В недавней статье «Для подключения ШИМ к импульсным регуляторам достаточно трех дискретных компонентов» [1] был продемонстрирован один из способов использования ШИМ для управления выходным напряжением стандартного импульсного регулятора напряжения. В разделе комментариев было несколько дискуссий о поведении схемы, которые побудили к модификации конструкции. Вот недорогая схема, которая была разработана с учетом этих обсуждений. Логическая микросхема, операционный усилитель и несколько резисторов и конденсаторов буферизуют сигнал ШИМ и подают управляющее напряжение на вывод обратной связи регулятора, Рисунок 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Микропроцессор формирует 12-битный сигнал ШИМ частотой 20 МГц, который управляет импульсным регулятором напряжения, используя микросхему инвертора, операционный усилитель, резисторы и конденсаторы для буферизации сигнала обратной связи регулятора. |
По разным причинам трудно, если вообще возможно, контролировать выходное напряжение регулятора с точностью выше определенного уровня. В данном проекте используется ШИМ с разрешением 12 бит, работающая на частоте около 4900 Гц.
В наши дни несложно найти микропроцессоры, способные генерировать ШИМ с тактовой частотой 20 МГц. Однако токи питания, проходящие по соединительным шинам микросхемы, могут создавать падение напряжения. Это означает, что уровни сигналов ШИМ не достигают напряжений шин питания. Что еще хуже, если токи значительно изменяются в зависимости от задач, решаемых микропроцессором, падение напряжения может изменяться, и калибровка ошибок окажется невозможной. Простым решением является буферизация выхода микропроцессора логическими элементами (обычно инверторами), которые потребляют незначительный ток, за исключением моментов переключения. Логические элементы могут питаться от чистого, точного источника напряжения, такого же или близкого по значению к тому, которое питает микропроцессор.
Инвертор на Рисунке 1 – это микросхема 74LVC2G14, соединенные параллельно выходы которой подключены к фильтру нижних частот на основе операционного усилителя, пассивные компоненты которого имеют достаточно высокие сопротивления, чтобы их нагрузкой на эти выходы можно было пренебречь. При питании от 3 В и более этот сдвоенный инвертор имеет выходное сопротивление менее 15 Ом в диапазоне температур от –40 °C до +85 °C. (Если микропроцессор должен работать от напряжения 1.8 В, включите параллельно 6 инверторов микросхемы 74LVC14A, чтобы получить в результате менее 19 Ом).
Операционный усилитель TLV333 имеет максимальное входное напряжение смещения 15 мкВ (указанное в документации для питания 5 В; при более низком напряжении питания можно ожидать неизвестного увеличения).
Его типовые (максимальные не указаны) входные токи составляют 150 пА в диапазоне температур от –40 °C до +85 °C, падение напряжения от которых на резисторах R1, R2 и R3 вносит смещение 115 мкВ. При напряжении питания 1.8 В половина младшего значащего бита (½LSB) для 12-битного сигнала составляет 220 мкВ (370 мкВ при напряжении питания 3.0 В). Установление фильтра происходит за 10 мс на гораздо более точном уровне, чем ½LSB для 12-битного разрешения, и выходные пульсации составляют менее 50 мкВ.
Сопротивления резисторов R4 и R5 следует выбирать так, чтобы предполагаемое максимальное положительное выходное напряжение операционного усилителя, умноженное на R4/(R4 + R5), было немного больше VFB. Это позволяет получить на выходе регулятора напряжение, равное VFB. Это соотношение может быть меньше, если минимальное желаемое выходное напряжение регулятора больше VFB. Сопротивление пары параллельно включенных резисторов должно иметь значение, указанное в документации для одного резистора, включаемого между VFB и землей; обычно это 10 кОм. Сопротивление резистора R6 должно быть выбрано в соответствии с желаемым диапазоном выходных напряжений.
Допустимый диапазон коэффициентов заполнения ШИМ не должен включать крайние значения, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, выходное напряжение операционного усилителя гарантированно будет изменяться только в пределах 70 мВ от каждой шины питания (при нагрузке 10 кОм, подключенной к средней точке питания). Во-вторых, процессор, в частности, универсальные входы-выходы (но также в некоторой и внешние логические элементы), скорее всего, имеют неравные времена нарастания и спада, а также задержки. Хотя эти различия невелики, они оказывают наибольшее влияние на точность при экстремальных значениях коэффициента заполнения, чего следует избегать. К счастью, учет этих ограничений незначительно влияет на функциональность.
В этой схеме выходное напряжение линейно зависит от коэффициента заполнения. Коэффициент усиления контура регулирования не отличается от коэффициента усиления при стандартном включении. Благодаря тому, что регулятор не включается до установления выходного сигнала фильтра ШИМ, не возникает проблем с запуском. И, наконец, помехи от внешнего источника питания, проникающие на вход обратной связи регулятора, пренебрежимо малы.
Ссылка
- Stephen Woodward. Для подключения ШИМ к импульсным регуляторам достаточно трех дискретных компонентов
Купить SN74LVC2G14 на РадиоЛоцман.Цены
