FőoldalKonstruktőrMegoldás a LED-meghajtók tíz problémájára
2014. február 11., kedd ::

Megoldás a LED-meghajtók tíz problémájára

Cikkünkben ismertetjük azt a tíz legfontosabb okot, amiért a fejlesztőmérnökök a kicsi, nagyon kedvező árú PIC12HV752 mikrovezérlőt vagy már a szívükbe fogadták, vagy nagyon hamar megteszik. Minden okot egy nagyon jól meghatározott problémára adott megoldásként mutatunk be, amely minden költségtudatos, de a műszaki minőségből nem engedő, LED-meghajtást fejlesztő mérnököt érdekelhet...

Bevezetés

A PIC12HV752 egy apró, nagyon alacsony árú, kevertjelű mikrovezérlő, amelyet kifejezetten a LED-es világítástechnikai rendszereket tervező mérnökök igényei szerint fejlesztett ki a Microchip. A szilárdtestalapú világítástechnikai (SSL) rendszereket fejlesztő szakemberek számára az elsődleges szempont a minél nagyobb működési hatásfok elérése, és kiemelt hangsúlyt kap munkájuk során a hozzáadott intelligens tartalom is. Függetlenül attól, hogyan tervezik bejárni ezt az utat a fejlesztés során (kommunikációs képességek, továbbfejlesztett szenzorfunkciók, érintésérzékeny vezérlés stb. hozzáadásával), egy dolog minden esetben közös: az „agy", amely egy kicsi, flash-alapú mikrovezérlő képében manifesztálódik. Sajnos (vagy talán éppen ellenkezőleg?) azonban ezek a rendszerek jellemzően nagy sorozatban futnak, és a méret helyett gyakran a költségek veszik át a vezető szerepet.
Bizonyára nem meglepő, hogy a cikkünkben bemutatott tíz pont végeredményben a végleges vezérlő áramkör méreteit és költségeit egyaránt csökkenti. (Az egyszerűség kedvéért a továbbiakban közölt legtöbb megfontolás alapja a feszültségcsökkentő vagy visszacsatolásos konverter-topológia lesz, amely azonban szakértői ismeretek birtokában gyorsan átültethető más, akár fejlettebb topológiákra is.)

1. ábra. LED-es feszültség-csökkentő konverter
2. ábra. Visszacsatolásos (flyback) konverter

Közvetlen, nagyfeszültségű tápellátás

3. ábra. Közvetlen, nagyfeszültségű tápellátás

Az első dolog, ami beugrik egy mikrokontrollert is tartalmazó és egyebekben csak egyszerű, analóg alkatrészekre támaszkodó rendszer kapcsán, hogy a mikrokontrollerek elég kényesek tudnak lenni saját tápellátásukra. Jó hír, hogy a PIC12HV752 használatához nincs szükség szűk keretek között szabályozott 5 V-os tápsínre. A gyakorlott olvasók bizonyára rájöttek már, hogy a „HV" tag a típusnévben arra utal, hogy ez az alkatrész integrált söntszabályozót tartalmaz, amely lehetővé teszi, hogy egyetlen ellenállás sorba kötése után egyenesen a nagyfeszültségű feszültségforráshoz csatlakoztassuk. A Zener-diódához hasonlóan működő sönt szükség szerint szabályozza a felvett áramot, és az ellenálláson kellő mértékű feszültség­esést okoz ahhoz, hogy magára a mikrovezérlő VDD/GND pontjain minden körülmények között 5 V ±10% feszültség legyen jelen. A szépen szabályozott tápforráshoz előírt minimális áramigény 1 mA a -40 ... 85 °C hőmérséklet-tartományban. Ezt leszámítva az Ohm-törvény alapján szabadon kiszámítható az ellenállás névértéke és teljesítménye.

A külső alkatrészigényt tovább csökkenti a PIC12HV752-be integrált bekapcsolási resetáramkör, amely a rendszer bekapcsolási szekvenciájának implementálását segíti elő, valamint a brown-out detektoráramkör, amely a biztonságos működést biztosítja a tápfeszültség elvételekor, ill. rákapcsolásakor.

A tápfeszültség monitorozása

A bekapcsolás és tápfeszültség-elvétel/visszakapcsolás esetei mellett számos oka van egy abszolút feszültségreferencia létjogosultságának. A PIC12HV752 ezért tartalmaz egy rögzített feszültségű referenciát (FVR), amely 1,2 V névleges kimenettel rendelkezik, és külső csatlakozások nélkül is képes egy 10 bites A/D-átalakító bemeneti csatornájának, és/vagy egy analóg komparátor közvetlen táplálására. Ez lehetővé teszi, hogy a mikrovezérlő a saját VDD feszültségét összevesse egy abszolút feszültséggel, amely nagyon hasznos, ha elemmel/akkumulátorral oldjuk meg a tápellátást, érzékelni szeretnénk az alacsony telepfeszültséget, vagy egy rövid, kezdeti feszültség-utánhúzást követően tehermentesíteni szeretnénk a söntöt a másodlagos tápegység feszültségkimenetének szabályozásával flyback-topológiás alkalmazásban. Ez utóbbi igen szerény áldozat árán jelentősen növeli az áramkör működési hatásfokát.

4. ábra. Táp- és telepfeszültség monitorozása

Nagy(obb) frekvenciás működés

5. ábra. Nagy(obb) frekvenciás működés

A PIC12HV752-ben helyet kapott analóg komparátormodul nem olyan tényező, amelyre egy közönséges mikrokontrollernél az ember számítana. A PIC12HV752-be integrált modul válaszideje jobb, mint 30 ns, amely kiválóan alkalmas arra, hogy az akár 500 kHz-es működő feszültségcsökkentő konverternél szabályozzuk a csúcsáramot. A legtöbb, alacsony árfekvésű DC/DC-átalakító rendesen elmarad ettől a sebességtől, és a velük elérhető kompromisszumok jegyében megáll a 150-250 kHz üzemi frekvenciánál.

Néhány fejlesztő számára érdekes lehet, hogy a komparátor alacsonyabb fogyasztású módba is kapcsolható, amellyel a sebességből tudunk a teljesítményfelvételért áldozni. Ezzel a válaszidő a 200 ns nagyságrendbe kerül, viszont a fogyasztás jelentősen visszaszorul. Ha a komparátort csak mint feszültséghatár-detektort kívánjuk használni alternatív alkalmazásban, akkor ez nagyon hasznos lehetőség - különösen telepről működtetett alkalmazások esetén.

Az érzékelési veszteségek csökkentése

6. ábra. Az érzékelési veszteségek csökkentése

A PIC12HV752-t úgy tervezték meg, hogy a tipikus feszültségcsökkentő vagy visszacsatolásos konverter-topológiáknál a komparátorokkal összhangban működjön. Ennek jegyében a PIC12HV752 tartalmaz egy 5 bites „korlátozott értékhatáros" D/A-átalakító modult, amely az áramkörön belül ellátott minden szükséges csatlakozással annak érdekében, hogy a visszacsatoló áramkörben csúcsérték-detektorként működhessen. Ha azt gondolnánk, hogy az 5 bit csupán a legalapvetőbb szabályozáshoz elég, akkor érdemes jobban szemügyre venni a modul tényleges működését. Működési hatásfokra visszavezethető okokból kifolyólag az áram-csúcsérték detektálása úgy történik, hogy a lehető legkisebb soros ellenállást alkalmazzuk a terhelésre (jelen esetben a LED-láncra). A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy egy néhány száz millivoltos visszacsatolást biztosító, rezisztív elemmel van dolgunk. Ha ennél több lenne, az energiapazarlást jelentene, a kevesebb pedig gyenge jel/zaj viszonyarányt teremtene. Ha ezt a jelet egy gyors komparátor egyik felére kapcsolnánk, mialatt a D/A-átalakító a másik félre csatlakozik a küszöbszint beállítása érdekében, akkor a D/A-átalakító a szükséges 0 ... 300 mV értéktartományban maximális felbontást kínál. A PIC12HV752 esetében a „korlátozott értékhatáros" működés pontosan ezt jelenti, tehát lényegében egy 9 bites D/A-átalakító felbontását (10 mV @ 5 V) nyújtja ebben az esetben, annak magas költségei nélkül.

A kapcsolási veszteségek csökkentése

A minél magasabb működési hatásfok és minél kisebb kapcsolási veszteségek elérése érdekében a DC/DC-átalakítóknál szinkron-kapcsolási topológiákat alkalmaznak abban az esetben, ha a kimeneti feszültség relatív alacsony (például egy darab LED vagy rövid LED-lánc esetében). A nyitóirányú feszültségesés a „flyback" diódán minden feszültségcsökkentő/növelő topológiában jelen van, és lehet rá veszteségforrásként is tekinteni. A dióda kiváltható egy MOSFET-tel, így minimális kiszolgáló áramköri bővítéssel és helyesen beállított komplementer időzítések árán e veszteségek csökkenthetők. A PIC12HV752-vel ez az alkalmazás igen egyszerű, mivel a komparátor (vagy a PWM modul) kimenete egy apró modulra, a komplementer kimenetgenerátorra (COG) vezethető, amely két olyan komplementer kimenetet szolgáltat, amelyek egy MOSFET-pár vezérlésére alkalmasak.
A COG modul további vezérlési lehetőségeket is nyújt a két kimeneti jelre nézve: az ún. holtzóna beállítása segít megakadályozni, hogy a két MOSFET kapacitása veszélyes mértékű kereszthatást (átütést) eredményezzen. A valóságban még ennél is több lehetőség adott arra, hogy a COG a szinkronkimenetek biztonságos vezérlését szavatolja, nevezetesen:

  • bemenetkioltás a visszacsatolásból eredő zajok elkerülésére és a többszörös kommutálásra,
  • fáziskésleltetés a rendszer stabilizálására külső kompenzációs hálózat nélkül,
  • választható felfutó- és lefutóéles forrású bemenetek (PWM, komparátor, kivezetés),
  • független felfutó- és lefutóéles holtzóna-vezérlés,
  • választható lekapcsolási források,
  • automatikus újraindulás engedélyezése,
  • automatikus lekapcsolás felülbírálási vezérlése.

E funkciók kiváló rugalmasságot biztosítanak ahhoz, hogy az alkatrészszám, a költségek és a hatásfok tetszőleges kombinációját a tervezés során megvalósíthassuk.

7. ábra. A kapcsolási veszteségek csökkentése

A MOSFET-ek meghajtása

Egy teljes értékű DC/DC-átalakító megépítéséhez nem kell túlságosan sok alkatrész, azonban legalább 1 db teljesítmény-MOSFET beépítésével mindenképpen számolnunk kell. A PIC®-sorozatú mikrokontrollerek híresek többek között erős kimeneti nyelő- és forrásteljesítményükről, azonban ahhoz, hogy biztosítsuk a MOSFET lineáris tartományon kívüli működését, többre van szükség.

A MOSFET meghajtók mindenütt jelen vannak, nem is kifejezetten drágák, ez azonban mindig relatív megítélés kérdése. A PIC12HV752 a MOSFET meghajtó költségének csökkentését úgy segítő elő, hogy két kiválasztott I/O csatlakozási pontján (amelyek a COG két kimenetének felelnek meg - lásd 5. pont) 50 mA-es forrást és nyelőt biztosít. Bár ez az 50 mA nagyságrendekkel marad el néhány diszkrét MOSFET meghajtó IC által biztosított, amper-nagyságrendű értékektől, az összkép sokkal árnyaltabb és óvatosabb megközelítést igényel. Egyrészt egy diszkrét alkatrész bekerülési költsége és helyigénye jelentős, különösen akkor, ha duálkialakításról beszélünk. Másodsorban számolni kell a veszteségekkel, amelyek csökkentik a komplett konverter működési hatásfokát, nem is szólva a hőveszteség okozta disszipációról. A választás tehát erősen alkalmazásfüggő. A kisebb teljesítményű áramköröket kevésbé érinti a hatásfok csökkenése, azonban érzékenyebbek a költségekre. Az új generációs (logikai) MOSFET-ek lassan, de biztosan egyre megfizethetőbbé válnak, és várhatóan egyre gyakrabban billen feléjük majd a mérleg nyelve az egyszerű megoldást keresőknél.

8. ábra. A MOSFET-ek meghajtása

Teljesítményfelvétel

Amint láthattuk, a PIC12HV752 kiváló hibrid megoldást nyújt, amelyben a LED-meghajtó szívében működő DC/DC-átalakítás analóg módon, szinte teljesen függetlenül működik a mikrokontrolleres alrendszer egyszerű kezdeti beállítása után. Egy olyan alkalmazásnak, mint amilyet itt ismertettünk, minimális számítási igénye van, és lényegében a mikrokontroller közel teljes számítási teljesítménye a tervező rendelkezésére áll ahhoz, hogy intelligens funkciókat implementálhasson a rendszerbe. A munka „nehezét" a háttérben a komparátor (vagy PWM), D/A-átalakító és COG modul okos kombinációja végzi el.

Az intelligens LED-es világítástechnikai rendszerek érdekessége, hogy a világítótestek kikapcsolt állapotában is van felügyelet, ill. egyéb működés. Ilyen esetekben a mikrokontroller is valamilyen működési üzemállapotban tartózkodik, ezáltal az ő fogyasztása lesz a meghatározó a rendszerben. A PIC12HV752 ezen a téren is kiválóan teljesít, hiszen a mai, modern beágyazott mikrokontrollerek között is rendkívül alacsony aktív üzemállapotbeli teljesítményfelvételt kínál (ha nem a legalacsonyabbat), amely számszerűleg kisebb, mint 45 µA/MHz (2 V magfeszültségen). Inaktív (alvó) állapotában, tehát lekapcsolt perifériáknál és kódvégrehajtás nélkül a PIC12HV752 magjának fogyasztása 10 nA-re esik, amely olyan alacsony, hogy a legtöbb asztali mérőműszer egyáltalán mérni sem képes.

9. ábra. Teljesítmény-felvétel

Adattárolás

A PIC12HV752 egy flash-alapú mikrovezérlő, amely azt jelenti, hogy a programmemóriájának tartalma több százezerszer újraírható. Ez azt jelenti, hogy a programkód akár a helyszínen installált rendszerben is frissíthető, amely jelentősen kiterjeszti a telepített rendszerek élettartamát. Ez azonban még nem minden, hiszen a flash-memória egy részét a mikrokontroller-futási időben keletkező adatok tárolására is felhasználhatja. A PIC12HV752 flash-memóriájának garantált élettartama 100 ezer írási/törlési ciklus és 40 év adatmegőrzés, amely lehetséges, hogy nem éri el az adattárolásra kínált EEPROM-ok mutatóit, ám még így is lényegesen több, mint amire a világítástechnikai rendszerekben valaha szükség lesz. A PIC12HV752 flash-memóriája — a teljesség igénye nélkül — tökéletesen megfelel az alábbi célokra is:

  • egyedi sorozatszámok tárolása (szükség esetén frissíthető),
  • néhány beállítási érték (áramerősség, feszültség, hőmérséklet stb.) permanens tárolása,
  • kalibrációs értékek permanens tárolása,
  • naplózás,
  • ki-/bekapcsolási ciklusok nyilvántartása.

Helyigény

A PIC12HV752-t 8-kivezetésű tokozásba szereli a gyártó, amely kisebb bravúr a rugalmas konfigurálhatóság és az integráció tükrében. Az elérhető változatok között fizikailag relatív nagyméretű, DIP8 és SOIC8 tokozások is szerepelnek, amelyek jó választást nyújtanak prototípusfejlesztéshez. A sorozattermékekhez elérhetőek apró méretű, pl. 3×3 mm-es DFN típusú tokozással szerelt változatok is, amelyek a külső méreteikhez képest relatív nagy, 0,6 mm-es kivezetés-térközzel a szerelhetőségnek kedveznek.

Költségek

A már 0,56 dolláros darabáron is elérhető PIC12HV752 nemcsak az anyaglista egyik legalacsonyabb árú tétele, de örvendetes az is, hogy a teljes rendszer megépítéséhez milyen kevés további alkatrész szükséges. Az előző pontokban nagyjából már ismertettük a külső alkatrészigényt, most pedig pontokba szedve felsoroljuk a PIC12HV752 integrált alkatrészeit:

  • precíziós, 1%-os hangolási pontosságú oszcillátor, választhatóan 8 MHz, 4 MHz, 1 MHz, 31 kHz kimeneti frekvenciákkal,
  • bekapcsolási és brown-out érzékelő reset-áramkörök,
  • watchdog időzítő,
  • 4 időzítő (3×8 bites, 1×16 bites),
  • rögzítő/komparáló PWM modul,
  • felhúzó/lehúzó ellenállások minden I/O-kivezetésen,
  • in-circuit programozó- és hibavadász-interfész.

Konklúzió

Bízunk benne, hogy az itt ismertetett tíz pont alapján sikerült átadni azokat az információkat, amelyek alapján látható, hogy a PIC12HV752 mikrokontroller ideális arra, hogy kis költségű, kisméretű és kiváló hatásfokú LED-meghajtót építsünk köréje. Egy pillanatra a LED-meghajtókat elfelejtve azt is láthatjuk, hogy bármely más DC/DC-átalakító alkalmazás (pl. kis tápegységek, akkumulátortöltők stb.) sokat profitálhat a PIC12HV752 nyújtotta rugalmasságból, intelligens működést támogató funkciókból.

PIC12HV752 műszaki adatlap
Nagyteljesítményű LED-es elemlámpa bemutató
Újgenerációs perifériák brosúra

Tudomány / Alapkutatás

tudomany

CAD/CAM

cad

Járműelektronika

jarmuelektronika

Led technológia

Led technológia

Rendezvények / Kiállítások

Mostanában nincsenek események
Nincs megjeleníthető esemény