Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak działa pompa ładunku w konwerterze poziomów dla RS232

ghost666 01 Mar 2019 21:54 1791 8
  • 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).

    Jak działa pompa ładunku w konwerterze poziomów dla RS232
    Rys.1. Schemat układu pompy ładunku.


    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.

    Jak działa pompa ładunku w konwerterze poziomów dla RS232




    Rys.2. Schemat układu generującego V+ - pierwsza część cyklu.


    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).

    Jak działa pompa ładunku w konwerterze poziomów dla RS232
    Rys.3. Schemat układu generującego V+ - druga część cyklu.


    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.

    Jak działa pompa ładunku w konwerterze poziomów dla RS232
    Rys.4. Schemat układu do stabilizacji napięcia.


    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+.

    Jak działa pompa ładunku w konwerterze poziomów dla RS232
    Rys.5. Przebieg 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.

    Jak działa pompa ładunku w konwerterze poziomów dla RS232
    Rys.6. Przebieg napięcia V+; C1 = 0,47 µF, C3 = 0,1 µF.

    Jak działa pompa ładunku w konwerterze poziomów dla RS232
    Rys.7. Przebieg napięcia V+; C1 = 0,1 µF, C3 = 0,1 µF.

    Jak działa pompa ładunku w konwerterze poziomów dla RS232
    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.

    Jak działa pompa ładunku w konwerterze poziomów dla RS232
    Rys.9. Przebieg napięcia V+; C1 = 0,47 µF, C3 = 0,47 µF.


    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
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • #3 02 Mar 2019 20:26
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    krzbor napisał:
    Rysunki 2 i 3 są chyba zamienione.

    To prawda - na stronie źródłowej również są zamienione :D dlatego nie zwróciłem na nie uwagi... już to poprawiam.

  • #5 02 Mar 2019 23:26
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    krzbor napisał:
    Teraz są zamienione rysunki 1, 2, i 3 :)


    Ehhhh, te weekendy :D poprawione.

  • #6 02 Mar 2019 23:48
    pawelr98
    Poziom 36  

    Warto tu też wspomnieć iż istnieją dedykowane układy pomp ładunkowych.

    Najbardziej chyba znany jest nieśmiertelny ICL7660.

    Jeśli trzeba uzyskać symetryczne zasilanie o niewielkiej mocy do np. opampa to można wykorzystać właśnie ten układ.

  • #7 03 Mar 2019 15:34
    Janusz_kk
    Poziom 19  

    Lepszy MAX232, tańszy i daje od razu symetryczne napięcie.

  • #8 03 Mar 2019 17:27
    Slawek K.
    Poziom 29  

    A ICL7660 co daje ? też symetryczne.

    Jak działa pompa ładunku w konwerterze poziomów dla RS232
    Obudowa 8 pin i dwa kondensatory.

    MAX232

    Jak działa pompa ładunku w konwerterze poziomów dla RS232

    Obudowa 14 pin i 4 kondensatory.

    Ale prawda, MAX jest tańszy.

    Pozdr

  • #9 03 Mar 2019 19:04
    Janusz_kk
    Poziom 19  

    No nie, daje tylko ujemne, zresztą pisze to w pdf-ie
    "The ICL7660
    performs supply voltage conversions from positive to
    negative for an input range of +1.5V to +10.0V resulting in
    complementary output voltages of -1.5V to -10.0V"

    To że jest komplementarne nic nie oznacza, jak będziesz miał 5V
    zasilania to dostaniejsz ~-5V a na max-ie z 5 dostaniesz +- 10 do 12V.