Импульсный преобразователь напряжения на микроконтроллере фирмы Microchip

Андрей Гаврилюк

Особенностью конструкции является применение PIC-микроконтроллера, что позволило выполнить техническое задание на разрабатываемое устройство: два независимых канала, промышленный диапазон температур, устойчивость к длительному короткому замыканию выхода, высокая точность поддержания выходного напряжения, возможность подстройки выходного напряжения синхронно или раздельно по каналам.

Несмотря на частое появление в последнее время информации об удачном применении программируемых микроконтроллеров в устройствах силовой техники, их использование в DC-DC преобразователях остается экзотической штукой. Объясняется это, скорее всего, обилием специализированных микросхем. Однако, порой, поставленную задачу затруднительно решить ”в лоб”. В этих случаях весьма соблазнительно поставить на плату одну микросхему, поручив ей выполнение всех необходимых функций, вместо 4-10 корпусов из стандартного набора. По этой причине микроконтроллер может стать если не ”панацеей”, то предпочтительным вариантом. В [1] более разносторонне показаны причины, побуждающие разработчика современной импульсной техники обращать свои взоры на микроконтроллеры.

Рисунок 1.

В данном преобразователе применен микроконтроллер PIC16F876А-I/P [2]. Почему именно этот? Во-первых, и это самое главное, он имеет два независимых 10-ти битовых канала широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Во-вторых, 5-ти канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В-третьих, наличие у микроконтроллера энергонезависимой памяти данных. В-четвертых, множество других выводов, которые можно использовать под всевозможные интерфейсы.

Итак, пора перейти к техническим характеристикам описываемого устройства. Преобразователь состоит из двух независимых каналов – источников питания, которые гальванически изолированы как от входного напряжения, так и друг от друга. Преобразование энергии осуществляется синхронно, что исключает биения частот.

Основные технические характеристики:

♦ Входное напряжение   18 … 30 В ♦ Номинальное выходное напряжение канала   12 или 5 В ♦ Точность поддержания напряжения канала       • для канала с напряжением 12 В   ±0.5%   • для канала с напряжением 5 В   ±1.2% ♦ Пульсации выходного напряжения   не более 50 мВ ♦ Выходная мощность канала   не менее 6 Вт ♦ Коэффициент полезного действия   не менее 77% ♦ Рабочий диапазон температур   –15 … +85 ºС

Преобразователь имеет защиту от переполюсовки по входу, по заниженному или завышенному входному напряжению, от превышения максимальной мощности канала, потребляемой нагрузкой, от короткого замыкания, а также по перегреву. Подстройка выходных напряжений осуществляется при помощи нажатия на микрокнопки. Выходное напряжение канала регулируется в пределах ±1 В. После подстройки напряжения его значение заносится в энергонезависимую память микроконтроллера. Конструктивно преобразователь выполнен в корпусе фирмы Phoenix contact серии UEGH. Корпус имеет клеммы для внешних электромонтажных соединений и клипсу для его фиксации на стандартной DIN рейке. Для индикации режимов работы на фронтальную плоскость выведен светоизлучающий диод красного свечения. При подаче входного напряжения микроконтроллер выдерживает временную задержку 3 секунды, анализирует уровень входного напряжения, внутреннюю температуру и выполняет запуск преобразователя. При наличии короткого замыкания (КЗ) по одному из каналов микроконтроллер приостанавливает преобразование энергии на временной интервал 15 секунд, после чего опять выполняет запуск преобразователя. При наличии КЗ такой аварийный режим не приводит к перегреву силовых элементов устройства и может продолжаться до устранения причины короткого замыкания. Этот режим реализован программно и позволил резко повысить надежность преобразователя. Еще одним важным преимуществом программируемого микроконтроллера является функция контроля температуры и температурная коррекция выходных напряжений, что повысило точность их поддержания в широком температурном диапазоне.

Благодаря определенным конструкторским решениям можно легко изменить выходное напряжение канала с 12 В на 5 В. Такая гибкость позволяет получить довольно широкий спектр источников питания, например: два по 12 В, два по 5 В, один на 24 В, один на 9 В, один двухполярный по 12 В, два на 12 и 5 В и т. д. Преобразователь предназначен для применения, прежде всего, в промышленной автоматике, связи и телекоммуникации, спецтехнике.

Принципиальная электрическая схема приведена на рис. 2-4. На рис. 2 показана часть схемы, которая относится к микроконтроллеру DD1. Порт А, выводы которого используются как входы аналого-цифрового преобразователя, предназначен для контроля выходных напряжений (выводы RA0, RA1), напряжения питания (RA2) и температуры (RA5). Порт В используется для организации управления режимами работы преобразователя. Путем установки перемычек на штырьковые контакты, сигналы низких логических уровней подаются на выводы порта, к которым программно подключены внутренние подтягивающие резисторы. Кроме того, вывод RB0 используется для обслуживания кнопки “Память”.

Рисунок 2.

На порт С возложены следующие задачи: обслуживание кнопок “+” и “-“ (выводы RC3, RC4), светодиода VH1 (RC0), выдача сигналов ШИМ на оба канала преобразования (RC1, RC2), а также, при необходимости, организация последовательного двух или трехпроводного интерфейсов с внешней аппаратурой контроля, управления или автоматической проверки и настройки. На элементах VT1, VD1, R1, R3, R4 организован супервизор напряжения питания микроконтроллера. Если применить стабилитрон на 3,3 В, при снижении напряжения питания ниже 4 В на выводе 20 сформируется напряжение низкого логического уровня - сигнал сброса. Для фильтрации пульсаций установлен конденсатор С13.

Схемой питания (рис. 3) вырабатывается два напряжения питания, +12 и +5 В. Если +5 В необходимы для микроконтроллера, то +12 В используется для питания схем драйверов полевых транзисторов. VD5 – защита от переполюсовки по входному напряжению. В качестве предохранителя F1 в печатную плату впаивается проводник диаметром 0.1 мм. Вместо него можно применить самовосстанавливающийся предохранитель MF-R фирмы Bourns на ток 1 А.

Рисунок 3.

На рис. 4 показана схема одного из питающих каналов. На транзисторах VT2, VT4, VT8, VT9 по пуш-пульной схеме собран драйвер полевого транзистора. Преобразование энергии осуществляется обратноходовым импульсным трансформатором Т1. На элементах С5, R6 собрана демпфирующая цепочка – “снаббер” [3]. Она необходима для подавления импульсных выбросов напряжения и, фактически, шунтирует первичную обмотку трансформатора, подавляя тем самым паразитные колебания, возникающие в нем. VD2, VD3, C3 – импульсный выпрямитель, L1, C14, C4 – сглаживающий фильтр. С помощью резисторов R19, R20 управляемый стабилитрон VD8 настроен на 8.5 В. Поэтому, при изменении выходного напряжения от 9.5 до 14.5 В, напряжение, которое через резистор R31 подается на АЦП микроконтроллера, изменяется от 0 до 5 В. Таким образом достигается компромисс между повышением точности отслеживания выходного напряжения и его перестройкой.

Рисунок 4.

Оптотранзистор DA1 позволяет обеспечить гальваническую изоляцию, но сильно повышает температурный дрейф. Задача компенсации этого дрейфа решается программным путем. Микроконтроллер измеряет напряжения, которые присутствуют на его входах, сравнивает эти напряжения с опорными напряжениями, которые хранятся в его энергонезависимой памяти в цифровом виде, и, в зависимости от величины и знака разницы корректирует скважность ШИМ сигналов по соответствующим каналам.

Программный блок, который отвечает за установку скважности, имеет довольно сложную структуру. Решение принимается не только по величине и знаку разницы – “дельты” измеренного и опорного напряжений, но и по динамике изменения выходного напряжения и его “дельты”. Также в этом логическом программном блоке реализована подпрограмма демпфирования возможного резонансного раскачивания выходного напряжения. При резком отклонении напряжения от номинального, например, вниз, программа энергично изменяет скважность ШИМ, т.е. увеличивает длительность импульса открытого состояния ключевого транзистора. Но при восстановлении напряжения, оно может быстро, на “скорости”, пролететь выше номинала и программе придется резко уменьшить длительность импульса ШИМ. И так далее. В результате получим резонансный эффект. Для демпфирования паразитного резонанса программа еще и анализирует, с какой стороны идет приближение к номиналу и с какой скоростью. При приближении к номинальному напряжению происходит более точная подстройка скважности, т.е. чем ближе микроконтроллер к идеалу, тем осторожнее становится. Такт измерения выходных напряжений обоих каналов 0.6 мс. Через каждые 255 тактов измерения выходных напряжений проходит один такт измерения входного напряжения и температуры. Сразу после измерения температуры по ее значению способом табличного перевода микроконтроллер получает коэффициент температурной коррекции и фактически изменяет цифру опорного напряжения на его значение. При завышенном или заниженном входном напряжении микроконтроллер прекращает преобразование и зажигает светодиод VH1.

В связи с тем, что преобразователь выполнен по обратноходовой схеме, короткое замыкание выхода не перегружает входную часть (до первичной обмотки трансформатора). Это лишь приводит к достижению максимально возможной длительности импульсов ШИМ и, в связи с этим, перегрузке выходных силовых элементов. Защита от короткого замыкания реализована по продолжительности действия максимальной длительности импульса ШИМ. Подпрограмма защиты от перегрузки прекращает выдачу последовательностей ШИМ после превышения продолжительности максимальной длительности. Эта граничная цифра изменяется в зависимости от входного напряжения. Чем напряжение выше, тем допустимая продолжительность меньше. Для ограничения тока короткого замыкания в выходных цепях в схему введены резисторы R28, R29. Естественно, защита срабатывает не только по КЗ, а и по любому превышению потребляемой нагрузкой мощности.

При необходимости изменить выходные напряжения, нажимают и удерживают в нажатом состоянии микрокнопки SW2 или SW3. В пошаговом режиме изменяются значения опорного напряжения и, следовательно, и выходные напряжения, потому что микроконтроллер в то же самое время отслеживает равенство опорного и выходного напряжений. В программе предусмотрены граничные стопы напряжения: для 12 В это 11 и 13 В, для 5 В – 4 и 6 В. После подстройки необходимо кратковременно нажать на микрокнопку SW1. Микроконтроллер занесет новые значения опорных напряжений в энергонезависимую память. Выполнение этой операции будет сопровождаться свечением светодиода VH1. При выключении и повторном включении преобразователя на выходах установятся необходимые новые значения напряжений. Если установить перемычки на штырьковые контакты J6 и J7, то изменение напряжений будет запрещено. При отсутствии перемычек изменение напряжений будет происходить синхронно по обоим каналам. При установке одной из перемычек изменение напряжения произойдет только в одном канале.

Частота преобразования энергии 20 кГц. Довольно низкая для современного импульсного устройства, но это вынужденная мера, еще один компромисс, между снижением точности установки скважности ШИМ и повышением частоты.

При варианте выходного напряжения 12 В на печатную плату установлены перемычки Х9-Х10, а диоды VD3, VD7, напротив, отсутствуют. Конструктивно указанные перемычки находятся ближе к центру платы. При переходе на 5-вольтовый вариант эти перемычки выпаиваются и впаиваются диоды VD3, VD7 и перемычки Х26-Х11. Также очень важно при переходе с 12 на 5 В удалить резисторы R19, R26. Это необходимо для перевода управляемого стабилитрона в режим 2.5 В.

Устройство собрано на двухсторонней плате. 

 

Кликните для увеличения		Кликните для увеличения
Рисунок 6.	Топология нижнего слоя печатных проводников	Рисунок 7.	Топология верхнего слоя печатных проводников

 

Кликните для увеличения		Кликните для увеличения
Рисунок 7.	Расположение элементов снизу печатной платы	Рисунок 8.	Расположение элементов сверху печатной платы

Отдельно нужно остановиться на элементной базе. Керамические конденсаторы для объемного монтажа – К10-17, для поверхностного монтажа – 0805 X7R. Электролитические конденсаторы – импортные аналоги К50-35, С9 на напряжение 35 В, остальные на напряжение 16 В. Резисторы для объемного монтажа - МЛТ или С2-33, для поверхностного монтажа – корпус 0805, все 5-процентные. Терморезистор RT1 – NTC. Дроссели L1, L2 – ДПМ 0,6. Для изготовления импульсных трансформаторов взяты каркасы и сердечники фирмы EPCOS [4] серии Е13/7/4 с минимальным поперечным сечением 12.4 мм², сердечники взяты из материала N67 с начальной магнитной проницаемостью 860 с зазором 0.2 мм. Первичная обмотка 1-4 выполнена проводом ПЭВ-1 диаметром 0.25 мм, количество витков 44, вторичные обмотки 5-6 и 7-8 намотаны одновременно проводом ПЭВ-1 диаметром 0.33 мм, количество витков каждой обмотки – 18. Между первичной и вторичными обмотками проложено два слоя лакоткани. Сердечники ставятся на быстросохнущий клей. Если не удалось найти сердечники с зазором, можно применить и без зазора. В таком случае при сборке трансформаторов необходимо вклеить между внешними кернами сердечников по два слоя бумаги для ксерокса по технологии в [5].

Интегральные стабилизаторы DA2 (ТО-220), DA4 (ТО-92) только настоящие фирменные. Полевые транзисторы заменяются на IRF1310, IRF3710, IRF2910 с суффиксами NS (корпус D²PAK) NL (корпус TO-262). Конструкцией платы предусмотрена установка обоих видов корпусов. Возможно применение и транзисторов с логическим уровнем управления (IRL...). В этом случае интегральный стабилизатор DA2 меняется на LM2940Т-5, а вместо DA4 ставится перемычка между 1-м и 3-м выводами. Диоды VD2, VD3, VD6, VD7 только Шоттки или, в крайнем случае, ультра быстрые с временем обратного восстановления не менее 50 нс. VD5 – заменяется на 1N5408. Оптотранзисторы DA1, DA3 можно заменить другими со схожими параметрами, но в этом случае может потребоваться изменение таблицы температурной коррекции в программе микроконтроллера.

Настройка преобразователя заключается в установке требуемых выходных напряжений и занесении их в память микроконтроллера.

В описанной программе не реализованы многие заложенные схемой возможности микроконтроллера, например, организация последовательного интерфейса с внешним устройством для автоматизированной проверки и настройки преобразователей, так как это не предусматривалось объемом технического задания и рассматривается автором как потенциал для совершенствования подобных устройств.

Программа в шестнадцатеричнном коде представлена здесь.

Литература:

1. В. Заболотский, Ю. Владимиров. Использование микроконтроллеров фирмы Microchip в импульсных источниках питания. – Схемотехника, 2001, №7, с. 12-16.
2. http://www.microchip.com
3. Б. Ю. Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М.: Солон-Р, 2001.
4. http://www.epcos.com
5. С. Бирюков. Дроссели для импульсных источников питания на ферритовых кольцах. – Схемотехника, 2002, №6, с. 4-7.