Az implementációra alkalmas mikrokontroller szerepében cikkünkben a Microchip PIC16F753 tetszeleg. Mind a feszültségcsökkentő, mind a feszültségnövelő konverterhez ugyanarra a perifériakészletre van szükség, amely áll egy komplementer kimeneti generátorból, komparátorból, műveleti erősítőből, 9 bites A/D-átalakítóból, rögzített feszültségű referenciából, lejtéskiegyenlítési modulból, valamint PWM modulokból. A perifériák összekötését belsőleg célszerű megvalósítani a firmware segítségével, amelynél csökkenthető a külső áramköri kivezetések kihasználtsága.
Kapcsolási rajzok
A feszültségcsökkentő konverter (lásd 1. ábra) működési bemeneti feszültségtartománya 8 ... 16 VDC. A kimeneti jellemzők 5 VDC, 2 A, 10 W. A konverter vezérlőkódjának mérete 105 szó, a RAM-felhasználás 0 bájt, a rendelkezésre álló kódméret 1943 szó, és a fennmaradó RAM-méret 128 bájt. A 2 A kimeneti áramnál mért hatásfok 94%.
1. ábra. A feszültségcsökkentő tápegység kapcsolási rajzaAz 1. ábrán látható, szinkron feszültségcsökkentő tápegység kimeneti feszültségének szabályozását csúcsáramvezérléssel célszerű ellátni, majd a hibaerősítővel összehasonlítani a referenciafeszültséggel. Az eredmény ezután továbbítható a csúcsáram-komparátorhoz. A belső lejtéskiegyenlítési modul a hibaerősítő kimenetéből kivon egy szoftverből programozható felfutást, mielőtt a csúcsáram-komparátorra kerülne. A PWM modul egy fix frekvenciájú, fix kitöltési tényezőjű vezérlőjelet szolgáltat, a csúcsáram-komparátor kimenete pedig másodlagos forrásként került kijelölésre a komplementer kimeneti generátor lefutó élére.
A feszültségnövelő konverter (lásd 2. ábra) nagyon hasonló elven működik a feszültségcsökkentőnél leírtakhoz, a specifikációkban azonban természetesen vannak különbségek. Feszültségnövelő tápegységnél a bemeneti feszültség értéke 3 ... 5 VDC, a kimeneti jellemzők és a RAM-foglalás mérete viszont azonos. A kódméret ebben az esetben 99 szó, a rendelkezésre álló tartalék 1949 szó. A hatásfok 2 A kimeneti áram mellett 87%.
2. ábra. A feszültségnövelő konverter kapcsolási rajzaA feszültségcsökkentő és -növelő konverterek működése
Miután a perifériák konfigurálásra és összekötésre kerültek, a vezérlőhurok magától fut majd, nincs szüksége processzoridőre. A csúcsáramvezérlési sémákhoz 50%-ot meghaladó kitöltési tényezőnél az oszcilláció megakadályozására lejtéskiegyenlítésre van szükség. A lejtéskiegyenlítés a kisebb kitöltési tényezőknél is jól jön, mivel elősegíti a vezérlési hurok stabilizálását akkor is, ha az áramsönt túl kicsi. A PIC16F753 belső lejtéskiegyenlítési modullal rendelkezik, amely alkalmas egy programozható felfutás kivonására is a hibaerősítő kimenetéből, mielőtt a jel a csúcsáram-komparátorra kerülne.
A szinkron kapcsolóüzemű tápegységeknél az áramtúllövés megakadályozása érdekében a tranzisztoros vezérlőjeleknél rövid holtidőkre szükség van. A komplementer kimeneti generátor képes e jelek generálására az oszcillátorfrekvencia vagy egy analóg késleltetési lánc alapján is. A késleltetési lánc lehetővé teszi a felhasználó számára a holtidő beállítását 5 ns lépésközökkel, amely több mint elegendő a kis méretű tranzisztorok esetében. Az ismertetett alkalmazásban a holtidőt 30 ns-ra állították be.
Feszültségcsökkentő topológia mellett a tekercsáram megegyezik a terhelési árammal. A tekercs csúcsáramának méréséhez alsó oldali sönttel néhány módosításra van szükség. A sönt normálesetben a szűrésen átment kimeneti áramot látja, amely a csúcsáramvezérlési séma által nem használható fel. A kimeneti kondenzátorok söntön keresztüli leföldelésével az ekvivalens soros ellenállás nagyobb lesz, de a keletkező hullámforma nagyon hasonló lesz a tekercs áramhullámformájához. A módszer hátránya, hogy a hatásfok némileg alacsonyabb, de a felső oldali sönthöz többnyire kiegészítő áramkörre (áramtükörre vagy speciális IC-re) van szükség, amely költségtényezőt jelent.
Feszültségnövelő topológiánál a tekercsáram megegyezik a bemeneti árammal. A tekercs csúcsárama közvetlenül a tranzisztor source-a és a föld közötti ellenálláson kerül lemérésre.
Bemenet és kimenet
A kimeneti áram korlátozása nem integrált funkciója a vezérlőhuroknak, és erre egy második komparátort célszerű rendszeresíteni, valamint a komplementer kimeneti generátor automatikus lekapcsolási forrásaként beállítani. A hibaerősítő kimenete a tekercs csúcsáramkorlátja, ezért ha ezt az értéket egy ellenállásosztóval kis értéken tartjuk, az jelentős segítséget jelent a bekapcsolási túláram és a végzetes kimenetelű rövidzárlati problémák kezelésében. E megközelítés hátránya, hogy a rendszer erősítése, valamint a tranziensválasz sebessége csökken. A műveleti erősítő kimeneti pontja és a lejtéskiegyenlítési modul bemeneti pontja egy és ugyanaz, így e két periféria bármilyen további külső összeköttetés nélkül együtt használható. Ha a műveleti erősítő kimeneti feszültségét ellenállásosztóval korlátozzuk, külsőleg kell a fix feszültségreferencia-puffer bemeneti kivezetésére rácsatlakoztatni.
A feszültségnövelő konverter bemeneti feszültségét a mikrokontrollerre egy kis diódán keresztül kell rávezetni, illetve a kimenetre feszültség-utánhúzó kapcsolásban rákötni. Ezért, ha a kimeneti feszültség emelkedik, tápfeszültséggel látja el a mikrovezérlőt és a MOSFET meghajtót. Ez hatásfok szempontjából azért előnyös, mert a magasabb VGS feszültség hatására kedvezőbb az RDS(on) bekapcsolási ellenállás alakulása, valamint a 4,5 V alatti tartomány a legtöbb teljesítménytranzisztor számára ingoványos talajt jelent. Ezáltal a fix feszültségű referencia az egyetlen elérhető, stabilnak tekinthető referencia, az áramkörhöz pedig néhány további változtatásra van szükség annak érdekében, hogy a hurok referenciafeszültségének mindenkori függetlensége a tápvagy kimeneti feszültségtől biztosított legyen. Mivel a vezérlőhurok referenciafeszültsége a D/A-átalakítóból kerül származtatásra, a perifériához szükség van stabil referenciára. Az 1,2 V-os, fix feszültségű referencia a D/A-átalakító referenciája, így a feltételek teljesítettnek tekinthetők.
A feszültségnövelő topológia tiszta DC útvonalat lát maga előtt a forrástól a kimenetig a tekercsen és az egyenirányító diódán keresztül még akkor is, ha a kapcsolótranzisztor blokkolt. Az áramkorlátozó hurok csak addig képes a túláram kialakulását megakadályozni, amíg a kapcsolási frekvencia nulla nem lesz. Ettől a ponttól kezdve végzetes kimenetelű rövidzárlati események alakulhatnak ki, ha nincs a rendszerben kiegészítő védőkapcsoló. A kimeneti alsó oldalra beiktatható egy második tranzisztor, amely rövidzárlat esetén képes a terhelés levágására.
A komparátoros rövidzárlat-védelemhez a referenciának a teljes működési feszültségtartományban stabilnak kell lennie. Mivel a kimeneti áramsönt feszültsége általában túl alacsony ahhoz, hogy az 1,2 V-os, fix feszültségű referenciával közvetlenül használják, kívül kell elvezetni a fix feszültségű referencia pufferén keresztül, majd egy rezisztív osztón át a komparátor számára megfelelő referenciafeszültséget előállítani. Mivel a fix feszültségű referencia pufferét ilyen minőségben használja a rendszer, a műveleti erősítő kimenetét közvetlenül szükséges a lejtéskiegyenlítési modullal használni, további osztó nélkül. Ez ugyan nem használ processzoridőt, viszont több kivezetésre és perifériára van szüksége. Az A/D-átalakítón alapuló rövidzárlat-védelemnél az áramsönt feszültségét és a fix feszültségű referenciát a firmware olvassa ki. A fix feszültségű referencia értékére szükség van a VDD feszültség kiszámítására (<5 V esetén), amely ebben az esetben az A/D-átalakító referenciafeszültségének tekinthető. Jóllehet ehhez nincs szükség kiegészítő komparátorra, I/O kivezetésekre és külső ellenállásokra, kell hozzá programtárterület és processzoridő is.
A konvertert az adott terhelés figyelembe-vételével kompenzálni, a stabilitást pedig a működési feltételek teljes intervallumában ellenőrizni kell. Ha speciális PWM vezérlővel hasonlítjuk össze a rendszert, a teljesítmény vonatkozásában hasonló eredményt kapunk, azonban a PIC mikrovezérlő rugalmasságáról ilyenkor le kell mondanunk. Ráadásul az analóg vezérlőhurok magától fut, a mikrokontroller processzormagja pedig teljes egészében elérhető algoritmusok futtatására, tápegység-paraméterek mérésére vagy információtovábbításra is.
Alkalmazások
Az analóg vezérlőhurokkal a tápegység dinamikus terhelés és a bemeneti feszültség változása esetén is kielégítően gyors. Az áramvezérelt terhelések (pl. LED-ek, termoelektromos cellák stb.) esetében a feszültség-visszacsatolás kiváltható áramátlag visszacsatolásával is. A tápegység olyan alkalmazásokkal is kompatibilis, amelyeknél feszültség- és áramvezérlésre is szükség van, lásd például az állandó áramú és állandó feszültségű akkumulátortöltők esetét. A PIC16F753 D/A-átalakítójának felbontása 9 bit, amely 20 mV minimális feszültséglépést jelent félkimenetű osztónál feszültségcsökkentő konverternél, illetve 50 mV lépést ötödik kimenetű osztónál feszültségnövelő konverternél.
Az alkalmazáshoz egy műveleti erősítőre, egy komparátorra és egy D/A-átalakítóra van szükség. A D/A-átalakító kimenete belül rávezethető a műveleti erősítőre, amellyel egy kivezetés máris megtakarítható. A PWM modul fix frekvenciájú és fix kitöltési tényezőjű jelet állít elő a komplementer kimeneti generátor számára. A műveleti erősítő kimenetének korlátozásától függően az ellenállásosztót kívül kell csatlakoztatni a fix feszültségű referencia pufferbemenetére. Ha nincs ellenállásosztó, a kettő helyett csak egy kivezetésre van szükség. Ekkor a műveleti erősítő kimenete (amely megegyezik a lejtéskiegyenlítési modul bemenetével) analóg csatlakozóként kerül konfigurálásra, és más célokra nem használható fel. A csak bemenetként működő digitális csatlakozó nyomógombos vagy hasonló funkcionalitást adó vezérlésre is felhasználható. Futási idő alatt a programozási adat I/O kivezetés és két további kivezetés felhasználói célokra rendelkezésre áll.
Alternatív feszültségnövelő konverter
Digitálisan vezérelt, feszültségnövelő tápegység megépíthető a PIC12F1501 mikrovezérlővel is. E megoldás enyhe terhelés esetén jó hatásfokot ill. hardveres túlfeszültség elleni védelmet nyújt, és szerény mennyiségi igényeket támaszt külső alkatrészekkel szemben. A szükséges perifériák az alábbiak: 2 db 10 bites A/D-átalakító csatorna, egy fix feszültségű referencia, komparátor, numerikus vezérlésű oszcillátor, illetve komplementer hullámforma-generátor. A perifériák belül, a firmware segítségével kerülnek összeköttetésbe, amely mindössze háromra csökkenti a szükséges külső csatlakozási pontok számát. Az alternatív feszültségnövelő konverter kapcsolási rajza a 3. ábrán látható.
3. ábra. Alternatív kapcsolású, digitálisan vezérelt, feszültségnövelő konverter kapcsolási rajzaA kimeneti feszültséget és áramot aránytagos vezérlőhurok szabályozza. A kimeneti értékeket két A/D-átalakító csatorna olvassa be, a vezérlőjel ennek megfelelően kerül kalibrálásra. A numerikus vezérlésű oszcillátor fix bekapcsolási idejű, változó frekvenciájú impulzusokkal működik, amely alapján végzi a impulzusfrekvencia-moduláció kitöltési tényezőjének kalibrálását.
Összefoglalás
Cikkünkben bemutattuk, hogy a Microchip mikrovezérlőkkel hogyan lehetséges feszültségcsökkentő és -növelő topológiájú tápegységeket realizálni úgy, hogy a feldolgozási teljesítményt más feladatokra megtartjuk. Mindhárom bemutatott példamegoldás igazán szerény perifériaszükséglettel rendelkezik a feladat maradéktalan megvalósításához.
