Interfejs RS-232 jest popularnym asymetrycznym interfejsem komunikacyjnym o niewielkiej prędkości transmisji danych. Został on oryginalnie stworzony do komunikacji pomiędzy komputerem a jego peryferiami. Dokładny opis tego interfejsu oparty jest o normę Electronics Industry Alliance (EIA)-232. Definiuje ona poziomy napięć w sygnale jako ±15 V dla obciążenia równego 5 kΩ. Z uwagi na tak wysoki poziom napięć i ich symetrię, transceiver RS-232 wymaga aż trzech napięć zasilania do poprawnej pracy. Z uwagi na oszczędność miejsca na PCB systemu, już od lat ‘80 XX wieku dostępne są w handlu scalone transceivery RS-232, które do poprawnego działania potrzebują pojedynczego napięcia zasilania.
Aby możliwe było poprawne działanie interfejsu RS-232 z pojedynczym zasilaniem, posiada on wbudowaną przetwornicę z pompą ładunku, która generuje potrzebne do działania napięcie symetryczne ±15 V z pojedynczego, niższego napięcia zasilania. Pompa ładunku wymaga do poprawnego działania pojedynczego, zewnętrznego kondensatora, w którym przechowywany jest pompowany ładunek. W poniższym artykule opiszemy dokładnie jak działa pompa ładunku w układzie scalonego transceivera RS-232 i w jaki sposób generowane przez nią napięcia zasilające transceiver RS-232 są stabilizowane na potrzebnym poziomie.
Jak działa pompa ładunku
Na rysunku 1 pokazano uproszczony schemat pompy ładunku. Wbudowany w układ oscylator generuje sygnał zegarowy, który używany jest do przełączania kluczy w układzie (elementy SW1, SW2, SW3 oraz SW4).
Dla uproszczenia opisu działania układu skupmy się tylko na napięciu V+. Mechanizm generowania ujemnego napięcia zasilania jest bardzo podobny.
Wbudowany w układ generator podaje sygnał zegarowy rytmicznie na klucze tak, że naprzemiennie ładowane są kondensatory C1 oraz C3 (czasami w literaturze C1 nazywa się kondensatorem ‘latającym’ a C3 magazynującym). Pierwszy cykl pracy pokazano na rysunku 2. W czasie tego cyklu C1 ładowany jest do napięcia VCC.
W kolejnym cyklu pracy, jedna strona kondensatora C1 dołączana jest do VCC, a druga do V+, jak pokazano na rysunku 3. Jako że różnica na C1 nie może zostać natychmiast wyrównana, to na wyjściu V+ pojawia się napięcie równe dwukrotności VCC (przy zerowych stratach).
Analogicznie generowane jest napięcie V- w dwóch cyklach zegara. W pierwszym cyklu ładowany jest kondensator C2 (do napięcia V+). W kolejnym cyklu ładunek jest podawany na V- z odwróconą polaryzacją. Dzięki temu napięcie V- jest na takim samym poziomie poniżej masy co V+ powyżej - symetria zachowana jest niezależnie od absolutnego poziomu napięcia.
Jak działa stabilizacja napięcia
Dzięki pompie ładunku V+ wynosi 2xVcc, a V- wynosi -2xVcc. Tak długo jak pracować będzie zegar, tak długo przetwornica generować będzie symetryczne napięcie. Dla zwiększenia wydajności układu oraz stabilizacji tych napięć, układ wyposażony jest w pętlę sprzężenia zwrotnego, która kontroluje działanie układu przetwornicy, jak pokazano na rysunku 4. Dzięki temu napięcie V+ oraz V- jest stabilizowane na ustalonym poziomie.
Jeśli napięcie V+ jest większe niż ustalony wcześniej próg lub napięcie V- jest niższe niż ten próg, pompa ładunku jest po prostu wyłączana – zegar przestaje generować kolejne takty. W momencie, gdy jedno z napięć wpadnie znowu poniżej/powyżej (odpowiednio dla V+ i V-) pompa jest ponownie uruchamiana. Z uwagi na ten rodzaj stabilizacji napięcia, w napięciu wyjściowym obecne są pewne zakłócenia, tak jak pokazano na rysunku 5 na przykładzie napięcia V+.
Przeanalizujmy amplitudę oscylacji w systemie. Załóżmy, że okładki kondensatora C3 łączą się z V+ oraz Vcc, jak pokazano na rysunku 2. Spójrzmy na napięcie w momencie na chwilę przed czasem oznaczonym t1 (rysunek 4) – w tym momencie napięcie V + jest wyższe niż Vr (napięcie progowe), ale pompa ładunku jeszcze się nie włącza. Napięcie V+ spada, w czasie rozładowywania się kondensatora C3. W momencie t1 napięcie spada do Vr; wtedy V+ jest równe Vr. Pompa ładunku rozpoczyna swoją pracę i przekierowuje ładunek przechowywany w kondensatorze C1 do C3.
Jeśli w układzie nie występują żadne straty, to ładunek powinien być równy w obu stanach. Przed transferem ładunku napięcie na C3 wynosi Vr-Vcc, a na C1 Vcc. Po przeniesieniu ładunku oba kondensatory - C1 i C3 - mają ten sam potencjał napięcia Vp-Vcc. Całkowity ładunek przed i po transferze jest wyliczony w równaniu (1).
$$(V_r - V_{cc}) \times C_3 + V_{cc} \times C_1 = (V_p - V_{cc}) \times (C_1 + C_3)$$ (1)
Znając poszczególne wartości, możemy obliczyć wartość napięcia Vp, korzystając z poniższego równania:
$$V_p = \frac {2\times V_{cc} \times C_1 + V_r \times C_3} {C_1 + C_3}$$ (2)
Zakładając, że Vr = 5,5 V, Vcc = 3,3V i C1 = C3 to napięcie Vp wynosi 6,05 V.
Powyższe równania wymagają kilku słów komentarza. Po pierwsze, jeśli założymy C1 = C3, to ładunek w układzie rozważać można jako równo rozłożony w obu tych kondensatorach. Zatem napięcie Vp jest w połowie pomiędzy Vr (5,5 V) i 2xVcc (6,6 V).
Z powyższych równań wynika także, że z punktu widzenia amplitudy zakłóceń w napięciu to nie absolutne wartości pojemności C1 i C3, ale stosunek pojemności C1 do C3 ma znaczenie. W niektórych aplikacjach, C3 podłączany jest do masy, zamiast do Vcc, w takiej sytuacji równanie (1) przyjmuje formę:
$$V_r \times C_3 + V_{cc} \times C_1 = (V_p – V_{cc}) \times C_1 + V+ \times C_3$$
Analogicznie obliczyć można amplitudę zakłóceń w napięciu V-. Równanie (3) pozwala nam wyznaczyć szczytowe napięcie V- jako:
$$-V_r \times C_4 - V_p \times C_2 = -(V-) \times (C_2 + C_4)$$ (3)
Aby uczynić zmienne spójnymi, pamiętajmy, iż Vr i Vp to, odpowiednio, próg napięcia i szczytowe napięcie dla V+. Zmienne te wykorzystano w równaniach (1) i (2). Możemy zastąpić je wartościami z poprzednich obliczeń i zakładając, że C2 = C4, to wynik takiego podstawienia pokazano na równaniu (4):
$$V- = \frac {-5,5 \times C_4 - 6,05 \times C_2} {C_2 + C_4}$$ (4)
Napięcie V- wykazuje się niższym poziomem zniekształceń niż w przypadku linii V+, jako że jest ono filtrowane przez o jeden kondensator więcej po drodze.
Napięcie na kondensatorze przekracza Vcc przy stabilizacji, a bez niej z łatwością osiągnąć może 2xVcc. Dlatego też, dobierając te elementy, warto sięgnąć po kondensatory ceramiczne MLCC z dielektrykiem X5R lub X7R na napięcie co najmniej 10 V, a najlepiej na 16 V.
Wpływ zmiany wartości kondensatora na działanie układu
Teraz, gdy już rozumiemy, jak działa pompa ładunku i wbudowany w nią stabilizator napięcia, możemy przystąpić do sprawdzenia, jak wartości kondensatorów, które podłączamy do układu, wpływają na przebiegi napięcia V+.
Ogólna zasada jest taka, że jeżeli kondensator C3 ma większą pojemność niż C1, to mniej ładunku będzie transferowane do C3, a w konsekwencji w napięciu wyjściowym poziom zniekształceń będzie niższy.
Na rysunkach 6-8 zaprezentowano przebiegi napięcia zasilania V+ dla różnych kondensatorów C1 oraz C3, podłączonych do przetwornicy – układu TRS3232E. Jest to transceiver RS-232 firmy Texas Instruments.
Napięcie zasilania w układzie wynosi 3.3 V, a pomiary prowadzone są w temperaturze pokojowej.
Rys.6. Przebieg napięcia V+; C1 = 0,47 µF, C3 = 0,1 µF.
Rys.7. Przebieg napięcia V+; C1 = 0,1 µF, C3 = 0,1 µF.
Rys.8. Przebieg napięcia V+; C1 = 0,01 µF, C3 = 0,1 µF.
We wszystkich pokazanych przypadkach C3 miał pojemność 100 nF, a C1 miał pojemność zmienianą w zakresie od 10 nF do 470 nF.
Najwyższe zniekształcenia obserwujemy na rysunku 6, gdzie C1 miał pojemność 470 nF. Najniższe zniekształcenia z kolei obserwowane są dla C1 = 10 nF, jak widać na rysunku 8. Jest to w pełni zgodne z naszymi wcześniejszymi przewidywaniami.
Należy pamiętać, że cykle regulacji zależą również od amplitudy tętnienia napięcia V+. Załóżmy, że rozładowanie odbywa się w tym samym tempie na C3. Wyższe zniekształcenia wymagają więcej czasu na rozładowanie (44 μs na rysunku 6), podczas gdy niski poziom tętnień wykazuje jednocześnie wyższą częstotliwość (okres równy 36 μs, jak widać na rysunku 7).
Cykl z rysunku 8 jest głównie uzależniony od czasu ładowania, a nie od czasu rozładowania kondensatora. W dodatkowych testach, pokazanych na rysunku 9 widzimy przypadek, w którym C1 i C3 mają taką samą pojemność – oba mają wartością 470 nF. Porównując przebiegi z rysunku 9 z [/b]rysunkiem 7[/b] widzimy, że amplituda zakłóceń jest podobna, ale częstotliwość jest większa (okres równy 20 μs) – właśnie ze względu na szybsze ładowanie i rozładowanie większych kondensatorów.
Podczas analizy powyższych przebiegów pamiętać należy, że przedstawione tutaj testy zostały przeprowadzone bez obciążenia na wyjściu. Dodanie obciążenia na wyjściu (RL na rysunku 4) jest w stanie zmienić istotnie tak wyniki obliczeń, jak i przedstawione przebiegi – obciążona przetwornica będzie dawać istotnie niższe napięcie.
Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/06/28/how-the-rs-232-transceiver-s-regulated-charge-pump-circuitry-works#
Aby możliwe było poprawne działanie interfejsu RS-232 z pojedynczym zasilaniem, posiada on wbudowaną przetwornicę z pompą ładunku, która generuje potrzebne do działania napięcie symetryczne ±15 V z pojedynczego, niższego napięcia zasilania. Pompa ładunku wymaga do poprawnego działania pojedynczego, zewnętrznego kondensatora, w którym przechowywany jest pompowany ładunek. W poniższym artykule opiszemy dokładnie jak działa pompa ładunku w układzie scalonego transceivera RS-232 i w jaki sposób generowane przez nią napięcia zasilające transceiver RS-232 są stabilizowane na potrzebnym poziomie.
Jak działa pompa ładunku
Na rysunku 1 pokazano uproszczony schemat pompy ładunku. Wbudowany w układ oscylator generuje sygnał zegarowy, który używany jest do przełączania kluczy w układzie (elementy SW1, SW2, SW3 oraz SW4).
Dla uproszczenia opisu działania układu skupmy się tylko na napięciu V+. Mechanizm generowania ujemnego napięcia zasilania jest bardzo podobny.
Wbudowany w układ generator podaje sygnał zegarowy rytmicznie na klucze tak, że naprzemiennie ładowane są kondensatory C1 oraz C3 (czasami w literaturze C1 nazywa się kondensatorem ‘latającym’ a C3 magazynującym). Pierwszy cykl pracy pokazano na rysunku 2. W czasie tego cyklu C1 ładowany jest do napięcia VCC.
W kolejnym cyklu pracy, jedna strona kondensatora C1 dołączana jest do VCC, a druga do V+, jak pokazano na rysunku 3. Jako że różnica na C1 nie może zostać natychmiast wyrównana, to na wyjściu V+ pojawia się napięcie równe dwukrotności VCC (przy zerowych stratach).
Analogicznie generowane jest napięcie V- w dwóch cyklach zegara. W pierwszym cyklu ładowany jest kondensator C2 (do napięcia V+). W kolejnym cyklu ładunek jest podawany na V- z odwróconą polaryzacją. Dzięki temu napięcie V- jest na takim samym poziomie poniżej masy co V+ powyżej - symetria zachowana jest niezależnie od absolutnego poziomu napięcia.
Jak działa stabilizacja napięcia
Dzięki pompie ładunku V+ wynosi 2xVcc, a V- wynosi -2xVcc. Tak długo jak pracować będzie zegar, tak długo przetwornica generować będzie symetryczne napięcie. Dla zwiększenia wydajności układu oraz stabilizacji tych napięć, układ wyposażony jest w pętlę sprzężenia zwrotnego, która kontroluje działanie układu przetwornicy, jak pokazano na rysunku 4. Dzięki temu napięcie V+ oraz V- jest stabilizowane na ustalonym poziomie.
Jeśli napięcie V+ jest większe niż ustalony wcześniej próg lub napięcie V- jest niższe niż ten próg, pompa ładunku jest po prostu wyłączana – zegar przestaje generować kolejne takty. W momencie, gdy jedno z napięć wpadnie znowu poniżej/powyżej (odpowiednio dla V+ i V-) pompa jest ponownie uruchamiana. Z uwagi na ten rodzaj stabilizacji napięcia, w napięciu wyjściowym obecne są pewne zakłócenia, tak jak pokazano na rysunku 5 na przykładzie napięcia V+.
Przeanalizujmy amplitudę oscylacji w systemie. Załóżmy, że okładki kondensatora C3 łączą się z V+ oraz Vcc, jak pokazano na rysunku 2. Spójrzmy na napięcie w momencie na chwilę przed czasem oznaczonym t1 (rysunek 4) – w tym momencie napięcie V + jest wyższe niż Vr (napięcie progowe), ale pompa ładunku jeszcze się nie włącza. Napięcie V+ spada, w czasie rozładowywania się kondensatora C3. W momencie t1 napięcie spada do Vr; wtedy V+ jest równe Vr. Pompa ładunku rozpoczyna swoją pracę i przekierowuje ładunek przechowywany w kondensatorze C1 do C3.
Jeśli w układzie nie występują żadne straty, to ładunek powinien być równy w obu stanach. Przed transferem ładunku napięcie na C3 wynosi Vr-Vcc, a na C1 Vcc. Po przeniesieniu ładunku oba kondensatory - C1 i C3 - mają ten sam potencjał napięcia Vp-Vcc. Całkowity ładunek przed i po transferze jest wyliczony w równaniu (1).
$$(V_r - V_{cc}) \times C_3 + V_{cc} \times C_1 = (V_p - V_{cc}) \times (C_1 + C_3)$$ (1)
Znając poszczególne wartości, możemy obliczyć wartość napięcia Vp, korzystając z poniższego równania:
$$V_p = \frac {2\times V_{cc} \times C_1 + V_r \times C_3} {C_1 + C_3}$$ (2)
Zakładając, że Vr = 5,5 V, Vcc = 3,3V i C1 = C3 to napięcie Vp wynosi 6,05 V.
Powyższe równania wymagają kilku słów komentarza. Po pierwsze, jeśli założymy C1 = C3, to ładunek w układzie rozważać można jako równo rozłożony w obu tych kondensatorach. Zatem napięcie Vp jest w połowie pomiędzy Vr (5,5 V) i 2xVcc (6,6 V).
Z powyższych równań wynika także, że z punktu widzenia amplitudy zakłóceń w napięciu to nie absolutne wartości pojemności C1 i C3, ale stosunek pojemności C1 do C3 ma znaczenie. W niektórych aplikacjach, C3 podłączany jest do masy, zamiast do Vcc, w takiej sytuacji równanie (1) przyjmuje formę:
$$V_r \times C_3 + V_{cc} \times C_1 = (V_p – V_{cc}) \times C_1 + V+ \times C_3$$
Analogicznie obliczyć można amplitudę zakłóceń w napięciu V-. Równanie (3) pozwala nam wyznaczyć szczytowe napięcie V- jako:
$$-V_r \times C_4 - V_p \times C_2 = -(V-) \times (C_2 + C_4)$$ (3)
Aby uczynić zmienne spójnymi, pamiętajmy, iż Vr i Vp to, odpowiednio, próg napięcia i szczytowe napięcie dla V+. Zmienne te wykorzystano w równaniach (1) i (2). Możemy zastąpić je wartościami z poprzednich obliczeń i zakładając, że C2 = C4, to wynik takiego podstawienia pokazano na równaniu (4):
$$V- = \frac {-5,5 \times C_4 - 6,05 \times C_2} {C_2 + C_4}$$ (4)
Napięcie V- wykazuje się niższym poziomem zniekształceń niż w przypadku linii V+, jako że jest ono filtrowane przez o jeden kondensator więcej po drodze.
Napięcie na kondensatorze przekracza Vcc przy stabilizacji, a bez niej z łatwością osiągnąć może 2xVcc. Dlatego też, dobierając te elementy, warto sięgnąć po kondensatory ceramiczne MLCC z dielektrykiem X5R lub X7R na napięcie co najmniej 10 V, a najlepiej na 16 V.
Wpływ zmiany wartości kondensatora na działanie układu
Teraz, gdy już rozumiemy, jak działa pompa ładunku i wbudowany w nią stabilizator napięcia, możemy przystąpić do sprawdzenia, jak wartości kondensatorów, które podłączamy do układu, wpływają na przebiegi napięcia V+.
Ogólna zasada jest taka, że jeżeli kondensator C3 ma większą pojemność niż C1, to mniej ładunku będzie transferowane do C3, a w konsekwencji w napięciu wyjściowym poziom zniekształceń będzie niższy.
Na rysunkach 6-8 zaprezentowano przebiegi napięcia zasilania V+ dla różnych kondensatorów C1 oraz C3, podłączonych do przetwornicy – układu TRS3232E. Jest to transceiver RS-232 firmy Texas Instruments.
Napięcie zasilania w układzie wynosi 3.3 V, a pomiary prowadzone są w temperaturze pokojowej.
Rys.6. Przebieg napięcia V+; C1 = 0,47 µF, C3 = 0,1 µF.
Rys.7. Przebieg napięcia V+; C1 = 0,1 µF, C3 = 0,1 µF.
Rys.8. Przebieg napięcia V+; C1 = 0,01 µF, C3 = 0,1 µF.
We wszystkich pokazanych przypadkach C3 miał pojemność 100 nF, a C1 miał pojemność zmienianą w zakresie od 10 nF do 470 nF.
Najwyższe zniekształcenia obserwujemy na rysunku 6, gdzie C1 miał pojemność 470 nF. Najniższe zniekształcenia z kolei obserwowane są dla C1 = 10 nF, jak widać na rysunku 8. Jest to w pełni zgodne z naszymi wcześniejszymi przewidywaniami.
Należy pamiętać, że cykle regulacji zależą również od amplitudy tętnienia napięcia V+. Załóżmy, że rozładowanie odbywa się w tym samym tempie na C3. Wyższe zniekształcenia wymagają więcej czasu na rozładowanie (44 μs na rysunku 6), podczas gdy niski poziom tętnień wykazuje jednocześnie wyższą częstotliwość (okres równy 36 μs, jak widać na rysunku 7).
Cykl z rysunku 8 jest głównie uzależniony od czasu ładowania, a nie od czasu rozładowania kondensatora. W dodatkowych testach, pokazanych na rysunku 9 widzimy przypadek, w którym C1 i C3 mają taką samą pojemność – oba mają wartością 470 nF. Porównując przebiegi z rysunku 9 z [/b]rysunkiem 7[/b] widzimy, że amplituda zakłóceń jest podobna, ale częstotliwość jest większa (okres równy 20 μs) – właśnie ze względu na szybsze ładowanie i rozładowanie większych kondensatorów.
Podczas analizy powyższych przebiegów pamiętać należy, że przedstawione tutaj testy zostały przeprowadzone bez obciążenia na wyjściu. Dodanie obciążenia na wyjściu (RL na rysunku 4) jest w stanie zmienić istotnie tak wyniki obliczeń, jak i przedstawione przebiegi – obciążona przetwornica będzie dawać istotnie niższe napięcie.
Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/06/28/how-the-rs-232-transceiver-s-regulated-charge-pump-circuitry-works#
Fajne? Ranking DIY
