Микроконтроллеры Microchip в импульсных источниках питания

Импульсные источники вторичного электропитания практически вытеснили линейные и занимают порядка 90% рынка. В данной статье дается описание возможностей использования независимой от ядра периферии младших семейств микроконтроллеров компании Microchip Technology для построения импульсных источников питания на примере драйвера светодиодной лампы. Статья ориентирована на специалистов в области создания преобразователей энергии и дает представление о возможностях современных цифровых программируемых микроконтроллеров в традиционно аналоговой сфере.

Традиционно импульсные источники питания (ИИП) строятся на импульсных ШИМ контроллерах и имеют аналоговую обратную связь, а при необходимости добавления интеллекта, ставятся микроконтроллеры (МК) которые выполняют минимальные функции управления: вкл/выкл, плавный пуск, контроль работоспособности, индикация режимов и т.п.

Такой принцип построения ИИП отработан годами и разработчики аналоговых схем допускают минимальное вмешательство "цифровых" инженеров в свою вотчину.

Недостатком аналоговых ИИП является малая универсальность и гибкость – для изменения параметров нужен паяльник или подстроечные элементы. При выпуске однотипных источников с близкими параметрами необходимо иметь набор решений, что затрудняет настройку, усложняет логистику и увеличивает складские расходы.

Режимы работы и топология аналоговых импульсных контроллеров определены применяемыми микросхемами. Производители микросхем при их разработке ориентируются на распространенные топологии, чтобы новая микросхема сразу попала в свою нишу. Разработка новых топологий и решений в ИИП и требуемых для этого микросхем напоминает проблему «курица или яйцо»: новые ШИМ-контроллеры не появляются пока для них нет рынка, но рынок не хочет разрабатывать новые типы ИИП на нескольких микросхемах пока не появится одна специализированная микросхема.

Программируемые решения помогают решить эту проблему. Изменения параметров цифрового источника не требует изменения компонентов – достаточно изменить код в памяти программ. Параметры Цифровых ИИП имеют лучшие показатели по эффективности, параметры легко корректируются, возможно снижение номенклатуры решений и выпуск одинаковых плат с разными параметрами, изменяемыми программно. Цифровые ИИП сложно скопировать, так как интеллектуальная собственность заключена не в топологии платы, а в алгоритмах прошивки микроконтроллера.

Но цифровое построение ИИП, с одной стороны, требует знаний и опыта создания силовой и/или высоковольтной электроники, а с другой – программирования цифровых сигнальных контроллеров или микроконтроллеров. Также полностью цифровой ИИП требует наличие высокоскоростной периферии, чтобы свести к минимуму ошибки и задержки петли обратной связи (необходим быстрый и точный АЦП, высокочастотный ШИМ, высокопроизводительное ядро и др.). Под такие источники питания Microchip выпускает специализированные контроллеры цифровой обработки сигналов серии dsPIC33xxGS.

Промежуточный уровень интеграции микроконтроллера в ИИП подразумевает аналоговое построение петли обратной связи, но с бОльшим влиянием МК на контроль и управление параметрами источника: выходным напряжением и током, устанавливать ограничения по току, напряжению, температуре.

Теория

Рассмотрим пример классической реализации обратноходового (Flyback) преобразователя (рис. 1). Несмотря на то, что обратноходовая топология отличается несколько меньшей эффективностью, она остается весьма популярной из-за обеспечения электрической изоляции и возможности формирования нескольких выходных напряжений.

Рис. 1. Обратноходовой преобразователь энергии.

Транзистор работает в ключевом режиме и управляется широтно-модулированными импульсами (ШИМ). При открытом транзисторе ток в первичной обмотке начинает линейно нарастать (см. рис. 2). В этой фазе происходит накопление энергии в трансформаторе. Во вторичной обмотке нет тока, так как диод блокирует протекание тока.

При выключении транзистора прекращается протекание тока в первичной обмотке, напряжение на вторичной обмотке V2 равно напряжению в первичной обмотке V1 (по закону электромагнитной индукции Фарадея). Накопленная энергия передается во вторичную обмотку трансформатора. Диод начинает проводить ток и энергия вторичной обмотки передается в выходной конденсатор. Ток вторичной обмотки I2 линейно уменьшается.

Трансформатор в обратноходовых источниках выполняет функцию накопления энергии и сердечник должен быть с зазором.

Обратноходовой преобразователь может работать в режимах прерывистой или непрерывной проводимости в зависимости от того, есть ли моменты времени, когда одновременно отсутствует ток через первичную и вторичную обмотку трансформатора (рис. 2.а, 2.б). В режиме критической проводимости транзистор управляется таким образом, чтобы транзистор открывался, как только ток во вторичной обмотке становится равен нулю и в трансформаторе нет накопленной энергии. В этом режиме преобразователи имеют меньше потери в силовом ключе.

Рис. 2.а. Обратноходовой преобразователь в режиме непрерывной (критической) проводимости.

Рис. 2.б. Обратноходовой преобразователь в режиме прерывистой проводимости.

Существует масса специализированных аналоговых ШИМ-контроллеров различных производителей, позволяющих построить обратноходовой преобразователь. Но для введения интеллектуальных функций управления необходим внешний микроконтроллер. Так, в схеме, приведенной на рис. 3, можно управлять источником с помощью ШИМ сигнала на входе PWMD.

Рис. 3. Пример обратноходового светодиодного драйвера.

Возможно ли совместить интеллект микроконтроллера и аналоговый ШИМ контроллер в одной микросхеме? Да.

Микроконтроллеры Microchip младших семейств (PIC12, PIC16) позволяют синтезировать необходимую конфигурацию независимой от ядра периферии для создания ИИП. Первоначально программа микроконтроллера конфигурирует работу периферийных модулей, которые в дальнейшем работают без вмешательства программы, но, при необходимости, программа может управлять параметрами преобразователя.

К независимой от ядра периферии, помогающей построить ИИП, относятся:

  • генератор комплементарных сигналов (Complementary Output waveform Generator – COG)
  • детектор перехода через ноль (Zero Cross Detect – ZCD)
  • формирователь корректирующего напряжения (Slope Compensator и Ramp Generator)
  • таймер ограничений (Hardware Limit Timer – HLT)
  • операционный усилитель
  • быстрые аналоговые компараторы
  • модули конфигурируемой логики (CLC – Configurable Logic cell)

Другая периферия, такая как порты ввода/вывода, источник фиксированного напряжения (Fixed Voltage Reference - FVR), ЦАП, АЦП, таймеры, модуль сравнения/захвата/ШИМ позволяют микроконтроллеру управлять ИИП с минимальными программными издержками.

Рассмотрим реализацию диммируемого обратноходового светодиодного AC/DC драйвера с активным корректором мощности на микроконтроллере PIC12F752, см. рис. 4, полная схема приведена в [TB3108].

Рис. 4. Функциональная схема микроконтроллерного обратноходового светодиодного драйвера.

В предлагаемом решении используется традиционный обратноходовой преобразователь, за исключением отсутствия высоковольтного электролитического конденсатора после выпрямителя. Такое решение дешевле, компактнее и позволяет аппаратно следить за входным напряжением и за счет этого обеспечить две функции:

  • определять наличие внешнего симисторного диммирования и соответственно регулировать выходной ток преобразователя
  • использование формы входного напряжения для управления током и обеспечения высокого коэффициента мощности преобразователя

Микроконтроллер PIC12HV752 является основой драйвера и обеспечивает работу преобразователя. Генератор комплементарных сигналов формирует импульсный сигнал (ИС), который управляет включением и выключением силового MOSFET Q1. Фронт ИС контролируется компаратором С1 и аппаратным ограничительным таймером (HLT), а спад формируется вторым компаратором С2. На вход компаратора С1 поступает напряжение с вспомогательной обмотки (AUX) трансформатора Т1 и компаратор детектирует переход через ноль напряжения Vaux. На вход компаратора С2 подается напряжение с токового шунта Rsense, которое сравнивается с напряжением выхода ЦАП. Напряжение на выходе ЦАП определяется его опорным напряжением Vref (вывод AN1), которое берется с делителя выпрямленного напряжения. Ключевое достоинство такой схемы это аппаратная реализация корректора коэффициента мощности, так как огибающая тока (сигнал с Rsense) будет повторять форму входного напряжения (опора ЦАП представляет собой полуволны сетевого напряжения).

Схема запуска

При подаче внешнего переменного напряжения, напряжение на базе транзистора Q4 увеличивается, транзистор открывается и питание МК осуществляется через диод D14 (см. рис. 5).

Рис. 5. Схема запуска и питания драйвера.

Напряжение на базе Q4 удерживается на уровне 10В с помощью стабилитрона D13. Когда транзистор открывается, то появляется напряжение питания микроконтроллера Vdd (микроконтроллеры серии PIC12HV имеют встроенный шунт-регулятор и позволяют питаться от высокого напряжения). При запуске микроконтроллера стартует программа, инициализируется независимая от ядра периферия (HLT, COG, ЦАП, АЦП и компараторы). После инициализации HLT инициирует импульсы управления силовым ключом Q1. Это приводит к накачке трансформатора Т1 и формированию напряжения VAUX. Как только выпрямленное с помощью D4 напряжение VAUX превысит 10В, диод D14 будет обратно смещен и транзистор Q4 закроется, что прекратит потребление тока схемы запуска и питания от высокого напряжения. Теперь напряжение питания микроконтроллера будет поступать от вспомогательной обмотки трансформатора.

Важно, чтобы при работе источника формируемое напряжение Vaux было больше, чем на эмиттере Q4, чтобы транзистор Q4 был закрыт и схема запуска источника не потребляла ток.

Работа в установившемся режиме

Как отмечалось ранее в описании принципа работы обратноходовых преобразователей, когда транзистор Q1 открыт и ток в обмотке ILP увеличивается линейно. Этот ток вызывает падение напряжения на резисторе RSENSE. Напряжение RSENSE сравнивается компаратором С2 с напряжением на выходе ЦАП (задается точка срабатывания по пиковому току).

Переключение транзистора Q1 обычно сопровождается импульсными помехами, которые влияют на форму напряжения VSENSE (см. рис. 6). Для предотвращения влияния этих помех на работу модуля COG за счет ложных срабатываний компаратора используется таймер гашения (маскирования) сигнала компаратора (comparator blanking timer) на программируемое число циклов после переключения.

Рис. 6. Помехи от переключения силового ключа влияют на входной сигнал компаратора.

Когда напряжение VSENSE достигает уровня VDAC, компаратор сбрасывает COG и таймер ограничения HLT. Если же по какой-то причине сигнал обратной связи не поступает вовремя, то срабатывает ограничительный таймер и выключает силовой ключ.

Когда транзистор Q1 закрыт, то ток вторичной обмотки ILS линейно уменьшается. Как говорилось ранее, режим критической проводимости характеризуется меньшими потерями в силовом ключе и обладает большей эффективностью. Для удержания преобразователя в этом режиме транзистор Q1 должен быть снова открыт, когда ток ILS достигнет нуля. Этот момент можно определить с помощью компаратора С1 по значению напряжения VAUX на дополнительной обмотке. На рис. 7 показаны временные диаграммы, поясняющие работу источника питания.

Рис. 7. Формы токов и напряжений в источнике питания.

Активный корректор мощности

Средний входной ток может быть рассчитан как площадь под формой тока ILP. Этот ток синусоидальный и находится в фазе с входным напряжением VIN за счет того, что порог срабатывания компаратора задается с помощью ЦАП, опора которого берется от входного напряжения. Как результат светодиодный драйвер выглядит как резистивная нагрузка и имеет коэффициент мощности близкий к единице (см. рис. 8).

Рис. 8. Форма напряжения и тока.

Внешнее диммирование

Если питание драйвера осуществляется с тиристорного диммера, то микроконтроллер с помощью АЦП (вход AN1) может определить этот факт и:

  • осуществить регулировку выходного тока драйвера светодиодов с помощью изменения коэффициента передачи ЦАП
  • подключать нагрузку, создающую необходимый удерживающий ток симистора для предотвращения мерцания светодиодной лампы при малой скважности диммера

Вспомогательные схемы

На рис. 4 помимо основных, присутствуют дополнительные блоки, призванные улучшить параметры драйвера и надежность схемы:

Схема ограничения пускового тока (Inrush current circuit) защищает компоненты первичной цепи от выбросов тока. Эти всплески тока возникают, когда закрывается внешний диммирующий симистор (при его наличии).

Схема утечки (bleeder circuit) необходима для потребления дополнительного тока для удержания в открытом состоянии внешнего симистора при низком входном напряжении. Симистору необходим небольшой ток в нагрузке для удержания его в открытом состоянии и предотвращения самовыключения. Схема состоит из резистора и биполярного транзистора, который открывается микроконтроллером только тогда, когда напряжение после диодного моста мало (определяется с помощью АЦП). Когда напряжение выше определенного порога, то транзистор закрывается и схема не потребляет. При отсутствии данной схемы и малой скважности диммированного сетевого напряжения из-за малого потребления схемы светодиодного светильника симистор будет неконтролируемо выключаться, и светодиодная лампа будет «моргать».

Демпфирующая цепь (snubber circuit) используется для защиты транзистора Q1 от бросков напряжения. Индуктивность рассеяния трансформатора приводит к существенному выбросу напряжения на разомкнувшемся силовом ключе. Демпфирующая цепь призвана рассеять энергию и уменьшить выброс напряжения. Схема содержит быстрый переключающий диод, последовательно соединенный с параллельно включенными резистором и конденсатором. Иногда используют дополнительный стабилитрон для минимизации потерь мощности при малых нагрузках.

Программа микроконтроллера, обеспечивающая работу преобразователя, весьма проста (см. рис. 9). При использовании независимой от ядра периферии основная цель программы – это инициализация. Выводы микроконтроллера конфигурируются в соответствии с выполняемыми функциями. После конфигурации портов ввода-вывода конфигурируется и включается необходимая периферия, устанавливаются внутренние связи между периферией.

АЦП определяет наличие внешнего симисторного диммирования. Если напряжение превышает минимальное значение для удержания симистора – отключается цепь утечки, иначе – включается.

Рис. 9. Структура программы микроконтроллерного светодиодного драйвера.

Используемые периферийные модули микроконтроллера

Основная цель формирователя комплементарных сигналов (Complementary Output Generator, COG) это преобразование нескольких внешних событий в один ШИМ выход. Модуль COG использует различные входные, выходные или внутренние события для формирования импульсного сигнала. Событиями выступают фронт, спад или логические состояния сигналов. В качестве входных сигналов COG могут выступать сигналы модулей захвата/сравнения/ШИМ, компараторов, таймеров или входы микроконтроллера. COG может формировать одиночный, пушпульный или комплементарные сигналы с раздельным регулированием мертвого, маскирующего времени и фазовых сдвигов.

Для выбранной топологии источника для управления силовым ключом с помощью COG используются сигналы двух компараторов и ограничительный таймер HLT.

Во время переключения силового ключа возникают помехи, которые могут привести к ложным срабатываниям компаратора. Для предотвращения этого используется возможность маскирования – невосприимчивость COG к событиям в течение заданного времени после переключения состояния. Внутренний генератор микроконтроллера PIC12HV752 работает на частоте 8МГц, что дает возможность регулировать время бланкирования с шагом в 125нс раздельно для включения и выключения COG.

Основное назначение таймера ограничений (Hardware Limit Timer, HLT) ограничить время ожидания события, что может использоваться в приложениях с асинхронной аналоговой обратной связью. Например, если приложение ожидает внешнее событие, но оно не наступает в заданном временном интервале, то HLT может являться источником сброса события.

Применительно к нашей задаче, если нет сигнала обратной связи от компаратора, то HLT ограничивает время открытого состояния силового MOSFET и предотвращает выход силовой части из строя. Если же источник работает в нормальном режиме, то сигнал компаратора появляется раньше срабатывания HLT и меняет состояние модуля COG.

Можно привести аналогию со сторожевым таймером микроконтроллера, только HLT ограничивает не программный цикл выполнения кода, а время ожидания входного сигнала для периферии и сбрасывает эту периферию в предопределенное состояние.

Компараторы используются для связи аналоговой части схемы с цифровой и выдачи сигналов управления для COG – генератора, тем самым компараторы служат для замыкания петли обратной связи в нашем преобразователе энергии. Посредством модуля COG выходы компараторов формируют управляемый аналоговыми сигналами ШИМ-подобный сигнал. Выход компаратора С1 управляет включением MOSFET, а выход компаратора С2 управляет его выключением. Два компаратора в рассматриваемом решении выступают в роли детектора пикового тока и детектора перехода через ноль. Также выход компаратора С1 сбрасывает HLT при работе источника.

Модуль Цифро-Аналогового Преобразователя (ЦАП) используется для преобразования напряжения с выхода диодного моста (опора ЦАП подключена к входу AN1) и управлением огибающей формы тока. Выход ЦАП соединен с входом компаратора С2 внутри МК, таким образом, огибающая пиков тока будет повторять форму входного напряжения и данная схема будет обеспечивать близкий к единице коэффициент мощности. Изменение коэффициента передачи (ЦАП представляет собой резистивный делитель с отводами) будет изменять выходной ток источника. Поэтому программа микроконтроллера может регулировать яркость лампы в зависимости от различных условий.

Аналого-Цифровой Преобразователь (АЦП) преобразует аналоговое входное напряжение в цифровой вид. В рассматриваемом источнике АЦП измеряет напряжение на выходе диодного моста и позволяет удерживать ток симистора (при наличии внешнего диммирования) при малых уровнях входного напряжения (около моментов перехода сетевого напряжения через ноль) с помощью переключения состояния вывода RA0 (см. рис. 4).

Возможные улучшения дизайна

Применение микроконтроллера в качестве основного компонента источника питания позволяет добавить интеллектуальные функции и совместить ШИМ контроллер источника питания с управляющим микроконтроллером. В одной микросхеме можно реализовать плавное включение, добавить управляющие интерфейсы, диагностические режимы, обработку сигналов внешних датчиков, режимы энергосбережения.

Если для решения конкретных задач не хватает выводов микроконтроллера, то схема легко расширяется: микроконтроллер PIC12F752 можно заменить на 14-и выводную версию PIC16F753 – увеличивается размер памяти, добавляются 6 портов входа/выхода, операционный усилитель, число каналов АЦП и разрядность ЦАП.

При необходимости алгоритм и независимая от ядра периферия перестраиваются под другую топологию источника питания без замены микросхемы. Выходной ток регулируется не внешними элементами схемы, а программно.

Энергонезависимая память микроконтроллера позволяет хранить и использовать настроечные параметры под разные варианты источника (варианты выходного тока и пр.).

Микроконтроллеры PIC12F752/PIC16F753 не единственные представители младшего семейства, периферия которых предназначена, в том числе, для использования в преобразователях энергии. В табл. 1 приведены некоторые PIC микроконтроллеры, периферия которых может облегчить построение преобразователей энергии.

В простейшем случае импульсный контроллер можно синтезировать с помощью программируемых логических ячеек из набора элементов комбинационной логики и триггеров (рис. 10).

Рис. 10. Окно утилиты конфигурирования логических ячеек микроконтроллеров Microchip.

Недавно начато массовое производство микроконтроллеров семейства PIC16(L)F1769, представители которых имеют периферию, позволяющую создавать два независимых или двухстадийных преобразователей энергии.

Табл. 1. Некоторые PIC микроконтроллеры с периферией, пригодной для использования в преобразователях энергии.

Семейство АЦП, бит Компаратор Оп. усил. ЦАП, бит I/O (mA) Slope Comp. ZCD ШИМ, бит PSMC COG HLT CLC (лог. ячейки)
PIC1x(L)F150x 10 + 5 25 10 +
PIC1x(L)F157x 10 + 5 25 16
PIC1x(HV)F752/753 10 Быстр. + 5/9 50 + 10 + +
PIC16(L)F161x 10 + 8 100 + 10 + +
PIC16(L)F170x/1x 10 Быстр. + 5/8 25 + 10 + +
PIC16(L)F176x 10 Быстр. + 5/10 100 + + 16 ++ + +
PIC16(L)F177x 10 Быстр. + 5/10 100 + 16 + + +
PIC16(L)F178x 12 Быстр. + 5/8 25 10 +

Независимая от ядра периферия позволяет применять микроконтроллеры в различных задачах преобразования энергии. На сайте компании Microchip представлены несколько дизайн-проектов: цифровой балласт электролюминесцентных ламп с интерфейсом DALI, контроллер солнечной панели с контролем точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking, MPPT), контроллер сигнала пешеходного перехода с питанием от солнечных батарей, светодиодный фонарь и др. Применение микроконтроллеров позволяет добавить новые качества в импульсные преобразователи энергии – гибкость управления, интеллектуальность, интерфейсы связи, диагностику и другие возможности, недоступные или сложно реализуемые в полностью аналоговых решениях. Конфигурируемая и независимая от ядра периферия позволяет создавать и исследовать новые топологии ИИП, под которые еще не созданы специализированные микросхемы.

Литература

  1. http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de.
  2. AN1271. Offline Power Converter for High-Brightness LEDs Using the PIC16HV785 Microcontroller.
  3. TB3108. TRIAC Dimmable LED Driver Using PIC12HV752.
  4. "PIC12F752/HV752 Data Sheet" (DS41576), http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41576C.pdf.
  5. AN1427. High-Efficiency Solutions for Portable LED Lighting.