Новости микроэлектроники

ПРОМЭЛЕКТРОНИКА → DC-DC преобразование - это функция контроллера

Лучший преобразователь DC-DC - это аппаратный преобразователь. Закладывая в проект DC-DC преобразователь в виде отдельной микросхемы, вы, вероятнее всего, получите лучший КПД и большую частоту преобразования. Последнее положительно скажется на стоимости внешних пассивных компонентов, таких как катушки индуктивности и конденсаторы, что снизит общую стоимость решения. Кроме того, площадь, занимаемая этими компонентами на плате, также будет меньше с ростом частоты преобразования. В интегральные микросхемы DC-DC преобразования, как правило, входит несколько видов защит – ещё один аргумент в их пользу.

Тем не менее, в некоторых областях может быть выгоднее использовать контроллер с внешним ключом. Это могут быть ультра дешёвые приложения, либо приложения, где требуется специфика управления мощностью выдаваемого питания. Плюсом такого решения можно также считать большое количество взаимозаменяемых стандартных транзисторов всевозможных производителей.
Инженеры компании "Промэлектроника" создали проект повышающего DC-DC преобразователя на базе контроллера STM32F051R8T6. Электрическая схема проекта приведена ниже.
Рис. 1. Электрическая схема проекта повышающего DC-DC преобразователя на базе микроконтроллера
В будущем мы попытаемся запитать получаемым напряжением +4В GSM модуль M95 фирмы Quectel. Питание GSM модулей имеет свою специфику: в определенные моменты времени модуль потребляет до двух ампер. Импульсы тока имеют длительность меньше миллисекунды. Однако схема регулирования питания должна выдавать требуемую энергию без значительного снижения напряжения.

Принцип работы схемы. Замыкая ключ на базе транзистора VT3, мы накапливаем энергию на катушке L1, которая рассчитывается по формуле:
E = L* I² / 2

где:
L – индуктивность катушка;
I – ток.

Если принять разумное допущение, что ток в катушке растёт линейно со временем, то энергия будет рассчитываться по формуле:

E = U² * T² / (2L)

где:
U – питающее напряжение;
T – время накопления энергии;
L – индуктивность катушки.

Таким образом, управляя временем замыкания ключа VT3, мы влияем на величину энергии катушки. Это базовый принцип любого импульсного преобразователя, построенного на катушке. Работа тока катушки через открытый диод VD2 преобразуется в энергию заряда конденсатора C2. Через делитель, образованный резисторами R6 и R7, контроллер получает обратную связь о выходном напряжении источника и корректирует время заряда катушки индуктивности.

Для управления ключом VT3 было принято решение использовать пару транзисторов VT1 и VT2. Вообще, не исключено, что можно отказаться от их использования и «рулить» транзистором VT3 с вывода контроллера. Однако в этом случае будьте готовы к затяжным фронтам включения и выключения VT3, что однозначно снизит точность управления. При этом вы сэкономите всего 2 рубля. Так что однозначно ставить. Мы в проекте использовали цифровые транзисторы фирмы Galaxy. Цифровой транзистор – это обычный транзистор с встроенными резисторами: один держит транзистор в выключенном состоянии, когда контроллера нет на связи, другой – задаёт ток управления базой. В нашем случае совокупность компонент R1-R2-VT1 и R3-R4-VT2 – это и есть цифровые транзисторы, упакованные в корпус SOT-23. Ничего не поделаешь, инженеры "Промэлектроники" люди ленивые и лишнюю пайку на макете сделать их не заставишь.
Сигналы управления на цифровые транзисторы приходят непосредственно с контроллера. Важно, чтобы не было состояния, при котором оказываются открытыми верхний и нижний транзистор. Иначе – получим короткое замыкание. Благо контроллеры STM32 любого семейства могут это аппаратно исключить.
Пару слов о работе программы контроллера. Всю программу разбить на 2 части: настройка периферии и прерывание с вычислением скорректированного значения заполнения ШИМ Таймера. Первую часть рассматривать подробно не будем, отметим только, что кроме Таймера1 и АЦП задействован DMA. При переполнении Таймер1 запускает АЦП, который по окончании преобразования запрашивает DMA на копирование результата измерения в массив. После 50-ти копирований DMA запрашивает прерывание, в котором происходит коррекция длительности ШИМ. Такая настройка периферии минимизирует участие ядра в управлении источником. Вся идеология управления энергией, закачиваемой в конденсатор показана на рисунке2.
Для коррекции мощности программа использует два параметра: текущая ошибка регулирования и ожидаемая ошибка регулирования при сохранении текущей мощности в следующий момент коррекции. Задача сводится к введению параметра заполнения ШИМ таким образом, чтобы в следующий момент коррекции мощности ошибка регулирования была нулевой. Иными словами, кроме статической ошибки регулирования мы отслеживаем  скорость регулирования.

Некоторые компоненты, применённые в проекте:

• STM32F051R8T6 (STMicroelectronics)
• STS5DNF20V  (STMicroelectronics)
• BCR108 (Galaxy)
• BCR158 (Galaxy)
• SL1016-101K 100/2.5A (Yageo)
• Диоды Шоттки фирмы STMicroelectronics
• Конденсаторы фирмы Yageo

• частота преобразования ШИМ – 20кГц (легко увеличить до 100кГц)
• минимальный дискрет мощности: 1/1200 (если максимальную мощность принять равной 1)
• загрузка ядра процессора не более 10% (можно легко снизить в разы, с соответствующим снижением точности регулирования)