Блок питания для микроконтроллера

Что касается микроконтроллеров AVR, то есть два основных типа:

— Для получения максимального быстродействия при высокой частоте — питание в диапазоне от 4,5 до 5,5 вольт при тактовой частоте 0. 16 МГц. Для некоторых моделей — до 20 МГц, например ATtiny2313-20PU или ATtiny2313-20PI.

— Для экономичной работы на небольших тактовых частотах — 2,7. 5,5 вольт при частоте 0. 8 МГц. Маркировка микросхем второго типа отличается от первого тем, что на конце добавляется буква "L". Например, ATtiny26 и ATtiny26L, ATmega8 и ATmega8L.

Существуют и микроконтроллеры с возможностью понижения питания до 1.8 В, они маркируются буквой "V", например ATtiny2313V. Но за всё надо платить, и при понижении питания должна быть снижена и тактовая частота. Для ATtiny2313V при питании 1,8. 5,5 В частота должна находиться в интервале 0. 4 МГц, при питании 2,7. 5,5 В — в интервале 0. 10 МГц. Поэтому если требуется максимальное быстродействие, надо ставить ATtiny26 или ATmega8 и повышать тактовую частоту до 8. 16 МГц при питании 5В. Если важнее всего экономичность — лучше использовать ATtiny26L или ATmega8L и понизить частоту и питание.

В предложенной схеме преобразователя, при питании от двух пальчиковых батареек с общим напряжением 3В — выходное напряжение выбрано 5В, для обеспечения достаточного питания большинства микроконтроллеров. Ток нагрузки составляет до 50мА, что вполне нормально — ведь при работе на частоте например 4 МГц, PIC контроллеры, в зависимости от модели, имеют ток потребления менее 2 мА.

Трансформатор преобразователя мотается на ферритовом кольце диаметром 7-15мм и содержит две обмотки (20 и 35 витков) проводом 0,3мм. В качестве сердечника можно взять и обычный маленький ферритовый стержень 2,5×7мм от катушек радиоприёмников. Транзисторы используем VT1 — BC547, VT2 — BC338. Допустима их замена на другие аналогичной структуры. Напряжение на выходе подбираем резистором 3,6к. Естественно при подключенном эквиваленте нагрузки — резисторе 200-300 Ом.

К счастью технологии не стоят на месте, и то что казалось недавно последним писком техники — сегодня уже заметно устаревает. Представляю новую разработку кампании STMicroelectronics — линейка микроконтроллеров STM8L, которые производятся по технологии 130 нм, специально разработанной для получения ультранизких токов утечки. Рабочие частоты МК — 16МГц. Интереснейшим свойством новых микроконтроллеров является возможность их работы с в диапазоне питающих напряжений от 1,7 до 3,6 В. А встроенный стабилизатор напряжения дает дополнительную гибкость выбора источника напряжения питания. Так как использование микроконтроллеров STM8L предполагают питание от батареек, в каждый микроконтроллер встроены схемы сброса по включению и выключению питания, а также сброса по снижению напряжения питания. Встроенный детектор напряжения питания сравнивает входные напряжения питания с заданным порогом и генерирует прерывание при его пересечении.

К другим методам снижения энергопотребления в представленной разработке относятся использование встроенной энергонезависимой памяти и множества режимов сниженного энергопотребления, в число которых входит активный режим с энергопотреблением — 5 мкА, ждущий режим — 3 мкА, режим остановки с работающими часами реального времени — 1 мкА, и режим полной остановки — всего 350 нА! Микроконтроллер может выходить из режима остановки за 4 мкс, позволяя тем самым максимально часто использовать режим с самым низким энергопотреблением. В общем STM8L обеспечивает динамическое потребление тока 0,1мА на мегагерц.

Что касается микроконтроллеров AVR, то есть два основных типа:

— Для получения максимального быстродействия при высокой частоте — питание в диапазоне от 4,5 до 5,5 вольт при тактовой частоте 0. 16 МГц. Для некоторых моделей — до 20 МГц, например ATtiny2313-20PU или ATtiny2313-20PI.

— Для экономичной работы на небольших тактовых частотах — 2,7. 5,5 вольт при частоте 0. 8 МГц. Маркировка микросхем второго типа отличается от первого тем, что на конце добавляется буква "L". Например, ATtiny26 и ATtiny26L, ATmega8 и ATmega8L.

Существуют и микроконтроллеры с возможностью понижения питания до 1.8 В, они маркируются буквой "V", например ATtiny2313V. Но за всё надо платить, и при понижении питания должна быть снижена и тактовая частота. Для ATtiny2313V при питании 1,8. 5,5 В частота должна находиться в интервале 0. 4 МГц, при питании 2,7. 5,5 В — в интервале 0. 10 МГц. Поэтому если требуется максимальное быстродействие, надо ставить ATtiny26 или ATmega8 и повышать тактовую частоту до 8. 16 МГц при питании 5В. Если важнее всего экономичность — лучше использовать ATtiny26L или ATmega8L и понизить частоту и питание.

В предложенной схеме преобразователя, при питании от двух пальчиковых батареек с общим напряжением 3В — выходное напряжение выбрано 5В, для обеспечения достаточного питания большинства микроконтроллеров. Ток нагрузки составляет до 50мА, что вполне нормально — ведь при работе на частоте например 4 МГц, PIC контроллеры, в зависимости от модели, имеют ток потребления менее 2 мА.

Трансформатор преобразователя мотается на ферритовом кольце диаметром 7-15мм и содержит две обмотки (20 и 35 витков) проводом 0,3мм. В качестве сердечника можно взять и обычный маленький ферритовый стержень 2,5×7мм от катушек радиоприёмников. Транзисторы используем VT1 — BC547, VT2 — BC338. Допустима их замена на другие аналогичной структуры. Напряжение на выходе подбираем резистором 3,6к. Естественно при подключенном эквиваленте нагрузки — резисторе 200-300 Ом.

К счастью технологии не стоят на месте, и то что казалось недавно последним писком техники — сегодня уже заметно устаревает. Представляю новую разработку кампании STMicroelectronics — линейка микроконтроллеров STM8L, которые производятся по технологии 130 нм, специально разработанной для получения ультранизких токов утечки. Рабочие частоты МК — 16МГц. Интереснейшим свойством новых микроконтроллеров является возможность их работы с в диапазоне питающих напряжений от 1,7 до 3,6 В. А встроенный стабилизатор напряжения дает дополнительную гибкость выбора источника напряжения питания. Так как использование микроконтроллеров STM8L предполагают питание от батареек, в каждый микроконтроллер встроены схемы сброса по включению и выключению питания, а также сброса по снижению напряжения питания. Встроенный детектор напряжения питания сравнивает входные напряжения питания с заданным порогом и генерирует прерывание при его пересечении.

К другим методам снижения энергопотребления в представленной разработке относятся использование встроенной энергонезависимой памяти и множества режимов сниженного энергопотребления, в число которых входит активный режим с энергопотреблением — 5 мкА, ждущий режим — 3 мкА, режим остановки с работающими часами реального времени — 1 мкА, и режим полной остановки — всего 350 нА! Микроконтроллер может выходить из режима остановки за 4 мкс, позволяя тем самым максимально часто использовать режим с самым низким энергопотреблением. В общем STM8L обеспечивает динамическое потребление тока 0,1мА на мегагерц.

Данная статья предназначена для тех, кто хочет научиться программированию микроконтроллеров Atmel AVR. На этом примере мы рассмотрим принцип построения структуры программы, обработке прерывания, взаимодействие МК с аналоговой частью и принципах управления систем с обратными связями. К тому — же это полезный и удобный прибор.

Вступление

Каждый специалист по разработке электронных устройств, а также ремонтники радиоаппаратуры сталкиваются с проблемой источника питания для проверки и ремонта созданного ими устройства. Недорогие лабораторные источники, которые имеются в продаже, не всегда соответствуют поставленным задачам, либо слишком дороги, да к тому же обилие органов управления не позволяет оперативно изменять характеристики подаваемого к прибору напряжения и тока.

Поиск подходящих конструкций, которые бы удовлетворяли всем моим требованиям, на просторах интернета и публикациях в журналах не принесла результата, либо они были маломощные, либо крайне неудобные. Поэтому за дело пришлось взяться самому.

Были сформулированы следующие требования к будущему блоку питания:

1. напряжение от 0 до 50 В.

2. максимальный ток нагрузки до 5 А.

3. установка защиты по превышению тока от 0 до 5А.

4. удобство эксплуатации.

5. удобство ремонта и регулировки.

6. возможность использования базового микроконтроллерного модуля в других конструкциях, путем изменения конфигурации в сервисном режиме.

После того как требования оформились в техническое задание, можно приступать, собственно к проектированию самого устройства.

Рис.1 Блок-схема блока питания

Блок — схема (рис.1) состоит из четырех блоков:

1. первичный источник предназначен для гальванической развязки от питающей сети и понижения напряжения для регулятора. В зависимости от примененного первичного источника (импульсный блок или трансформатор с секционной вторичной обмоткой) используются разные подпрограммы микроконтроллера (об этом будет описано ниже).

2. регулятор — собственно основная силовая аналоговая часть, которая осуществляет регулирование напряжения и тока в зависимости от параметров установленных микроконтроллером, а также обеспечивает компенсацию падения напряжения на токоизмерительном резисторе.

3. МИКРОКОНТРОЛЛЕР (МК) — обеспечивает управление всей этой системой, сбор данных о текущих значениях — напряжении на выходе блока, потребляемый ток нагрузкой. Индикация напряжения, тока и текущем состоянии блока, установка конфигурации, индикация превышения тока нагрузки сверх установленных значений. Запоминание последних установленных параметров.

4. УПРАВЛЕНИЕ И ИНДИКАЦИЯ — то что мы видим и то чем мы управляем. Управление производится всего двумя органами управления, это энкодер с кнопкой, и просто кнопка.

Микроконтроллер

Проблемы выбора микроконтроллера передо мной не стояла, исходя из поставленной задачи выбор пал на микроконтроллер фирмы Atmel AVR Mega8, по той простой причине — что в этой микросхеме есть все, что душе угодно. Немаловажным фактором послужило и то, что корпус этого МК имеет небольшое число выводов.

Концепция новых скоростных микроконтроллеров была разработана группой разработчиков исследовательского центра ATMEL в Норвегии, инициалы которых затем сформировали марку AVR. Первые микроконтроллеры AVR AT90S1200 появились в середине 1997 г.и быстро снискали расположение потребителей.

AVR-архитектура, на основе которой построены микроконтроллеры семейства AT90S, объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистр- аккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды, что обеспечивает производительность до 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты.

32 регистра общего назначения образуют регистровый файл быстрого доступа, где каждый регистр напрямую связан с АЛУ. За один такт из регистрового файла выбираются два операнда, выполняется операция, и результат возвращается в регистровый файл. АЛУ поддерживает арифметические и логические операции с регистрами, между регистром и константой или непосредственно с регистром.

Регистровый файл также доступен как часть памяти данных. 6 из 32-х регистров могут использоваться как три 16-разрядных регистра-указателя для косвенной адресации. Старшие микроконтроллеры семейства AVR имеют в составе АЛУ аппаратный умножитель.

Базовый набор команд AVR содержит 120 инструкций. Инструкции битовых операций включают инструкции установки, очистки и тестирования битов.

Все микроконтроллеры AVR имеют встроенную FLASH ROM с возможностью внутрисхемного программирования через последовательный 4-проводной интерфейс.

Периферия МК AVR включает: таймеры-счётчики, широтно-импульсные модуляторы, поддержку внешних прерываний, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный АЦП, параллельные порты (от 3 до 48 линий ввода и вывода), интерфейсы UART и SPI, сторожевой таймер и устройство сброса по включению питания. Все эти качества превращают AVR-микроконтроллеры в мощный инструмент для построения современных, высокопроизводительных и экономичных контроллеров различного назначения.

Отличительные особенности:

●8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением

●Прогрессивная RISC архитектура

●130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл

●32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения

●Полностью статическая работа

●Производительность приближается к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц)

●Встроенный 2-цикловый перемножитель

●Энергонезависимая память программ и данных

●4 -256 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти

●Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи

●Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки

●Внутрисистемное программирование встроенной программой загрузки

●Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write)

●512 байт EEPROM

●Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи

●1 Кбайт встроенной SRAM

●Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя

• возможность программирования непосредственно в системе через последовательные интерфейсы SPI и JTAG;
• разнообразные способы синхронизации: встроенный RС-генератор с внутренней или внешней времязадающей RС-цепочкой, встроенный генератор с внешним кварцевым или пьезокерамическим резонатором, внешний сигнал синхронизации;
• двухканальный генератор ШИМ — сигнала регулируемой разрядности (один из режимов работы 16-битных таймеров/счетчиков). Разрешение формируемого сигнала может составлять от 1 до12 бит;
• многоканальный 10-битный АЦП последовательного приближения, имеющий как несимметричные, так и дифференциальные входы;
• последовательный синхронный интерфейс SPI.
• очень низкая стоимость.

Тем не менее, выбор микроконтроллера (и не только его) для своей микропроцессорной системы является очень ответственным делом. Оно может быть некритично для какой ни будь радиолюбительской установки — плюс минус сто рублей не деньги, но если вам придется работать на «дядю» который все считает, и при предоставлении готового изделия вы выйдите из бюджета, то вы можете сильно потерять в деньгах. Быстродействие микроконтроллера , каким бы он шустрым не был, часто сводится на нет медленной периферией, индикаторы, дисплеи, датчики, исполнительные механизмы, сервоприводы — требуют для своей работы определенные протоколы обмена информацией, которые, обычно, очень медленные(по сравнению с тактовой частотой МК). И в подпрограммы обслуживания этих устройств вводятся различные задержки, притормаживающие(и весьма) работу всей системы. Поэтому быстрые МК нужны в основном, если для работы всей системы требуется производить много вычислений, по результатам которых происходит то или иное действие

Регулятор

Схема стабилизатора напряжения и тока представлена на рис. 2, там же находится и микроконтроллер U3. к регулятору предъявляются особые требования, он должен обеспечивать регулировку напряжения и тока в широких пределах, обеспечивать защиту питаемого устройства.

Схемотехника не отличается излишествами, но показала в процессе эксплуатации высокую надежность. Работу регулятора напряжения рассмотрим на примере рис.3.

Силовой элемент регулятора выполнен на p-канальном полевом транзисторе Q1, трбования предъявляемые к этому транзистору простые — максимальное напряжение должно быть хотя бы в полтора раза выше напряжения питания, максимальный ток минимум в два раза больше максимального тока нагрузки и сопротивление открытого канала(чем меньше, тем лучше). сопротивление открытого канала легко уменьшить соединив параллельно два, три транзистора без всяких выравнивающих резисторов и индуктивностей — это не импульсный регулятор.

Регулировка напряжения происходит изменением напряжения на затворе транзистора Q1 за счет приоткрывания транзистора Q2. когда Q2 закрыт напряжение на затворе Q1 равно напряжению питания и транзистор закрыт. Усилитель ошибки, выполненный на ОУ U1.А сравнивает напряжение на выходе стабилизатора посредством делителя напряжения R4, R1, коэффициент деления которого равен отношению выходного напряжения к опорному, в данном случае 1:10, т.е. при выходном напряжении 50 В опорное должно быть 50 : 10 = 5 В. Разница между опорным напряжением и напряжением полученному с делителя усиливается усилителем и подается на затвор Q2. Таким образом, компенсируется повышение напряжение на выходе стабилизатора, пока напряжения на входах 2 и 3 не уравняются. Изменяя величину опорного напряжения от 0 до 5 В можно менять напряжение на выходе стабилизатора. Резисторы R5, R8 и конденсатор С2 образуют интегратор, преобразующий импульсы ШИМ в постоянное напряжение. В схеме на рис. 2 присутствует отрицательное напряжение -2.5 В , оно необходимо для того, чтобы обеспечить нулевое напряжение на выходе стабилизатора. Особенности схемотехники операционных усилителей состоит в том, что невозможно получить нулевое напряжение на выходе ОУ если отрицательный вывод питания подключен к земле, и соответственно на выходе стабилизатора появляется напряжение достигающее 500 — 700 мВ.

Стабилизатор тока выполнен на ОУ U2.А ,U2.В, напряжение с датчика тока R5 усиливается ОУ U2.В с коэффициентом усиления равным 10, с выхода этого усилителя напряжение приходит на вход АЦП1 микроконтроллера и на вход усилителя ошибки U2.А, на второй вход которого подается сигнал ШИМ тока с микроконтроллера, в случае превышения напряжения с датчика тока напряжения с ШИМ ОУ U2.А переводит стабилизатор напряжения в режим стабилизатора тока уменьшая через диод D1 напряжение на затворе Q2, уменьшая тем самым напряжение на выходе блока питания до тех пор пока потребляемый нагрузкой ток не сравняется с током установленным микроконтроллером.

При таком способе получения информации о потребляемом токе возникает одна проблема — несоответствие индицируемым микроконтроллером данных о выходном напряжении. Это можно решить, введя в программу обслуживания коррекцию в виде вычитания из значения фактического значения выходного напряжения данных о потребляемом на данный момент времени тока. Как показано на примере: