Skocz do zawartości

[Inne] Dobór układu zasilania - poradnik


OldSkull

Pomocna odpowiedź

Każdy projekt elektroniki zawiera w sobie układy zasilania. Czasami są to proste stabilizatory liniowe, czasami proste impulsowe, a czasami mamy do czynienia z wieloma napięciami, specjalnymi wymaganiami itd. W poniższym artykule postaram się opisać jak, w miarę możliwości, najlepiej dobrać stabilizator. Równocześnie postaram się opisać najważniejsze problemy, na które trzeba uważać podczas projektowania.

1. Źródło zasilania

Przede wszystkim należy zwrócić uwagę na źródło zasilania. Może to być akumulator, może to być inny zasilacz (stabilizowany lub nie) podłączony czasami po długiej linii, może to być napięcie sieciowe. Należy zwrócić uwagę na:

- zakres napięć - co istotne musi to być rzeczywisty zakres napięć! Bardzo wiele osób ignoruje fakt, że np. akumulator 11.1V ma zakres 9-12.6V (ew. 10-12.6V), a zasilacz 9V z transformatorem może dać nawet 13V. A są to bardzo istotne parametry wpływające na pracę całości! Pamiętać należy również o spadkach napięć na źródle zasilania i przewodach związanych z poborem prądu!

- zakres prądów wejściowych (i wyjściowych) - istotny jest zarówno prąd minimalny jak i maksymalny! Przy dużych prądach można korzystać z mniejszych dławików i większych kondensatorów, przy małych na odwrót.

- charakterystykę - czy jest to prąd DC, AC, czy może jest to alternatywne źródło, np. ogniwo słoneczne itd.

- wydajność i pojemność - jak bardzo musimy oszczędzać energię, jakiej oczekujemy sprawności, jaki może być maksymalny prąd własny.

2. Obciążenie i wymagania projektowe

Kolejnym etapem jest dokładne określenie naszego obciążenia, oraz projektu. Inne wymagania będzie miał np. pilot radiowy, a inne przetwornica dla silników. W tym przypadku trzeba ustalić większą liczbę parametrów:

- napięcie wyjściowe - ile ma wynosić, ile ma być kanałów, czy ma być jedno ze standardowych (3.3V, 5V, 12V) czy też niestandardowe.

- prądy - opisane już w poprzednim punkcie,

- zakłócenia - mówimy tutaj zarówno o zakłóceniach przenoszonych ze źródła (współczynnik SVR Supply Voltage Rejection, RRR Riple Rejection Ratio itd.), jak i generowanych przez przetwornicę. Na te ostatnie największy wpływ mają częstotliwość, indukcyjność, pojemność, prąd obciążenia i różnica napięć między wejściem a wyjściem

Do pokrewnych należą również parametry związane z parametrami fizycznymi projektu:

- rozmiary - mowa tutaj o maksymalnej wysokości, obszarze PCB, liczbie elementów,

- możliwości chłodzenia - czy można zamontować radiator, czy można chłodzić przez PCB,

- wymagania dotyczące PCB - niektóre układy można z łatwością zmontować na płytce jednostronnej (np. LM2576), niektóre wymagają dwustronnej, w dodatku z metalizacją.

Związane z możliwością użycia elementów:

- dostępność - czy dana przetwornica w ogóle jest dla nas łatwo dostępna. Podobnie elementy indukcyjne i kondensatory: producenci często podają listę pasujących elementów, ale są one całkowicie niedostępne w ilościach prototypowych, a z próbkami jest duże ryzyko, że nie dostaniemy (szczególnie jeśli nie jesteśmy firmą).

- cena - ograniczenia związane z kosztem projektu. Tutaj warto pamiętać, że trzeba liczyć nie tylko cenę układu przetwornicy, ale również koszt zewnętrznych elementów. Elementy indukcyjne, kondensatory, a nawet zewnętrzne diody i tranzystory stanowią sporą część kosztów obwodu zasilania, czasami nawet większość. Często droższe układy scalone zwracają się w tańszej cewce i kondensatorach.

- czas dostępności - nie ma znaczenia dla pojedynczych projektów, ale jeśli chcielibyśmy po kilku latach ponownie wyprodukować nasz projekt, musimy zwrócić uwagę na to, czy producent zapewnia dostępność układów przez kolejne ileś tam. W przypadku niektórych elementów można też liczyć na zamienniki o identycznym rozkładzie nóżek (np. wszelkie z serii 78xx czy popularny LM2675).

3. Gdzie szukać?

Kidy już zdecydujemy się szukać wymaganego układu, mamy dwa rozwiązania:

- wejść na stronę sklepu (np. farnell, albo TME) i tam w wyszukiwarkach wpisywać wymagane parametry. Niestety wszystkich parametrów tam nie wpiszemy, ale część z nich jak najbardziej. Taka metoda jest jak najbardziej wystarczająca jeśli szukamy stabilizatora liniowego. Niestety jest zwykle niewystarczająca jeśli szukamy układu impulsowego.

- w takim wypadku warto szukać na stronie producenta. Układy zasilania produkuje wiele firm, ale do najbardziej znanych należą Linear Lechnologies, National Semiconductors/Texas Instruments (ten sam właściciel i wspólna wyszukiwarka) i Maxim (wykupiony przez Dallas Semiconductors). Każdy z nich ma na swojej stronie internetowej wyszukiwarkę elementów, w której podajemy wszelkie wymagane parametry.

Warto sobie również uświadomić podejście i specjalizacje niektórych producentów. Przykładowo Linear stwierdza, że oni wiedzą, że nie mają tanich układów, ale w zamian mają układy dobre, w dodatku z wieloletnim wsparciem. Ich układy mają właściwie wieczny czas dostępności na potrzeby produkcji masowej: wafle krzemowe z układami składują w tzw. bankach krzemu, aby w razie potrzeby na prośbę producenta móc szybko wyprodukować układy gotowe do montażu, a długotrwały proces produkcji krzemu wykonać w międzyczasie na przyszłość. Dodatkowo chyba wszystkie ich układy mają swoje modele symulacyjne do LTSpice (w dodatku dokładne). Nie chcę im oczywiście robić reklamy, bo taki np. Maxim ma niezawodne układy, a National ma dobrą wyszukiwarkę i przystępne ceny, ale warto wiedzieć za co się płaci.

4. Przykładowe poszukiwania

Ze względu na ogrom możliwości należy sobie najpierw ustalić pewne wymagania. Załóżmy, że będzie to robot zasilany z akumulatora, który będzie sporo czasu pracował w uśpieniu. Załóżmy następujące parametry:

- zasilanie wejściowe: 20-25.2V

- zasilanie wyjściowe: 3.3V (V1) i 12V (V2)

- pobór prądu: podczas pracy 0.1-0.5A (średnio 0.2A) z V1 i 0.1-2A (średnio 0.4A) z V2, podczas spoczynku 1mA z V1 i 0 z V2

- zakłócenia do +-50mV na V1 i +-250mV na V2

- do 8cm2 (800mm2) powierzchni w sumie

5. National.com

Na pierwszy rzut weźmy National.com. Skorzystajmy z "multiple loads Power architect". Pojawi nam się okno jak poniżej:

Możemy dodawać kolejne obciążenia, ustawiać parametry źródła i wiele innych. Klikając zielony przycisk generujemy listę rozwiązań (chwilę to trwa).

W efekcie dostajemy kilka rozwiązań. Za pomocą pokrętła można wybierać kryteria optymalizacji (czy ważniejsza jest sprawność czy cena), za pomocą suwaków wartości graniczne. W tym przypadku wybrany został układ TPS54332 oraz TPS62177. Warto wspomnieć, że alternatywnie ze strony National.com można wybrać "Single output Start design" i dobrać oba obciążenia oddzielnie.

Jeśli wejdziemy w "View project Details" otrzymamy:

Widzimy poglądowe schematy dla każdego z układów, można tutaj jeszcze pworadzić kilka poprawek. Następnie klikamy na "Create Project"(uwaga, na tym etapie trzeba się rejestrować i w miarę potrzeby powtórzyćpoprzednie punkty) i otrzymujemy:

Mamy już prawie kompletny projekt, z możliwością podglądu wykresów, listy materiałów (i optymalizacji jej za pomocą pokrętła) itd. Nas chwilowo interesuje lista materiałów, więc klikamy na "Bill of materials":

Mamy pełną listę elementów, wraz z linkami do dokumentów. Natomiast jeśli klikniemy dwukrotnie nazwę, otwiera nam się okno alternatywnych elementów:

Widzimy listę, oraz warunki, które cewka musi spełniać, jeśli byłaby spoza listy (abyśmy sami mogli dobrać). W ten sposób można poprawić wszystkie elementy. Na koniec (a może raczej znacznie wcześniej) warto sprawdzić dostępność układów scalonych, np. na farnellu:

http://pl.farnell.com/texas-instruments/tps54332dda/ic-dc-dc-conv-28v-3a-8so/dp/1710821

natomiast TPS62177 jest niedostępny w farnellu, warto szukać w innych sklepach. W tym przypadku układ jest dostępny tylko u dystrybutorów (można poszukać na stronie TI). Alternatywnie możemy ten układ zamienić z innym, o podobnych parametrach - w tym wypadku szukamy układu o parametrach obciążenia V1, ale o wejściu 12V. W tym przypadku możemy użyć nawet układu innego producenta.

6. Maxim

Kolejnym producentem jest Maxim. Warto o nim pamiętać również ze względu na inne jego układy, np. interfejsowe (m.in. dziesiątki wersji MAX232 i MAX485). Dawniej http://www.maxim-ic.com, obecnie http://www.maximintegrated.com/, należy do firmy Dallas Semiconductors (znani m.in. z czujników 1-wire).

Po wejsciu na stronę główną wybieramy Products->Power and Battery management. Następnie DC-DC Switchers:

Przy okazji możemy się zapoznać z ofertą Maxima pokrewną zasilaniu: sterowniki MOSFETów, HotSwapy, napięcia odniesienia itd.

Z tego miejsca możemy wybrać:

- Power supply cookbook:

Możemy suwakami podać wymagania dotyczące układu, a następnie linkami do projektów przejść do schematów, dokumentacji itd.

- EE-Sim:

Kolejny symulator. W odróżnieniu od tego z Nationala, najpierw wybieramy układ, a dopiero później podajemy wszelkie parametry. Przykładowo wybierzmy MAX15023 posiadający 2 wyjścia i wystarczajacy zakres napięć wejściowych:

W efekcie otrzymaliśmy schemat na którym możemy przeprowadzać analizy, zmieniać elementy, a nawet wygenerować BOM. Co ciekawe sam układ MAX15023 jest stosunkowo niedrogi, ale wymaga wielu elementów zewnętrznych.

- Parametric Tree/Search - otrzymujemy interfejs podobny do Power Supply Cookbook, ale zamiast zestawów testowych, przeglądamy parametry samych elementów. W ten sposób można przeglądać najszybciej jeśli już wiemy czego oczekujemy.

7. Pułapki projektów

Niestety nie wystarczy wybrać układ, trzeba się jeszcze bardzo szczegółowo wczytać w dokumentację. Na co warto zwrócić uwagę podczas projektowania z wybranych układem?

- częstotliwość - wyższa częstotliwość to mniejszy dławik, mniejsze zakłócenia, mniejsze kondensatory. Ale za to kondensatory muszą mieć mniejsze ESR (i tak warto aby miały niskie) a cewki działać na wybranej częstotliwości (zwykle do 2MHz nie ma problemu). Niestety problemem robi się płytka - czym wyższa częstotliwość, tym mocniej nie wybacza błędów. Problemem się robią przesunięcia fazowe przy sprzężeniu zwrotnym, nawet "przesłuchy" po wylanej masie.

- rodzaj kondensatorów: elektrolityczne/tantalowe low ESR czy ceramiczne? Te drugie są droższe, ale mają znacznie lepsze parametry (ESR), ale równocześnie, jeśli się wczytamy w niektóre dokumentacje, wymagają dodatkowych obwodów związanych właśnie z opóźnieniami. Mimo to szczerze zachęcam do kondensatorów ceramicznych.

- parametry dławików: w dławikach podany jest prąd pracy. Niestety czasami jest to prąd określony termicznie (czyli względem przegrzania), czasami jako punkt spadku indukcyjności o 10 czy 20%, a czasami o ponad 50%! Dlatego zawsze należy przeczytać dokumentację jeśli jest dostępna.

- przelotki - przejście sygnału przez przelotkę to tak naprawdę zmiana kierunku o 90 stopni (a jak wiadomo ścieżek nie powinno się kłaść z takimi zgięciami). Sygnały przechodzące przez przelotki generują sporo zakłóceń, dodatkowo czasami trudno przewidzieć kierunek ich rozchodzenia.

- stany nieustalone - układ może działać doskonale, kiedy już się uruchomi, ale co wcześniej? Warto zwrócić uwagę na charakterystykę startu, opcje soft-startu itp.

Mam nadzieję, że powyższy poradnik pomoże każdemu, kto chce skorzystać z układu zasilania innego niż w 95% projektów - czasami warto poszukać, pomyśleć, czegoś się nauczyć. I nie zrażać się, jeśli najtańsze rozwiązania sprowadzą się do najpopularniejszych - zawsze mamy szansę spróbować czegoś nowego!

webench4.thumb.png.86a2687a2576cf7bf85729a259ec6318.png

Link do komentarza
Share on other sites

Dołącz do dyskusji, napisz odpowiedź!

Jeśli masz już konto to zaloguj się teraz, aby opublikować wiadomość jako Ty. Możesz też napisać teraz i zarejestrować się później.
Uwaga: wgrywanie zdjęć i załączników dostępne jest po zalogowaniu!

Gość
Dołącz do dyskusji! Kliknij i zacznij pisać...

×   Wklejony jako tekst z formatowaniem.   Przywróć formatowanie

  Dozwolonych jest tylko 75 emoji.

×   Twój link będzie automatycznie osadzony.   Wyświetlać jako link

×   Twoja poprzednia zawartość została przywrócona.   Wyczyść edytor

×   Nie możesz wkleić zdjęć bezpośrednio. Prześlij lub wstaw obrazy z adresu URL.

×
×
  • Utwórz nowe...

Ważne informacje

Ta strona używa ciasteczek (cookies), dzięki którym może działać lepiej. Więcej na ten temat znajdziesz w Polityce Prywatności.