Як розробити схему живлення

Вступ

Давайте представимо деякі уваги, які необхідно застосовувати до кожної схеми, загальної для всіх проектів, описаних нижче.

Як пояснюється у таблиці даних серії SAMA5D2 Таблиця 66-3: Характеристики постійного струму, різні джерела живлення, необхідні для роботи MCU, можуть дозволити рівень пульсацій в межах характеристик багатьох фактичних комутаційних регуляторів. Зараз такі регулятори дешеві, вимагають обмеженої кількості зовнішніх компонентів, мають високу ефективність та низьку пульсацію. Тому, за винятком деяких дуже конкретних ситуацій, вони є більш доцільними, ніж класичні лінійні регулятори, які витрачають багато енергії.

Більш чутливі до пульсації джерела живлення мікроконтролера (наприклад: аналогова опорна напруга) можна краще захистити, додавши PI-фільтр.

Тільки тоді, коли необхідна дуже висока завадостійкість, як при перетворенні аналогових сигналів дуже низького рівня, може знадобитися каскадний LDO-регулятор, щоб відфільтрувати всю пульсацію.

Щоб бути впевненим, що весь набір периферійних пристроїв MCU SAM5D27 може працювати належним чином, краще поставити MCU як мінімум на 3 В, навіть якщо деякі деталі працюють також з меншою напругою. Але нестабільне живлення, яке змінюється вгору під час увімкнення або зниження під час вимкнення, може призвести до непередбачуваної поведінки всієї системи. Багато інших пристроїв, підключених до MCU, також можуть зійти з розуму в таких умовах. Для запобігання подібним проблемам у Roadrunner SOM вбудований контролер енергопостачання. Простий 3-контактний МІКРОІНДЕКТОР НАПРУГАННЯ ПОТУЖНОСТІ APX809-31SAG-7 подає сигнал скидання, коли напруга живлення VCC падає нижче 3,08 В, підтримуючи його як мінімум 240 мс після того, як VCC перевищив цей поріг скидання. Цей керуючий сигнал безпосередньо підключений до виводу NRST мікроконтролера і також доступний на виводі J1-24 роз'єму SOM для скидання чутливих зовнішніх пристроїв, таких як, наприклад, SD-карти.

Висновки 3V3_OUT роз'єму здійснюють живлення 3V3_IN через MOSFET, керований MCU. Коли MCU вимикається, отже, можна вимкнути занадто зовнішні пристрої, такі як, наприклад, Ethernet PHY, щоб гарантувати справжнє нульове вимкнення струму.

Давайте тепер пояснимо деякі реальні робочі проекти, розроблені для різних ситуацій.

Приклад 1: Стандартне джерело живлення 5 В від роз'єму USB

Перший приклад - це найпоширеніша ситуація: зовнішнє джерело живлення 5 В, яке часто надходить від USB-кабелю, підключеного до головного пристрою, або до простого настінного адаптера живлення. Комутаційний регулятор NCP1529 1A має достатньо можливостей для живлення Roadrunner, а також деяких інших зовнішніх пристроїв, низький рівень зовнішніх компонентів, невеликий розмір, також завдяки частоті комутації 1,7 МГц, що дозволяє малим індуктивностям і конденсаторам.

Зовнішня батарея дозволяє MCU працювати в режимі резервного копіювання. Він підключений до штифта Vbat роз'єму Roadrunner і живить секцію Vddbu SAMA5D27. Паспорт даних Таблиця 66-14: Типове споживання енергії для режиму резервного копіювання допомагає підрахувати правильну ємність акумулятора, необхідну для забезпечення необхідної резервної автономності без основного джерела живлення.

Якщо джерело живлення 5 В недостатньо надійне, краще додати деякі пристрої захисту та фільтрації.

Інверсія полярності захищена діодом Шотткі, щоб мінімізувати падіння напруги порівняно зі стандартним діодом. Можливі перенапруги, як і ESD, відсікаються перетворювачами перехідної напруги разом із запобіжником, що скидається. Якщо напруга, безперервно або лише пік, перевищує поріг TVS, це починає проводити; коли циркулюючий струм перевищує 1А, запобіжник розмикає ланцюг, поки стан не повернеться до нормальних значень.

Фільтр низьких частот, утворений дроселем загального режиму та конденсаторами, блокує як випромінюваний, так і провідний випромінювання.

Більша частина пульсацій вихідної напруги обумовлена паразитним опором LC-фільтра. Настійно рекомендується керамічний конденсатор з дуже низьким значенням ESR, а також індуктор з низьким опором. Але також опір доріжок друкованої плати між цими компонентами та мікросхемою повинен бути максимально знижений, щоб мати як хорошу ефективність, так і низьку пульсацію. Як показано на прикладі маршрутизації друкованої плати нижче, ці компоненти повинні бути розміщені якомога ближче до майданчиків ІС і з'єднані між собою через великі багатокутні площини. Шляхи повернення землі повинні підтримуватися на нижчому можливому імпедансі, використовуючи велику кількість віасів, щоб з'єднати верхню частину із внутрішніми площинами заземлення. Регулятор перемикається на високій частоті з гострими краями і великою кількістю енергії. Це спричиняє широкий спектр частот, що змушує проектувати друковану плату з концепцією, подібною до ВЧ-схеми. Ще раз достатню кількість пухирців важливо скоротити верхню поверхню до нижньої, щоб зменшити зворотний шлях та зменшити випромінювані викиди. Навіть якщо хороша конструкція може гарантувати відповідну заземлювальну площину близько під верхнім шаром, а також із двошаровою друкованою платою, 4-шарова шарова шафа дуже допомагає при наявності джерела живлення з майже ідеальними характеристиками та відповідними обмеженням ЕМС.

Приклад 2: Розділене джерело живлення для пристроїв з великим навантаженням на одній платі.

Один або кілька енергоємних пристроїв можуть працювати на одній платі MCU. Прикладом може служити високошвидкісний модем зв'язку. Як зазначено у типовій таблиці даних модуля HSPA + Mini PCIe, в деяких конкретних умовах піковий струм може досягти дуже високого рівня, навіть якщо лише на короткий період. Якщо джерело живлення не має належних характеристик перехідної реакції, це може спричинити падіння напруги з непередбачуваною поведінкою.

Для того, щоб мати хорошу перехідну реакцію, нам потрібен блок живлення з достатньою потужністю для зберігання енергії, необхідної під час піків, а імпеданс друкованої плати повинен бути дуже низьким. По можливості краще використовувати блок живлення для цієї секції, відокремлений від блоку MCU. Це дозволяє створити дві різні конструкції джерел живлення, кожна з яких спеціалізується на своєму застосуванні та фізично розташована ближче до утилізатора, зменшуючи велику кількість можливих перешкод між ними. Крім того, таким чином MCU може керувати цією окремою областю живлення, включаючи її лише за потреби.

У цьому випадку використовується перетворювач зниження AP65550. На додаток до своєї потужності 5А він може живити до 18 В, що дозволяє проектувати блок живлення з ширшим діапазоном вхідної напруги, ніж NCP1529. Недоліком є більший відбиток через меншу робочу частоту, що вимагає більш щедрих котушок індуктивності та конденсаторів.

Схеми та маршрутизація друкованої плати показують, скільки конденсаторів розподілено по схемі. Більшість з них розташовані дуже близько до висновків вхідного живлення модему PCIe, щоб мінімізувати опір доріжок. Конденсатори 1000мкФ забезпечують запас енергії для реагування на перехідні процеси. Конденсатори 100 нФ фільтрують високі частоти, а конденсатори 33 пФ фільтрують дуже високі частоти, генеровані цим пристроєм зв'язку.

На малюнку нижче видно напрямок зондування напруги, прокладений на внутрішньому шарі. Це зворотний зв'язок, який дозволяє регулятору підтримувати правильну напругу. Вловлювання вихідної напруги дуже близько до енергокористувача гарантує кращу регуляцію, компенсуючи падіння напруги через опір доріжки друкованої плати між регулятором і навантаженням.

Дуже часто регулятори мають велику відкриту подушку внизу упаковки. Це важливо для того, щоб гарантувати хороший контакт із землею як з електричної, так і з теплової точок зору. Настійно рекомендується достатня кількість пухирців, щоб забезпечити хороше відведення тепла на нижні шари.

Приклад 3: Вхід 12 В з додатковим 5 В виходом для живлення зовнішніх пристроїв USB

У цьому прикладі регулятор AP65550 використовується для генерування джерела живлення 5 В, якщо на платі розміщений інтерфейс USB-хосту, який живить зовнішні пристрої. Основна напруга може становити до 18 В, а мікроконтролер може живитись каскадно трохи NCP1529 від 5 В, як це зроблено в прикладі 1.

Захист від перешкод зовнішніх пристроїв та струмового перевантаження повинен бути доданий між джерелом живлення та роз’ємом USB типу A.

Приклад 4: Вхід 24 В з кількома зовнішніми джерелами живлення

У промислових умовах часто використовується основне джерело живлення 24 В для зменшення поточних вимог і, отже, розміру проводів. Попередні регулятори не можна використовувати через їх обмеження напруги. Ось приклад із входом TPS54231 28-V, поступовим перетворювачем постійного струму. Проект вимагає багаторазової вихідної напруги для живлення зовнішніх пристроїв. Оскільки ці джерела живлення підключені до зовнішнього світу, внутрішні компоненти повинні бути добре захищені від зворотної напруги та ЕМІ за допомогою діодів та LC-фільтрів. Вхідне живлення також захищене схемою, подібною до тієї, що описана в прикладі 1. Ще раз джерело живлення MCU 3,3 В надходить від крихітного NCP1529, що живиться від внутрішнього 5 В.

TPS54231 працює на частоті 500 кГц, тому йому потрібен досить великий індуктор і зовнішній діод для фіксації. Це збільшує відбиток на друкованій платі, але регулятор дуже стабільний і з низькою пульсацією. Шлях для струму перемикання локалізований між регулятором, LC-фільтром і діодом уловлювання. Всі ці компоненти конструкції друкованої плати вимагають уваги щодо імпедансу колії та вже описаної площини землі. Зверніть увагу на цьому знімку кількість великих в’язок, розміщених, щоб захистити область регуляторів навколо та знизу безперебійними наземними площинами.

Приклад 5: дуже низька потужність з можливістю збирання енергії

Деякі ідеї, які варто здивуватись питанню системи з дуже низьким споживанням, можна отримати в іншій статті, присвяченій довговічному рішенню акумулятора

Тут використовується дуже низький струм спокою, програмне забезпечення, що вибирається Vout, понижуючий перетворювач для додатків низької потужності TPS62740