Цифро-аналоговые контроллеры импульсных источников питания Microchip

*Г.Л.Штрапенин, к.ф.-м.н., microchip@eltech.spb.ru

В статье рассматриваются характеристики и особенности применения нового поколения интегральных микросхем (ИМС) компании Microchip – цифро-аналоговых контроллеров импульсных источников питания, в состав которых входит управляющий PIC-микроконтроллер, аналоговый ШИМ-контроллер и драйвер силовых МОП-транзисторов. Сочетание высокой производительности и программируемости микроконтроллера с малым временем отклика высокоскоростного аналогового модуля позволяет создавать гибкие и эффективные источники вторичного электропитания с полным цифровым контролем.

Цифровая схемотехника и программное обеспечение все больше влияют на проектирование различных видов аналоговых устройств. Примером такого симбиоза являются, например, конфигурируемые логические ячейки (CLC-Configurable Logic Cell) в PIC-микроконтроллерах Microchip [1]. Не обошла данная тенденция и новейшие разработки микросхем Microchip для источников питания. В дальнейшем, согласно [2], мы будем использовать термин «регулирование питания» (power control), определяющий функции внутреннего управления источником, и «управление питанием» (power managment) – связанный с конфигурированием системы питания, установкой ее параметров и обнаружение неисправностей. В большинстве современных источников питания реализация этих функций преимущественно основана на использовании аналоговой схемотехники, при этом устройства регулирования питания и управления питания пространственно разделены. Рассмотрим коротко варианты построения устройств регулирования питания.

Классическая схема регулирования аналогового источника питания, приведенная на рис.1а, в качестве элемента управления использует ИМС ШИМ-контроллера. Часть выходного напряжения с резистивного делителя сравнивается с опорным напряжением, сигнал ошибки усиливается и преобразуется в импульсы переменной скважности, которые управляют временем включения силового ключа. Для обеспечения устойчивости используется частотная компенсация в петле отрицательной обратной связи внешней или внутренней RC-цепью.

Достоинства аналоговой системы регулирования – сравнительно низкая стоимость ИМС контроллеров и элементов обвязки, способность функционирования при высоких частотах коммутации вплоть до нескольких мегагерц, что позволяет снизить размеры и массу источника питания, а также малое собственное энергопотребление. Немаловажным является также большой, накопленный за длительное время, инженерный опыт в проектировании подобных устройств и наличие обширной базы знаний всех уровней.
alt текст
рис.1а
alt текст
рис. 1б

Рис.1. Функциональные схемы аналоговой (а) и цифровой (б) систем управления импульсными источниками питания

В то же время аналоговые системы регулирования не лишены определенных недостатков, в частности, модификация источника питания возможна только путем изменения аппаратной части, и, если это предусматривается изначально, требует увеличения площади печатной платы. Параметры источника сильно зависят от внешних условий и деградации компонентов в процессе их старения. Типовые схемы фазовой коррекции не способны обеспечить баланс между устойчивостью и малым временем отклика во время переходных процессов. И самое главное – адаптивное управление источником питания с аналоговым контроллером, очень востребованное в настоящее время, практически не реализуемо.

В отличие от аналоговой, в цифровой схеме регулирования (рис.1б) напряжение с резистивного делителя подается не на усилитель ошибки, а на вход АЦП, с выхода которого цифровой сигнал поступает на микроконтроллер, который, используя алгоритмы управления, хранящиеся в ПЗУ, вычисляет сигнал ошибки, параметры частотной компенсации и импульсов управления силовыми ключами. Естественно, внешние RC-цепи коррекции в данной ситуации не требуются.

На первый взгляд, цифровая схема регулирования более оптимальна, чем аналоговая, поскольку, во-первых, она может лучше адаптироваться к изменениям входного напряжения и тока нагрузки и, во-вторых, позволяет сравнительно легко управлять параметрами источника в зависимости от условий его работы – изменять «мертвое время» управления верхним и нижним силовыми ключами, параметрами схемы компенсации и др. На основе цифрового контроллера без особых проблем может быть спроектирован и адаптивный источник питания с заданными характеристиками. Однако, применение цифрового регулирования влечет за собой ряд объективных и субъективных трудностей, преодоление которых может сильно затянуть время проектирования и удорожить конечное изделие. Перечислим некоторые из них:

  1. Качественные параметры источника достижимы только при очень высокой вычислительной скорости.
  2. Точность источника питания зависит от параметров АЦП (разрядность и быстродействие).
  3. Увеличение частоты ШИМ требует применения очень высокочастотного микроконтроллера, при этом сильно возрастает собственное энергопотребление источника питания.
  4. Разработка источников питания с цифровым регулированием требует специфических знаний в области программирования.

Возвращаясь к началу статьи, отметим, что управление питанием в любом случае требует применения внешнего микроконтроллера, обеспечивающего заданную последовательность запуска и выключения источника, а также изменение его параметров в процессе работы в зависимости от задачи и внешних условий. У цифрового регулятора данные функции реализуются сравнительно просто, при использовании аналогового регулятора могут потребоваться дополнительные схемные элементы.

Стремление оптимизировать решение широкого круга задач, связанных с управлением параметров электропитания непосредственно в процессе функционирования устройства, а также расширение возможностей выбора этих параметров привело разработчиков компании Microchip к созданию нового класса ИМС - цифроаналоговых контроллеров импульсных источников питания (DEPA – Digitally-Enhanced Power Analog), в состав которых входит управляющий PIC-микроконтроллер, аналоговый ШИМ-контроллер и драйвер силовых МОП-транзисторов. Сочетание высокой производительности и программируемости микроконтроллера с малым временем отклика высокоскоростного аналогового модуля позволяет создавать гибкие и эффективные источники вторичного электропитания с полным цифровым контролем. Таким образом, становится возможным программно – путем записи данных в регистры микроконтроллера, задавать основные параметры импульсного источника питания: частоту ШИМ и максимальные значения токов и напряжений, автоматически регулировать выходную мощность в зависимости от параметров нагрузки, обнаруживать и исправлять ошибки и сбои в работе. Наиболее эффективным является использование данных микросхем для применения в зарядных устройствах современных аккумуляторов, схемах питания от USB, управления светодиодными светильниками, автомобильных блоках питания и т.п. При этом одно и то же техническое решение может применяться в самых различных конечных изделиях просто путем замены программного обеспечения, что существенно снижает затраты на разработку конструкции и разводку печатной платы.

Функциональная схема цифроаналогового контроллера импульсных источников питания на примере ИМС MCP19118 приведена на рис.2 и включает ядро 8-разрядного PIC микроконтроллера с дополнительными портами ввода-вывода GPIO, мультиплексированным 10-разрядным АЦП и интерфейсом I2C. Последний может быть использован для организации управления питанием по протоколу PMBus.

alt текст

Рис. 2. Функциональная схема цифро-аналогового контроллера импульсных источников питания MCP19118.

Аналоговая часть контроллера состоит из импульсного ШИМ-регулятора с управлением по напряжению и току [3] со схемами фазовой компенсации, внутреннего модуля питания - линейного стабилизатора для питания цифрового ядра и драйверов верхнего и нижнего силовых МОП-транзисторов с типовым набором схем защиты от аварийных ситуаций и перегрева. Параметры схем компенсации и защиты устанавливаются программно.

Перейдем далее к рассмотрению основных типов и особенностей применения цифро-аналоговых контроллеров импульсных источников питания Microchip, актуальных на середину 2017 года. Их основные параметры приведены в таблице 1. Параметры контроллеров, приведенные в одной строке таблицы, идентичны, за исключением числа портов ввода-вывода и типа корпуса. Все контроллеры работоспособны в расширенном диапазоне температур от -40С до +125С.

Тип Топология Диапазон входных напряжений Диапазон выходных напряжений Частота коммутации Память программ RAM Порты ввода-вывода Корпус QFN выводов Размеры корпуса
U in U out Fsw L x D
В В МГц кСлов байт мм2
мин макс мин макс макс* мин макс тип тип тип
MCP19110/1 Buck 4,5 32 0,7 3,6 90% Uin 0,10 1,6 4,0 256 11/15 24/28 4x4/5x5
MCP19114/5 Boost, Flyback, Cuk, SEPIC 4,5 42 1,0 х 200 0,03 2,0 4,0 256 9/13 24/28 4x4/5x5
MCP19116/7 Boost, Flyback, Cuk, SEPIC 4,5 42 1,0 х 200 0,03 2,0 8,0 336 8/12 24/28 4x4/5x5
MCP19118/9 Buck 4,5 40 0,5 3,6 90% Uin 0,10 1,6 4,0 256 11/15 24/28 4x4/5x5
MCP19122/3 Buck 4,5 40 0,3 16 90% Uin 0,10 1,6 4,0 256 12/16 24/28 4x4/5x5
MCP19124/5 Boost, Flyback, Cuk, SEPIC 4,5 42 1,0 х 200 0,03 2,0 4,0 256 9/13 24/28 4x4/5x5
MCP19214/5 Boost, Flyback, Cuk, SEPIC 4,7 42 1,0 х 200 0,03 2,0 8,0 336 8/12 28/32 5x5/5x5

*) с внешним резистивным делителем сигнала обратной связи

Таблица 1. Основные параметры цифро-аналоговых контроллеров импульсных источников питания Microchip.

Линейка контроллеров позволяет создавать на их основе импульсные стабилизированные понижающие (Buck) и повышающие (Boost) источники питания, двухиндуктивные инвертирующий и неинвертирующий понижающее-повышающие по топологии SEPIC и Cuk, а также трансформаторные прямо- (Forward) и обратноходовые Flyback [3]. Возможные варианты схем приведены на рис.3.
alt текст
а)
alt текст
б)
alt текст
в)

Рис.3а, б, в. Варианты построения схем источников питания на цифро-аналоговых контроллерах:
а) синхронный понижающий (Buck),
б) повышающий (Boost),
в) повышающе-понижающий неинвертирующий (SEPIC).

Контроллеры MCP19110 и MCP19111 позиционируются для построения низковольтных импульсных синхронных понижающих источников питания различных устройств с напряжением до 3,6 В. Совместно с данными контроллерами компания рекомендует использовать специально разработанные силовые МОП-транзисторы серии MCP87xxx с сопротивлением открытого канала несколько мОм, благодаря чему удается достичь значения КПД источника 96% и более. Диапазон выходных напряжений может быть расширен при использовании внешнего резистивного делителя напряжения сигнала обратной связи. Для повышения коэффициента стабилизации и устойчивости работы в аналоговой части контроллера применяется отрицательная обратная связь по пиковому значению тока дросселя [3]. Величины выходного напряжения и, если необходимо, закон его изменения, частоты коммутации, «мертвого» временного интервала между включением выходных транзисторов, постоянных времени цепей фазовой компенсации, параметров плавного старта, а также максимального тока нагрузки и предельно допустимых входных и выходных токов и напряжений и другие устанавливаются путем программирования цифровой части контроллера.

Управляющий PIC микроконтроллер работает с тактовой частотой 8 МГц, Flash-память программ объемом 4096 слов допускает 100 000 циклов перезаписи и сохраняет информацию более 40 лет. В дополнение к типовой архитектуре 8-и разрядных PIC контроллеров в состав микросхем MCP19110/1 входит мультиплексированный 10-и разрядный АЦП и аппаратный интерфейс I2C, который можно сконфигурировать для работы по протоколу PMBus.

Контроллеры MCP19118 и MCP19119 – это улучшенная версия MCP19110 и MCP19111 соответственно, выполненная в том же конструктиве и полностью совместимая по программному обеспечению. Диапазон входных напряжений расширен до 40 В. Потребляемый ток в ждущем режиме не превышает 5 мА.

Контроллеры MCP19122 и MCP19123 с увеличенным до 42 В и 16 В диапазоном входных и выходных напряжений, также предназначены для построения понижающих DC-DC преобразователей. В дополнение к ранее рассмотренным возможностям, в цифровой части контроллера (как и во многих типовых PIC-контроллерах) предусмотрены внутрисхемное программирование (ICSP - in circuit serial programming) в готовом изделии и ICDI-эмулятор, позволяющий осуществлять прямой доступ к регистрам ядра/периферии по двухпроводной последовательной шине в процессе отладки программного обеспечения. Для повышения надежности и защиты от сбоев в ИМС встроены функции отслеживания напряжения питания POR и BOR, обеспечивающие удержание контроллера в состоянии сброса, пока напряжение питания не достигнет заданного значения, и сброс контроллера при снижении напряжения питания ниже критического уровня.

Серия контроллеров MCP19114/5, и их улучшенная версия MCP19116/7 сконфигурированы для построения источников питания по топологиям Boost, Cuk, Flyback и пр. Способны работать в широком диапазоне входных и выходных (с внешним делителем в цепи ООС) напряжений. Для устойчивой работы требуются внешние цепи фазовой коррекции. Микросхемы MCP19116/7 обеспечивают повышенные параметры стабилизации выходного напряжения благодаря увеличенному объему постоянной и оперативной памяти, что позволяет использовать более развитые алгоритмы управления. Встроенный термодатчик дает возможность отслеживать изменение температуры и соответственно корректировать выходное напряжение, что может быть очень эффективно при питании устройств на светодиодах.

Отличительная особенность контроллеров MCP19124 и MCP19125 – наличие раздельных контуров управления по напряжению и току (см. рис. 4), причем каждый контур управления имеет отдельную цепь обратной связи с независимыми нулями и полюсами и способен определять момент перехода регулируемой величины через ноль в квазирезонансных топологиях. Программирование источника питания предусматривает возможность динамического изменения алгоритмов регулирования посредством переключения с одного контура управления на другой. При этом обеспечивается плавный переход без сбоев и переходных процессов. Система управления позволяет минимизировать переходный процесс при скачках тока нагрузки при резком изменении ее сопротивления. Все параметры устанавливаются путем динамической записи во внутренние регистры без прерывания процессов регулирования. Контроллеры MCP19124/5 идеально подходят для зарядных устройств суперконденсаторов и аккумуляторов всех типов с произвольным профилем и методом заряда в различных схемах включения, в том числе и нескольких батарей одновременно. Изменение внутри профиля заряда задаются при программировании контроллера по любому заданному значению тока, напряжения и длительности интервала. Источники питания на данных контроллерах могут применяться и для управления DC/DC-преобразованием с поддержкой режима постоянного тока или напряжения в различных топологиях - Flyback, Booster, SEPIC и др.
alt текст

Рис. 4 *Функциональная схема цифро-аналогового контроллера импульсных источников питания MCP19125.

В заключение рассмотрим последнюю разработку Microchip Technology – семейство сдвоенных цифроаналоговых контроллеров импульсных источников питания MCP19214/5, состоящих из управляющего PIC-микроконтроллера и двух аналоговых контроллеров с драйверами силовых МОП транзисторов, подобных ИМС MCP19124/5. Сдвоенные контроллеры обеспечивают одновременное управление двумя преобразователями, построенными по схемам Boost, Flyback, SEPIC и Cuk, которые могут быть выполнены даже по различным топологиям. Кроме того, контроллер может быть сконфигурирован для двунаправленного управления одной силовой шиной, поддерживая регулирование напряжения или тока с любой стороны от преобразователя энергии. Это позволяет динамически переключаться между режимами стабилизации напряжения и стабилизации тока, дополнительно изменяя при этом направление преобразования энергии. Как пример подобного устройства, на рис. 5 приведена принципиальная электрическая схема двунаправленного преобразователя напряжения, используемого в качестве источника бесперебойного питания с оптимизацией режима заряда аккумулятора по заданному профилю.
alt текст

Рис. 5 Принципиальная электрическая схема двунаправленного преобразователя напряжения на ИМС MCP19214.

Все основные параметры источника полностью конфигурируются в микроконтроллерном ядре, управляющем внутренними аналоговыми контурами регулирования. Пороги ограничения тока, рабочая частота, реакция на неисправности и уровни блокировки при повышенном и пониженном напряжении могут быть адаптированы к конкретному приложению. ИМС MCP19214/5 имеют дежурный режим с пониженным энергопотреблением и способны выдерживать скачки напряжения при сбросе нагрузки, что делает их идеальным прибором для автомобильных приложений. Контроллер можно запрограммировать на выключение других нагрузок и переход в спящий режим, что позволяет напрямую подключать его к аккумуляторной батарее, потребляя минимальную энергию при выключенном двигателе. Для снижения уровня электромагнитного излучения и интерференционных помех рабочую частоту каналов возможно задать с программируемым фазовым сдвигом.

Отладочные средства и программирование
Цифро-аналоговые контроллеры импульсных источников питания Microchip поддерживаются набором инструментов программирования и разработки, включая интегрированную среду MPLAB X и компилятор MPLAB XC8. Изучить работу контроллеров можно с помощью управляемых графическим интерфейсом оценочных плат на конкретных примерах преобразователей, которые могут быть легко адаптированы к заданным требованиям.

Подробная информация доступна на сайтах www.microchip.com

Литература

  1. Илья Афанасьев. Независимая от ядра периферия микроконтроллеров Microchip. Компоненты и технологии. 2016, № 10, с.74-90.
  2. Steve Taranovich. Power Supply go digital.
  3. Волович Г.И. Схемотхника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. – 528 с.