikrocontroller ist der PIC16F753 von Microchip. Die Abwärts- und Aufwärtswandler benötigen dieselben Peripheriegeräte: einen komplementären Ausgangsgenerator; Komparator; Operationsverstärker; 9-Bit-A/D-Wandler; feste Spannungsreferenz; Neigungskompensationsmodul; und PWM-Erfassungs- und Vergleichsmodul. Peripheriegeräte sollten intern per Firmware verbunden werden, wodurch die Anzahl der benötigten externen Pins reduziert wird.
Schaltpläne
Der Eingangsbetriebsbereich für den Abwärtswandler beträgt 8 bis 16 V DC. Die Zahlen für den Ausgang sind 5V DC, 2A und 10W. Die Codegröße beträgt 105 Wörter, der RAM 0 Byte, die verfügbare Codegröße 1943 Wörter und der verfügbare RAM 128 Byte. Der gemessene Wirkungsgrad bei 2A beträgt 94 Prozent.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der synchronen Abwärtsstromversorgung. Die Ausgangsspannung sollte durch Spitzenstrommodussteuerung und Vergleich mit der Referenzspannung durch den Fehleroperationsverstärker (OPA) geregelt werden. Das Ergebnis kann dann in den Spitzenstromkomparator eingegeben werden. Das interne Stromkompensationsmodul subtrahiert eine softwareprogrammierbare Rampe vom Fehlerverstärkerausgang vor dem Spitzenstromkomparator. Das PWM-Erfassungs- und Vergleichsmodul liefert ein Steuersignal mit fester Frequenz und festem Arbeitszyklus, und der Ausgang des Spitzenstromkomparators wird als zweite (pegelbasierte) Quelle für die abfallende Flanke des komplementären Ausgangsgenerators (komplementärer Ausgangsgenerator) ausgewählt , ZAHN).
Der Aufwärtswandler arbeitet auf die gleiche Weise und sein Blockdiagramm ist in Abb. 2 zu sehen. Es gibt jedoch einige Unterschiede in den Spezifikationen. In diesem Fall beträgt der Eingangsspannungsbereich 3 bis 5 V DC. Die Ausgänge sind gleich, ebenso wie die Größe des RAM. Die Codegröße beträgt 99 Wörter und die verfügbare Codegröße beträgt 1949 Wörter. Der Wirkungsgrad bei 2A beträgt 87 Prozent.
Wie arbeiten Sie
Nach der Konfiguration und Verschaltung der Peripherie arbeitet der Regelkreis selbstständig, ohne dass Prozessorzeit benötigt wird. Techniken zur Spitzenstromsteuerung benötigen eine Flankenkompensation für Arbeitszyklen von mehr als 50 Prozent, um Oszillationen zu verhindern. Bei niedrigeren Arbeitszyklen hilft die Steigungskompensation auch dabei, den Regelkreis zu stabilisieren, wenn der Strom-Shunt klein ist. Der PIC16F753 verfügt über ein internes Neigungskompensationsmodul, das verwendet werden kann, um eine programmierbare Rampe vom Fehlerverstärkerausgang zu subtrahieren, bevor er in den Spitzenstromkomparator eingespeist wird.
Bei Synchronschaltnetzteilen ist eine kurze Totzeit der Transistorsteuersignale erforderlich, um Stromauslösungen zu vermeiden. Der COG kann dieses Signal aus der Oszillatorfrequenz oder aus einer analogen Verzögerungskette erzeugen. Die Verzögerungskette ermöglicht es dem Benutzer, die Totzeit mit einer Auflösung von 5 ns einzustellen, was für kleine Transistoren besser geeignet ist. In dieser Anwendung wurde die Totzeit auf 30 ns eingestellt.
In der Buck-Topologie ist der Induktorstrom gleich dem Laststrom. Um den Spitzenstrom der Induktivität durch eine Ableitung auf der Niederpotentialseite (Low-Side) messen zu können, sind einige Modifikationen erforderlich. Normalerweise sieht der Shunt den gefilterten Ausgangsstrom, der durch die Spitzenstrom-Steuerungstechnik nicht nutzbar ist. Indem die Ausgangskondensatoren über den Shunt mit Masse verbunden werden, erhöht sich der ESR, aber die resultierende Wellenform kommt der Wellenform des Spulenstroms sehr nahe. Der Nachteil dieser Methode ist ihre etwas niedrigere Effizienz, aber ein Abgriff auf der High-Side erfordert normalerweise zusätzliche Schaltungen (Stromspiegel oder spezielles IC), was die Kosten erhöht. Bei der Buck-Topologie ist der Induktorstrom gleich dem Eingangsstrom. Der Spitzenstrom der Induktivität wurde direkt an einem Widerstand gemessen, der zwischen der Source des Transistors und Masse angeordnet war.
Ein- und Ausgabe
Die Ausgangsstrombegrenzung ist nicht in den Regelkreis eingebaut, und für eine solche Funktion sollte ein zweiter ausgewählter Komparator als Quelle für die automatische COG-Abschaltung verwendet werden. Der Ausgang des Fehlerverstärkers ist die Spitzenstromgrenze der Induktivität, daher hilft es, diese mit einem Widerstandsteiler niedrig zu halten, wenn Einschaltstromprobleme und katastrophale Kurzschlüsse auftreten. Der Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Systemverstärkung reduziert wird und langsamer auf Transienten reagiert.
Der Pin-Out des Operationsverstärkers ist derselbe wie der Pin-In des Neigungskompensationsmoduls, sodass die beiden Peripheriegeräte zusammen verwendet werden können, ohne zusätzliche externe Konnektivität hinzuzufügen. Wenn ein Widerstandsteiler verwendet wird, um die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers zu begrenzen, muss er extern mit dem Eingangspin des Puffers mit fester Spannungsreferenz (FVR) verbunden werden. Die Eingangsspannung des Aufwärtswandlers sollte über eine kleine Boost-Diode am Ausgang mit dem Mikrocontroller verbunden werden. Auf diese Weise speist die Ausgangsspannung, wenn sie ansteigt, den Mikrocontroller und den MOSFET-Treiber.
Dies ist effizienter, da höhere VGS RDS(ON) verbessern und der Bereich unter 4,5 V für die meisten Leistungstransistoren problematisch ist. Dadurch ist der FVR die einzige verfügbare stabile Referenz, und die Schaltung erfordert einige Änderungen, um sicherzustellen, dass die Schleifenreferenzspannung immer unabhängig von der Quellen- oder Ausgangsspannung ist. Da die Regelkreis-Referenzspannung vom D/A-Wandler abgeleitet wird, benötigt auch dieses Peripheriegerät eine stabile Referenz. Der 1,2-V-FVR wurde als Referenz für den D/A-Wandler ausgewählt, um diese Anforderungen zu erfüllen.
Die Boost-Topologie bietet einen klaren DC-Pfad zwischen Stromversorgung und Ausgang über die Induktivität und die Gleichrichterdiode, selbst wenn der Schalttransistor gesperrt ist.
Die Strombegrenzungsschleife kann einen Überstrom nur verhindern, bis die Schaltfrequenz gegen Null geht. Über diesen Punkt hinaus können katastrophale Kurzschlüsse auftreten, wenn kein Schutzschalter hinzugefügt wird. Ein zweiter Transistor kann auf der Niederpotentialseite des Ausgangs platziert werden, um die Last im Falle eines Kurzschlusses zu trennen. Für einen komparatorbasierten Kurzschlussschutz muss die Referenz über den gesamten Eingangsbetriebsbereich stabil sein. Da die Shunt-Spannung des Ausgangsstroms im Allgemeinen zu klein ist, um sie direkt mit dem 1,2-V-FVR zu verwenden, müssen Sie über den FVR-Puffer und dann über einen Widerstandsteiler eine Verbindung nach außen herstellen, um die gewünschte Referenzspannung für den Komparator zu erhalten. Durch die Verwendung des FVR-Puffers auf diese Weise muss der Ausgang des Operationsverstärkers direkt mit dem Flankenkompensationsmodul verwendet werden, ohne einen weiteren Teiler hinzuzufügen.
Es benötigt keine Prozessorzeit, verwendet aber auch mehr Pins und Peripheriegeräte. Für einen A/D-Wandler-basierten Kurzschlussschutz werden die aktuelle Shunt-Spannung und FVR in der Firmware gelesen. Die FVR-Spannung wird benötigt, um VDD zu berechnen (wenn sie kleiner als 5 V ist), was in diesem Fall die Referenzspannung des A/D-Wandlers ist. Obwohl es den hinzugefügten Komparator, die I/O-Pins und die externen Widerstände nicht verwendet, erfordert es etwas Programmplatz und Prozessorzeit.
Der Antrieb muss für eine gegebene Belastung kompensiert werden und die Stabilität muss für den gesamten Bereich der Betriebsbedingungen nachgewiesen werden. Im Vergleich zur Verwendung eines spezialisierten PWM-Controller-Chips ist die Leistung ähnlich, aber ein PIC-Mikrocontroller erhöht die Flexibilität. Darüber hinaus arbeitet der analoge Regelkreis autonom, sodass der Mikrocontroller-Kern völlig frei ist, Benutzeralgorithmen auszuführen, Stromversorgungsparameter zu messen oder relevante Informationen zu übertragen.
Anwendungen
Der analoge Regelkreis macht das Netzteil schnell genug für dynamische Lasten und Eingangsspannungsschwankungen. Für stromgesteuerte Lasten wie LEDs oder thermoelektrische Zellen kann die Spannungsrückkopplung durch eine durchschnittliche Stromrückkopplung ersetzt werden. Das Netzteil kann auch für Anwendungen verwendet werden, die eine Spannungs- und Stromregelung erfordern, wie z. B. CC- und CV-Batterieladegeräte.
Der D/A-Wandler PIC16F753 hat eine Auflösung von 9 Bit, was einem minimalen Spannungsschritt von 20 mV mit einem halben Ausgangsteiler für den Abwärtswandler und 50 mV mit einem fünften Ausgangsteiler für den Aufwärtswandler entspricht.
Die Anwendung erfordert einen Operationsverstärker, einen Komparator und einen D/A-Wandler. Der Ausgang des D/A-Wandlers kann intern mit dem Operationsverstärker verbunden werden, wodurch ein Pin eingespart wird. Das CCP-Modul erzeugt ein Signal mit fester Frequenz und festem Arbeitszyklus für den COG. Abhängig von der vom Benutzer gewählten Option zur Begrenzung des OPA-Ausgangs muss der Widerstandsteiler extern mit dem Eingang des FVR-Puffers verbunden werden. Wenn der Widerstandsteiler nicht verwendet wird, wird nur ein Stift anstelle von zwei verwendet. In diesem Fall ist der Ausgang des Operationsverstärkers, der mit dem Eingang des Neigungskompensationsmoduls identisch ist, als analoger Pin konfiguriert und sollte nicht für andere Zwecke verwendet werden.
Der digitale Input-Only-Pin kann als Taste oder für eine ähnliche Funktion verwendet werden. Während der Laufzeit werden der Programmierdaten-I/O-Pin und die beiden anderen Pins für anwenderspezifische Funktionen freigegeben.
Alternativer Aufwärtswandler
Mit dem PIC12F1501 lässt sich auch ein digital gesteuertes Step-up-Netzteil realisieren, das sich durch einen guten Wirkungsgrad bei kleinen Lasten sowie einen Hardware-Überspannungsschutz auszeichnet und mit wenigen Bauteilen auskommt. Die notwendigen Peripheriegeräte sind zwei Kanäle mit 10-Bit-A/D-Wandlung, ein FVR, ein Komparator, ein numerisch gesteuerter Oszillator und ein komplementärer Wellenformgenerator. Peripheriegeräte sind intern per Firmware verbunden, wodurch die Anzahl der externen Pins auf drei reduziert wird. Sein Blockschaltbild ist in Abb. 3 zu sehen.
Ausgangsspannung und -strom werden mit einem proportionalen Regelkreis geregelt. Die Ausgangswerte werden von zwei A/D-Wandlungskanälen eingelesen und das Steuersignal entsprechend angepasst. Der numerisch gesteuerte Oszillator verwendet Pulse mit fester Zeit und variabler Frequenz, um die Frequenzmodulation auf den Arbeitszykluspuls einzustellen.
Fazit
Es wurde beschrieben, wie Mikrocontroller von Microchip verwendet werden, um Abwärts- und Aufwärtswandler zu erstellen und so Rechenleistung für andere Aufgaben zu sparen. Alle drei gezeigten Beispiele benötigen nur eine kleine Anzahl von Peripheriegeräten, um ihre Ziele zu erreichen.
