Zasilacz laboratoryjny jest jednym z kluczowych elementów wyposażenia każdego warsztatu elektronicznego. Na rynku dostępnych jest wiele aparatów różniących się możliwościami, zakresem parametrów i ceną. Firma Analog Devices przedstawiła swoje alternatywne rozwiązanie w postaci płytki rozwojowej, będącej cyfrowo sterowanym zasilaczem warsztatowym. Przyjrzymy się mu dokładniej w poniższym artykule. Natomiast w tym artykule zrobiliśmy test oraz pierwsze uruchomienie.
Układ CN-0508 opracowany i produkowany przez Analog Devices to zasilacz warsztatowy wykorzystujący Raspberry Pi Zero do sterowania. Schemat tego systemu pokazano na rysunku 1. Zasilacz ten ma moc maksymalną równą 75 W. Posiada stabilizowane wyjście o napięciu od 0 V do 27,5 V z maksymalnym prądem wyjściowym do 3 A. Układ może pracować w trybie stabilizacji napięcia lub prądu, zależnie od jego ustawień.
Rys.1. Schemat blokowy zasilacza CN-0508 firmy Analog Devices
Dzięki złączu rozszerzeń, kompatybilnemu z Raspberry Pi, możliwe jest sterowanie zasilaczem za pośrednictwem ekranu dotykowego podłączonego do komputera jednopłytkowego lub poprzez bezprzewodowe lub kablowe połączenia sieciowe. Napięcie wyjściowe może być kontrolowane ręcznie lub za pomocą oprogramowania, a ręczna regulacja ograniczenia prądowego konfiguruje przejście od pracy w trybie stabilizacji napięcia do pracy ze stałym prądem.
Zasilacz stabilizowany charakteryzuje się hybrydową architekturą, łączącą w sobie przetwornicę typu buck i liniowy stabilizator napięcia. Zapewnia to niskie tętnienia wyjściowe przy niskiej pojemności wyjściowej, doskonałą reakcję na zmiany obciążenia, stabilizację od 0 V i 0 A oraz niskie straty mocy, które eliminują potrzebę stosowania radiatorów. Kompletne rozwiązanie jest tanie, kompaktowe i łatwe w konfiguracji do samodzielnej pracy lub integracji z innymi urządzeniami.
Opis układu
CN-0508 zapewnia niedrogie, stabilizowane źródło zasilania o parametrach porównywalnych z zasilaczami komercyjnymi. W jego projekcie zastosowano hybrydową topologię – wstępnego stabilizatora impulsowego typu buck oraz dwóch precyzyjnych stabilizatorów liniowych, które połączono równolegle, aby zwiększyć ich wydajność prądową. Topologia taka łączy w sobie wysoką wydajność energetyczną przetwornicy typu buck i niski poziom szumów wyjściowych, niskie tętnienia i regulowane ograniczenie prądu stabilizatorów liniowych.
Żaden radiator inny niż sama płytka drukowana nie jest wymagany dla tej konstrukcji, w przeciwieństwie do typowych liniowych zasilaczy warsztatowych, w których urządzenia przejściowe (na ogół dyskretne tranzystory lub scalone stabilizatory liniowe) wymagają zewnętrznych radiatorów, aby wystarczająco rozproszyć ciepło.
Kluczowe elementy zasilacza
Przetwornica Buck LT8612
Pierwszym elementem konstrukcji CN-0508 jest synchroniczna przetwornica typu buck LT8612. Przetwornica - zasilacz impulsowy obniżający napięcie - skutecznie redukuje wyższe napięcie DC. Przetwornica ta zapewnia również niskie rozpraszanie mocy i wysoką gęstość mocy w niewielkiej obudowie, w porównaniu z liniowymi stabilizatorami mocy o podobnej zdolności prądowej.
Wejście zasilania do systemu wyposażone jest w kondensator filtrujący o pojemności 32 μF przed wejściem na przetwornicę buck. LT8612 obniża nominalne napięcie wejściowe 30 V do napięcia w przybliżeniu o 1,7 V większego niż wyjście z zasilacza - nieco powyżej minimalnego wymaganego zapasu napięcia (1,5 V) dla LT3081. Utrzymywanie spadku napięcia na stabilizatorach LT3081 tuż przy tej granicy minimalizuje rozpraszanie mocy i eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych radiatorów.
Rys.2. Wydajność i utrata mocy w funkcji prądu obciążenia dla zasilacza warsztatowego DC przy zasilaniu 36 V dla różnych warunków pracy.
Rysunek 2 pokazuje sprawność i straty mocy kompozytowego stabilizatora, pokazując, że najgorsza całkowita utrata mocy wynosi 7 W, co pozwala na swobodne chłodzenie konwekcyjne systemu, gdy płytka znajduje się na wolnym powietrzu i wymaga tylko małego wentylatora po umieszczeniu modułu w obudowie.
Zwykle przetwornica buck stabilizuje swoje napięcie wyjściowe w oparciu o dzielnik sprzężenia zwrotnego w taki sposób, że:
$$V_{OUT} = V_{FB} \times (1 + \frac {R_{HIGH}} {R_{LOW}} \qquad (1)$$
gdzie VFB wynosi 970 mV w przypadku LT8612. CN-0508 ma zmodyfikowaną ścieżkę sprzężenia zwrotnego, która reguluje moc wyjściową stopnia buck do stałego 1,7 V powyżej sygnału wyjściowego następnego stopnia, jak pokazano na rysunku 3.
Rys.3. Pętla sprzężenia zwrotnego stabilizatora wstępnego układu.
Podczas stabilizacji prąd o natężeniu 194 μA musi przepływać przez opornik R6 tak, aby pin FB mierzył napięcie równe 970 mV. Następnie napięcie równe 0,85 V (194 μA × 1 kΩ + VBE) jest przykładane wraz z VPRE na bazę Q1, wymagając, aby VPRE było 2 × 0,85 V powyżej VOUT tak, aby napięcie 0,85 V rejestrowane było na opornikach R8 i R9.
Stabilizatory liniowe LT3081
Po stopniu buck w układzie znajdują się dwa stabilizatory liniowe LT3081. LDO zapewniają stałe napięcie wyjściowe DC, niezależnie od zmian prądu obciążenia lub napięcia wejściowego, poprzez obniżenie napięcia na tranzystorze przejściowym w układzie. Stabilizatory liniowe są często używane na wyjściach przetwornic buck w celu tłumienia tętnień zasilacza impulsowego przy minimalnej utracie sprawności energetycznej. Układy tego rodzaju też mogą być bardzo wydajne, jeśli napięcie wyjściowe jest bliskie napięciu wejściowemu, ale nie poniżej napięcia wymaganego do utrzymania stabilizacji (tzw. zapas napięcia, jest on zależny od konkretnego układu scalonego i można odczytać go z jego karty katalogowej).
Funkcje LT3081 obejmują m.in. ochronę przeciwzwarciową, zabezpieczenie przed odwrotnym napięciem, a także zabezpieczenie termiczne (z histerezą) i ochroną układu przed wyjściem z bezpiecznego obszaru roboczego (SOA). Zakres SOA dla LT3081 został rozszerzony, umożliwiając stosowanie w trudnych warunkach przemysłowych i motoryzacyjnych, gdzie duże, nieprzewidywalne skoki napięcia wejściowego prowadzą do dużych strat mocy.
Rys.4. Równoległe łączenie stabilizatorów LT3081.
LT3081 zawiera również regulowaną funkcję ograniczania prądu lub pracy w trybie stabilizacji prądu, umożliwiając obwodowi na rysunku 1 działanie w trybie stałego napięcia lub stałego prądu wyjściowego. Wewnętrzny wzmacniacz mierzący prąd mierzy prąd wyjściowy i wyprowadza prąd proporcjonalny - ILOAD/5000 - na pinie IMON, jak pokazano na rysunku 5, który z kolei jest zmieniany na sygnał 200 mV/A przez rezystor 1 kΩ. Podobnie, wewnętrzny czujnik temperatury mierzy temperaturę układu i generuje prąd o wartości 1 μA/°C, który jest ponownie zmieniany na napięcie o nachyleniu 1 mV/°C przez rezystor 1 kΩ.
Co więcej, LT3081 ma wyjątkową możliwość łatwego łączenia równoległego w celu uzyskania wyższego prądu wyjściowego, jak pokazano na rysunku 4. Wszystkie odpowiadające sobie piny między dwoma LT3081 są połączone razem, z wyjątkiem pinów OUT, które wymagają oporników balastowych o rezystancji 10 mΩ do dokładnego podziału prądu. W ten sposób prąd jest równo sumowany z obu wyjść napięciowych przy minimalnym wpływie na dokładność napięcia wyjściowego.
Zasilanie dla platformy Raspberry Pi
Synchroniczny stabilizator impulsowy buck LT8609 jest zasilany bezpośrednio z gniazda wejściowego. Dostarcza napięcie 5 V do 3 A do płytki platformy Raspberry Pi, układu LTC1983-5 i obwodów sterujących wentylatorem. Prąd wyjściowy jest również wystarczający do zasilania większości ekranów dotykowych kompatybilnych z Raspberry Pi i innych urządzeń peryferyjnych, eliminując potrzebę dodatkowego źródła zasilania.
Sterowanie i diagnostyka
Kontrola ograniczenia prądu wyjściowego
Ograniczenie prądu EVAL-CN0508-RPIZ od 0 A do 3 A jest ustawiane potencjometrem podłączonym między wyjściem a pinami LT3081 ILIM. Funkcja ograniczenia prądu LT3081 jest skonfigurowana na zakres regulacji od zera do 3 A (nominalnie). Podczas gdy ograniczenie prądu nie jest programowalne software'owo, stosowany jest potencjometr podwójny, umożliwiający odczytanie zadanej wartości ograniczenia prądu w oprogramowaniu na Raspberry Pi.
Kontrola napięcia wyjściowego
Napięcie wyjściowe z zasilacza jest stabilizowane przez pin SET w LT3081. Na rysunku 5 pin SET jest nieodwracającym wejściem wzmacniacza błędu i ustawia punkt pracy urządzenia. Napięcie podłączone do pinu SET staje się punktem odniesienia dla wzmacniacza błędu i napięcia wyjściowego na LT3081.
Rys.5. Schemat blokowy układu LT3081.
LT3081 zapewnia precyzyjny prąd odniesienia równy 50 μA z pinu SET, który może być użyty do ustawienia napięcia wyjściowego poprzez podłączenie stałego lub regulowanego rezystora od pinu SET do masy. Jednak pin SET może być również zasilany bezpośrednio ze źródła napięcia tak, że LT3081 działa jako precyzyjny stopień mocy o wzmocnieniu jednostkowym.
Stabilizowane napięcie wyjściowe od 0 V do 27,5 V z EVAL-CN0508-RPIZ można ustawić ręcznie za pomocą potencjometru 5 kΩ lub cyfrowo za pomocą przetwornika cyfrowo-analogowego AD5683R (DAC), poprzez precyzyjny analogowy układ AND pokazany na rysunku 6.
Rys.6. Analogowa realizacja funkcji AND.
Napięcie wyjściowe z przetwornika cyfrowo-analogowego i suwaka potencjometru osiąga od zera dp 2,5 V. Podłączone jest do wejść dwóch wzmacniaczy operacyjnych LT6015, każdy z nieodwracającym wzmocnieniem równym 11. Jeśli VDAC > VPOT, dioda na wyjściu A2 jest spolaryzowana w kierunku zaporowym, podczas gdy dioda na wyjściu A1 przewodzi, a VSET osiąga napięcie VPOT × 11.
Analogicznie jest, jeśli VPOT > VDAC. Analogowy obwód AND sprowadza napięcie wyjściowe do niższego z napięć wyjściowych między przetwornikiem cyfrowo-analogowym a potencjometrem. Taka konfiguracja umożliwia sterowanie ręczne jako zabezpieczenie przed przepięciem w trybie sterowania elektronicznego. Podobnie oprogramowanie dostarczane przez Analog Devices ma również możliwość wyłączania lub sekwencjonowania wyjścia napięcia w trybie sterowania ręcznego.
Należy pamiętać, że wiele wzmacniaczy operacyjnych nie może tolerować dużej różnicy napięć między wejściami. Obwód ten wykorzystuje wyjątkową zdolność LT6015 do tolerowania dużej różnicy napięć pomiędzy jego wejściami bez uszkodzeń lub bez pobierania dużego prądu zasilania.
Źródło prądowe układu LT3092 jest ustawione na 2 mA. Steruje ono wyjściem obwodu analogowego AND, zapewniając, że D1 lub D2 są spolaryzowane do przodu, aby utrzymać sprzężenie zwrotne.
LT6015 może bezpośrednio sterować obciążeniem do 200 pF; dodanie sieci tłumiącej składającej się z kondensatora 0,22 μF połączonego szeregowo z rezystorem 150 Ω pozwala wzmacniaczowi operacyjnemu sterować kondensatorem filtrującym o pojemności 0,02 μF na pinach SET układu LT3081.
Stabilizacja 0 V i ograniczenie do 0 A
Tak długo, jak z wyjścia pobierany jest minimalny prąd obciążenia 5 mA, minimalne napięcie wyjściowe 0 V jest gwarantowane przez LT3081. Spadek prądu poniżej 8 mA z lekko ujemnym napięciem wejściowym jest realizowany z pomocą tranzystora NPN i regulatorem pompy ładunku LTC1983-5. Co więcej, ujemne zasilanie jest również wykorzystywane jako źródło zasilania dla obwodów wzmacniacza operacyjnego LT6015, umożliwiając pracę przy poziomie masy.
Dopóki rezystor ILIM ma poniżej 200 Ω, minimalny prąd graniczny 0 A tego zasilania jest gwarantowany przez LT3081. Mały rezystor 100 Ω jest umieszczony szeregowo z potencjometrem ILIM, aby zmaksymalizować zakres jego obrotu i nadal gwarantować zerowy prąd, gdy dwa regulatory są używane równolegle.
Diagnostyka systemu
24-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy typu sigma-delta AD7124-4 zapewnia odczyt pomiaru napięcia i prądu wyjściowego, a także kilku innych parametrów diagnostycznych. Podsumowanie mierzonych parametrów przedstawiono w tabeli poniżej.
Podstawowe pomiary używane podczas normalnej pracy to napięcie i prąd wyjściowy, z których obydwa są mierzone przez przetwornik ADC.
Wartość zadana ograniczenia prądowego jest estymowana na podstawie położenia potencjometru ograniczenia prądu, mierzonego drugim kanałem potencjometra w układzie. Ta konfiguracja umożliwia programowe wyświetlanie wartości zadanej ograniczenia prądu i ostrzeżenie, jeśli zmierzony prąd wyjściowy zbliża się do tej wartości zadanej.
Podobnie jak w przypadku wartości zadanej ograniczenia prądu, wartość zadana napięcia jest odczytywana z położenia drugiego potencjometra w urządzeniu. Ta informacja może być wykorzystana przez oprogramowanie Analog Devices do oznaczenia ostrzeżenia, jeśli napięcie wyjściowe jest zbyt niskie (co wskazuje na przeciążenie) lub zbyt wysokie (wskazując, że obciążenie kieruje prąd wsteczny do zasilacza).
Mierzone są również piny monitora temperatury obu urządzeń LT3081. Chociaż rozpraszanie mocy jest utrzymywane na niskim poziomie w układach LT3081, stan przegrzania może wynikać z pracy przy dużych prądach i ograniczonym przepływie powietrza. Inne pomiary służą do celów diagnostycznych i mogą być wykorzystywane przez oprogramowanie do wykrywania stanów awarii. Na przykład oprogramowanie może wyświetlać ostrzeżenie, jeśli napięcie wejściowe spadnie poniżej 28 V lub jeśli napięcie wstępnej regulacji LDO spadnie poniżej 1,6 V powyżej wartości wyjściowej; każdy z tych warunków może wskazywać na awarię zasilania wejściowego lub samego modułu CN-0508.
Obwód sterowania wentylatorem
CN-0508 zawiera automatyczny obwód sterowania wentylatorem, który steruje wentylatorem 5 V, < 1 A. ADCMP392 porównuje dwa sygnały temperatury LT3081 z napięciem odniesienia 60 mV. Wyjścia komparatorów są połączone z bramką AND w taki sposób, że jeśli którykolwiek z dwóch LT3081 osiągnie 60°C, wyjście 5 V jest załączane.
Rys.7. Układ sterowania wentylatorem.
Parametry systemu
Stabilizacja obciążenia
W idealnym przypadku napięcie wyjściowe zasilacza powinno pozostać stałe niezależnie od obciążenia. Rysunek 8 pokazuje, że stabilizacja napięcia na obciążeniu przez CN-0508 mieści się w granicach 20 mV, gdy prąd obciążenia wzrasta od zera do 2,5 A, co odpowiada impedancji wyjściowej około 8,8 mΩ.
Rys.8. Napięcie wyjściowe w funkcji prądu wyjściowego
Przejście ze stabilizacji napięcia do stabilizacji prądu
Rysunek 9 pokazuje przejście CN-0508 z trybu stałego napięcia do trybu prądu stałego, gdy wyjście zostaje zwarte. Początkowe napięcie wyjściowe wynosi 25 V, a rezystancja obciążenia 25 Ω. Wyjście jest następnie zwarte, a prąd wyraźnie spada do zera w mniej niż 200 μs, ponieważ bardzo mała pojemność znajduje się na wyjściu układu (60 μF). Ta pojemność jest o rząd wielkości mniejsza niż pojemność wyjściowa większości komercyjnych źródeł zasilania, co skutkuje odpowiednio mniejszą zmagazynowaną energią, która musi zostać rozproszona podczas zwarcia. Następnie prąd wyjściowy wzrasta do wartości zadanej przez ograniczenie prądu 2,75 A, gdy pętla stabilizacji prądu LT3081 wchodzi w tryb stabilizacji prądu 2,5 ms później.
Rys.9. Ograniczenie prądowe w zakresie od 1 A do 2,75 A
Reakcja na skok jednostkowy obciążenia
Rysunek 10 przedstawia odpowiedź przejściową układu CN-0508 w reakcji na skok jednostkowy prądu wyjściowego z 1 A do 2 A.
Rys.10. Odpowiedź na skok prądu od 1 A do 3 A przy napięciu wyjściowym 24 V i zasilaniu 30 V.
Wyjście jest początkowo ustawione na 25 V przy obciążeniu o impedancji 25 Ω. Po jakimś czasie dołączany do wyjścia jest drugi rezystor 25 Ω, co powoduje zwiększenie prądu.
Wydajność chłodzenia
Rysunek 11 pokazuje wzrost temperatury CN-0508, dostarczającego 2,75 A przy obciążeniu 4 Ω w trybie prądu stałego, z płytą umieszczoną poziomo, 2,5 cm nad stołem roboczym w nieruchomym powietrzu w temperaturze otoczenia 30°C. Nawet w tej celowo złej sytuacji termicznej maksymalna temperatura w LT3081s wynosi 92°C, znacznie poniżej maksymalnej temperatury roboczej 125°C. Kierowanie 40 mm, 0,2 metra sześciennego na minutę (m³/min) wentylator na całej płycie (jak i w obudowie) obniża maksymalną temperaturę do 70°C.
Rys.11. Termogram płytki EVAL-CN0508-RPIZ przy napięciu zasilającym 30 V, ograniczeniu prądowym 2,75 A i obciążeniu 4.
Możliwe zmiany
Możliwość pracy równoległej stabilizatora LT3081 pozwala na rozszerzenie prądu wyjściowego powyżej 3 A, jeśli wymaga tego aplikacja. Dodatkowe wyjście napięciowe i prądowe można utworzyć przez zgrupowanie połączonych równolegle LT3081 z oddzielnymi obwodami sprzężenia zwrotnego LT8612 i wstępnej regulacji dla każdej grupy.
Ewaluacja układu
Moduł EVAL-CN0508-RPIZ został przetestowany na Raspberry Pi Zero. Pełne informacje na temat szczegółów konfiguracji i inne ważne informacje można znaleźć w Podręczniku użytkownika CN0508.
Potrzebny sprzęt:
* Płytka ewaluacyjna EVAL-CN0508-RPIZ
* Zasilacz Globtek TR9CR3000T00-IM (R6B)
* Raspberry Pi zero W
* Wyświetlacz HDMI
* Kabel HDMI
* Karta SD o pojemności 8 GB lub większej z obrazem KuiperLinux od ADI
* Różne rezystory mocy, obciążenie elektroniczne lub obwód testowy o znanym poborze energii
* Multimetr
* Opornik 4 Ω o mocy 50 W
Pierwsze kroki
Rozpocząć należy od załadowania obrazu systemu dla CN-0508 na kartę SD dla Raspberry Pi postępując zgodnie z instrukcjami w Podręczniku użytkownika CN-0508.
Funkcjonalny schemat blokowy
Rysunek 12 przedstawia schemat blokowy układu testowego.
Rys.12. Schemat blokowy układu, wraz z zewnętrznymi elementami do testów.
Konfiguracja i test
1. Zainstaluj Raspberry Pi Zero W na odwrocie 40-pinowego złącza CN-0508.
2. Nagraj na kartę SDcard Analog Devices Kuiper Linux do korzystania z zasilaczem CN-0508.
3. Włóż kartę SD do Raspberry Pi Zero W.
a. Podłącz klawiaturę i monitor.
b. Włącz zasilanie wejściowe.
4. Podczas uruchamiania systemu IIO scope uruchamia się automatycznie i pokazuje panel sterowania CN-0508, jak pokazano na rysunku 13.
5. Podłącz multimetr do wyjścia CN-0508.
6. Ustaw potencjometr regulacji prądu wyjściowego na maksimum (całkowicie zgodnie z ruchem wskazówek zegara), a potencjometr napięcia na zero (całkowicie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara).
7. Ustaw DAC na żądane napięcie wyjściowe, zwracając uwagę, że wyjście pozostaje zerowe.
Obracaj potencjometr regulacji napięcia zgodnie z ruchem wskazówek zegara, obserwując, że napięcie wyjściowe rośnie aż do osiągnięcia wartości zadanej przez DAC.
8. Podłącz rezystor 4 Ω, 50 W do wyjścia.
9. Ustaw napięcie wyjściowe na 8 V (prąd wyjściowy powinien wynosić 2 A).
10. Zredukuj kontrolę ograniczenia prądowego, aż prąd wyjściowy osiągnie wartość 1 A, wskazując, że obwód wszedł w tryb prądu stałego. Dalsze zmniejszenie rezystancji obciążenia lub całkowite zwarcie wyjścia nie ma wpływu na prąd wyjściowy.
Rys.13. Interfejs oprogramowania IIO.
Bardziej szczegółowa instrukcja obsługi EVAL-CN0508-RPIZ jest dostępna na stronie Analog Devices lub jej Wiki. Przeczytaj tę instrukcję obsługi, aby poznać wszystkie aspekty obsługi sprzętu i oprogramowania.
W tym artykule przeprowadziliśmy pierwsze uruchomienie i test modułu.
Dodatkowo przygotowaliśmy z testów materiał wideo:
Moduł zasilacza można kupić tutaj:
https://www.arrow.com/en/products/eval-cn0508-rpiz/analog-devices
Źródło: materiały firmy Analog Devices
Układ CN-0508 opracowany i produkowany przez Analog Devices to zasilacz warsztatowy wykorzystujący Raspberry Pi Zero do sterowania. Schemat tego systemu pokazano na rysunku 1. Zasilacz ten ma moc maksymalną równą 75 W. Posiada stabilizowane wyjście o napięciu od 0 V do 27,5 V z maksymalnym prądem wyjściowym do 3 A. Układ może pracować w trybie stabilizacji napięcia lub prądu, zależnie od jego ustawień.
Rys.1. Schemat blokowy zasilacza CN-0508 firmy Analog Devices
Dzięki złączu rozszerzeń, kompatybilnemu z Raspberry Pi, możliwe jest sterowanie zasilaczem za pośrednictwem ekranu dotykowego podłączonego do komputera jednopłytkowego lub poprzez bezprzewodowe lub kablowe połączenia sieciowe. Napięcie wyjściowe może być kontrolowane ręcznie lub za pomocą oprogramowania, a ręczna regulacja ograniczenia prądowego konfiguruje przejście od pracy w trybie stabilizacji napięcia do pracy ze stałym prądem.
Zasilacz stabilizowany charakteryzuje się hybrydową architekturą, łączącą w sobie przetwornicę typu buck i liniowy stabilizator napięcia. Zapewnia to niskie tętnienia wyjściowe przy niskiej pojemności wyjściowej, doskonałą reakcję na zmiany obciążenia, stabilizację od 0 V i 0 A oraz niskie straty mocy, które eliminują potrzebę stosowania radiatorów. Kompletne rozwiązanie jest tanie, kompaktowe i łatwe w konfiguracji do samodzielnej pracy lub integracji z innymi urządzeniami.
Opis układu
CN-0508 zapewnia niedrogie, stabilizowane źródło zasilania o parametrach porównywalnych z zasilaczami komercyjnymi. W jego projekcie zastosowano hybrydową topologię – wstępnego stabilizatora impulsowego typu buck oraz dwóch precyzyjnych stabilizatorów liniowych, które połączono równolegle, aby zwiększyć ich wydajność prądową. Topologia taka łączy w sobie wysoką wydajność energetyczną przetwornicy typu buck i niski poziom szumów wyjściowych, niskie tętnienia i regulowane ograniczenie prądu stabilizatorów liniowych.
Żaden radiator inny niż sama płytka drukowana nie jest wymagany dla tej konstrukcji, w przeciwieństwie do typowych liniowych zasilaczy warsztatowych, w których urządzenia przejściowe (na ogół dyskretne tranzystory lub scalone stabilizatory liniowe) wymagają zewnętrznych radiatorów, aby wystarczająco rozproszyć ciepło.
Kluczowe elementy zasilacza
Przetwornica Buck LT8612
Pierwszym elementem konstrukcji CN-0508 jest synchroniczna przetwornica typu buck LT8612. Przetwornica - zasilacz impulsowy obniżający napięcie - skutecznie redukuje wyższe napięcie DC. Przetwornica ta zapewnia również niskie rozpraszanie mocy i wysoką gęstość mocy w niewielkiej obudowie, w porównaniu z liniowymi stabilizatorami mocy o podobnej zdolności prądowej.
Wejście zasilania do systemu wyposażone jest w kondensator filtrujący o pojemności 32 μF przed wejściem na przetwornicę buck. LT8612 obniża nominalne napięcie wejściowe 30 V do napięcia w przybliżeniu o 1,7 V większego niż wyjście z zasilacza - nieco powyżej minimalnego wymaganego zapasu napięcia (1,5 V) dla LT3081. Utrzymywanie spadku napięcia na stabilizatorach LT3081 tuż przy tej granicy minimalizuje rozpraszanie mocy i eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych radiatorów.
Rys.2. Wydajność i utrata mocy w funkcji prądu obciążenia dla zasilacza warsztatowego DC przy zasilaniu 36 V dla różnych warunków pracy.
Rysunek 2 pokazuje sprawność i straty mocy kompozytowego stabilizatora, pokazując, że najgorsza całkowita utrata mocy wynosi 7 W, co pozwala na swobodne chłodzenie konwekcyjne systemu, gdy płytka znajduje się na wolnym powietrzu i wymaga tylko małego wentylatora po umieszczeniu modułu w obudowie.
Zwykle przetwornica buck stabilizuje swoje napięcie wyjściowe w oparciu o dzielnik sprzężenia zwrotnego w taki sposób, że:
$$V_{OUT} = V_{FB} \times (1 + \frac {R_{HIGH}} {R_{LOW}} \qquad (1)$$
gdzie VFB wynosi 970 mV w przypadku LT8612. CN-0508 ma zmodyfikowaną ścieżkę sprzężenia zwrotnego, która reguluje moc wyjściową stopnia buck do stałego 1,7 V powyżej sygnału wyjściowego następnego stopnia, jak pokazano na rysunku 3.
Rys.3. Pętla sprzężenia zwrotnego stabilizatora wstępnego układu.
Podczas stabilizacji prąd o natężeniu 194 μA musi przepływać przez opornik R6 tak, aby pin FB mierzył napięcie równe 970 mV. Następnie napięcie równe 0,85 V (194 μA × 1 kΩ + VBE) jest przykładane wraz z VPRE na bazę Q1, wymagając, aby VPRE było 2 × 0,85 V powyżej VOUT tak, aby napięcie 0,85 V rejestrowane było na opornikach R8 i R9.
Stabilizatory liniowe LT3081
Po stopniu buck w układzie znajdują się dwa stabilizatory liniowe LT3081. LDO zapewniają stałe napięcie wyjściowe DC, niezależnie od zmian prądu obciążenia lub napięcia wejściowego, poprzez obniżenie napięcia na tranzystorze przejściowym w układzie. Stabilizatory liniowe są często używane na wyjściach przetwornic buck w celu tłumienia tętnień zasilacza impulsowego przy minimalnej utracie sprawności energetycznej. Układy tego rodzaju też mogą być bardzo wydajne, jeśli napięcie wyjściowe jest bliskie napięciu wejściowemu, ale nie poniżej napięcia wymaganego do utrzymania stabilizacji (tzw. zapas napięcia, jest on zależny od konkretnego układu scalonego i można odczytać go z jego karty katalogowej).
Funkcje LT3081 obejmują m.in. ochronę przeciwzwarciową, zabezpieczenie przed odwrotnym napięciem, a także zabezpieczenie termiczne (z histerezą) i ochroną układu przed wyjściem z bezpiecznego obszaru roboczego (SOA). Zakres SOA dla LT3081 został rozszerzony, umożliwiając stosowanie w trudnych warunkach przemysłowych i motoryzacyjnych, gdzie duże, nieprzewidywalne skoki napięcia wejściowego prowadzą do dużych strat mocy.
Rys.4. Równoległe łączenie stabilizatorów LT3081.
LT3081 zawiera również regulowaną funkcję ograniczania prądu lub pracy w trybie stabilizacji prądu, umożliwiając obwodowi na rysunku 1 działanie w trybie stałego napięcia lub stałego prądu wyjściowego. Wewnętrzny wzmacniacz mierzący prąd mierzy prąd wyjściowy i wyprowadza prąd proporcjonalny - ILOAD/5000 - na pinie IMON, jak pokazano na rysunku 5, który z kolei jest zmieniany na sygnał 200 mV/A przez rezystor 1 kΩ. Podobnie, wewnętrzny czujnik temperatury mierzy temperaturę układu i generuje prąd o wartości 1 μA/°C, który jest ponownie zmieniany na napięcie o nachyleniu 1 mV/°C przez rezystor 1 kΩ.
Co więcej, LT3081 ma wyjątkową możliwość łatwego łączenia równoległego w celu uzyskania wyższego prądu wyjściowego, jak pokazano na rysunku 4. Wszystkie odpowiadające sobie piny między dwoma LT3081 są połączone razem, z wyjątkiem pinów OUT, które wymagają oporników balastowych o rezystancji 10 mΩ do dokładnego podziału prądu. W ten sposób prąd jest równo sumowany z obu wyjść napięciowych przy minimalnym wpływie na dokładność napięcia wyjściowego.
Zasilanie dla platformy Raspberry Pi
Synchroniczny stabilizator impulsowy buck LT8609 jest zasilany bezpośrednio z gniazda wejściowego. Dostarcza napięcie 5 V do 3 A do płytki platformy Raspberry Pi, układu LTC1983-5 i obwodów sterujących wentylatorem. Prąd wyjściowy jest również wystarczający do zasilania większości ekranów dotykowych kompatybilnych z Raspberry Pi i innych urządzeń peryferyjnych, eliminując potrzebę dodatkowego źródła zasilania.
Sterowanie i diagnostyka
Kontrola ograniczenia prądu wyjściowego
Ograniczenie prądu EVAL-CN0508-RPIZ od 0 A do 3 A jest ustawiane potencjometrem podłączonym między wyjściem a pinami LT3081 ILIM. Funkcja ograniczenia prądu LT3081 jest skonfigurowana na zakres regulacji od zera do 3 A (nominalnie). Podczas gdy ograniczenie prądu nie jest programowalne software'owo, stosowany jest potencjometr podwójny, umożliwiający odczytanie zadanej wartości ograniczenia prądu w oprogramowaniu na Raspberry Pi.
Kontrola napięcia wyjściowego
Napięcie wyjściowe z zasilacza jest stabilizowane przez pin SET w LT3081. Na rysunku 5 pin SET jest nieodwracającym wejściem wzmacniacza błędu i ustawia punkt pracy urządzenia. Napięcie podłączone do pinu SET staje się punktem odniesienia dla wzmacniacza błędu i napięcia wyjściowego na LT3081.
Rys.5. Schemat blokowy układu LT3081.
LT3081 zapewnia precyzyjny prąd odniesienia równy 50 μA z pinu SET, który może być użyty do ustawienia napięcia wyjściowego poprzez podłączenie stałego lub regulowanego rezystora od pinu SET do masy. Jednak pin SET może być również zasilany bezpośrednio ze źródła napięcia tak, że LT3081 działa jako precyzyjny stopień mocy o wzmocnieniu jednostkowym.
Stabilizowane napięcie wyjściowe od 0 V do 27,5 V z EVAL-CN0508-RPIZ można ustawić ręcznie za pomocą potencjometru 5 kΩ lub cyfrowo za pomocą przetwornika cyfrowo-analogowego AD5683R (DAC), poprzez precyzyjny analogowy układ AND pokazany na rysunku 6.
Rys.6. Analogowa realizacja funkcji AND.
Napięcie wyjściowe z przetwornika cyfrowo-analogowego i suwaka potencjometru osiąga od zera dp 2,5 V. Podłączone jest do wejść dwóch wzmacniaczy operacyjnych LT6015, każdy z nieodwracającym wzmocnieniem równym 11. Jeśli VDAC > VPOT, dioda na wyjściu A2 jest spolaryzowana w kierunku zaporowym, podczas gdy dioda na wyjściu A1 przewodzi, a VSET osiąga napięcie VPOT × 11.
Analogicznie jest, jeśli VPOT > VDAC. Analogowy obwód AND sprowadza napięcie wyjściowe do niższego z napięć wyjściowych między przetwornikiem cyfrowo-analogowym a potencjometrem. Taka konfiguracja umożliwia sterowanie ręczne jako zabezpieczenie przed przepięciem w trybie sterowania elektronicznego. Podobnie oprogramowanie dostarczane przez Analog Devices ma również możliwość wyłączania lub sekwencjonowania wyjścia napięcia w trybie sterowania ręcznego.
Należy pamiętać, że wiele wzmacniaczy operacyjnych nie może tolerować dużej różnicy napięć między wejściami. Obwód ten wykorzystuje wyjątkową zdolność LT6015 do tolerowania dużej różnicy napięć pomiędzy jego wejściami bez uszkodzeń lub bez pobierania dużego prądu zasilania.
Źródło prądowe układu LT3092 jest ustawione na 2 mA. Steruje ono wyjściem obwodu analogowego AND, zapewniając, że D1 lub D2 są spolaryzowane do przodu, aby utrzymać sprzężenie zwrotne.
LT6015 może bezpośrednio sterować obciążeniem do 200 pF; dodanie sieci tłumiącej składającej się z kondensatora 0,22 μF połączonego szeregowo z rezystorem 150 Ω pozwala wzmacniaczowi operacyjnemu sterować kondensatorem filtrującym o pojemności 0,02 μF na pinach SET układu LT3081.
Stabilizacja 0 V i ograniczenie do 0 A
Tak długo, jak z wyjścia pobierany jest minimalny prąd obciążenia 5 mA, minimalne napięcie wyjściowe 0 V jest gwarantowane przez LT3081. Spadek prądu poniżej 8 mA z lekko ujemnym napięciem wejściowym jest realizowany z pomocą tranzystora NPN i regulatorem pompy ładunku LTC1983-5. Co więcej, ujemne zasilanie jest również wykorzystywane jako źródło zasilania dla obwodów wzmacniacza operacyjnego LT6015, umożliwiając pracę przy poziomie masy.
Dopóki rezystor ILIM ma poniżej 200 Ω, minimalny prąd graniczny 0 A tego zasilania jest gwarantowany przez LT3081. Mały rezystor 100 Ω jest umieszczony szeregowo z potencjometrem ILIM, aby zmaksymalizować zakres jego obrotu i nadal gwarantować zerowy prąd, gdy dwa regulatory są używane równolegle.
Diagnostyka systemu
24-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy typu sigma-delta AD7124-4 zapewnia odczyt pomiaru napięcia i prądu wyjściowego, a także kilku innych parametrów diagnostycznych. Podsumowanie mierzonych parametrów przedstawiono w tabeli poniżej.
| Wejście układu AD7124-4 | Parametr | Jednostka / współczynnik skalowania |
| AIN0 | Monitor temperatury U2 - LT3081 | 1 mV/ºC |
| AIN1 | Monitor temperatury U3 - LT3081 | 1 mV/ºC |
| AIN2 | Monitor prądu wyjściowego | 200 mV/A |
| AIN3 | Napięcie zasilania | 14,33 V/V |
| AIN4 | Napięcie wyjściowe | 10.52 V/V |
| AIN5 | Pozycja potencjometra ograniczenia prądowego | (0 V do 2.5 V = 0% do 100%) |
| AIN6 | Pozycja potencjometra napięcia | (0 V do 2.5 V = 0% do 100%) |
| AIN7 | Wyjście wstępnego stabilizatora impulsowego | 14.33 V/V |
Podstawowe pomiary używane podczas normalnej pracy to napięcie i prąd wyjściowy, z których obydwa są mierzone przez przetwornik ADC.
Wartość zadana ograniczenia prądowego jest estymowana na podstawie położenia potencjometru ograniczenia prądu, mierzonego drugim kanałem potencjometra w układzie. Ta konfiguracja umożliwia programowe wyświetlanie wartości zadanej ograniczenia prądu i ostrzeżenie, jeśli zmierzony prąd wyjściowy zbliża się do tej wartości zadanej.
Podobnie jak w przypadku wartości zadanej ograniczenia prądu, wartość zadana napięcia jest odczytywana z położenia drugiego potencjometra w urządzeniu. Ta informacja może być wykorzystana przez oprogramowanie Analog Devices do oznaczenia ostrzeżenia, jeśli napięcie wyjściowe jest zbyt niskie (co wskazuje na przeciążenie) lub zbyt wysokie (wskazując, że obciążenie kieruje prąd wsteczny do zasilacza).
Mierzone są również piny monitora temperatury obu urządzeń LT3081. Chociaż rozpraszanie mocy jest utrzymywane na niskim poziomie w układach LT3081, stan przegrzania może wynikać z pracy przy dużych prądach i ograniczonym przepływie powietrza. Inne pomiary służą do celów diagnostycznych i mogą być wykorzystywane przez oprogramowanie do wykrywania stanów awarii. Na przykład oprogramowanie może wyświetlać ostrzeżenie, jeśli napięcie wejściowe spadnie poniżej 28 V lub jeśli napięcie wstępnej regulacji LDO spadnie poniżej 1,6 V powyżej wartości wyjściowej; każdy z tych warunków może wskazywać na awarię zasilania wejściowego lub samego modułu CN-0508.
Obwód sterowania wentylatorem
CN-0508 zawiera automatyczny obwód sterowania wentylatorem, który steruje wentylatorem 5 V, < 1 A. ADCMP392 porównuje dwa sygnały temperatury LT3081 z napięciem odniesienia 60 mV. Wyjścia komparatorów są połączone z bramką AND w taki sposób, że jeśli którykolwiek z dwóch LT3081 osiągnie 60°C, wyjście 5 V jest załączane.
Rys.7. Układ sterowania wentylatorem.
Parametry systemu
Stabilizacja obciążenia
W idealnym przypadku napięcie wyjściowe zasilacza powinno pozostać stałe niezależnie od obciążenia. Rysunek 8 pokazuje, że stabilizacja napięcia na obciążeniu przez CN-0508 mieści się w granicach 20 mV, gdy prąd obciążenia wzrasta od zera do 2,5 A, co odpowiada impedancji wyjściowej około 8,8 mΩ.
Rys.8. Napięcie wyjściowe w funkcji prądu wyjściowego
Przejście ze stabilizacji napięcia do stabilizacji prądu
Rysunek 9 pokazuje przejście CN-0508 z trybu stałego napięcia do trybu prądu stałego, gdy wyjście zostaje zwarte. Początkowe napięcie wyjściowe wynosi 25 V, a rezystancja obciążenia 25 Ω. Wyjście jest następnie zwarte, a prąd wyraźnie spada do zera w mniej niż 200 μs, ponieważ bardzo mała pojemność znajduje się na wyjściu układu (60 μF). Ta pojemność jest o rząd wielkości mniejsza niż pojemność wyjściowa większości komercyjnych źródeł zasilania, co skutkuje odpowiednio mniejszą zmagazynowaną energią, która musi zostać rozproszona podczas zwarcia. Następnie prąd wyjściowy wzrasta do wartości zadanej przez ograniczenie prądu 2,75 A, gdy pętla stabilizacji prądu LT3081 wchodzi w tryb stabilizacji prądu 2,5 ms później.
Rys.9. Ograniczenie prądowe w zakresie od 1 A do 2,75 A
Reakcja na skok jednostkowy obciążenia
Rysunek 10 przedstawia odpowiedź przejściową układu CN-0508 w reakcji na skok jednostkowy prądu wyjściowego z 1 A do 2 A.
Rys.10. Odpowiedź na skok prądu od 1 A do 3 A przy napięciu wyjściowym 24 V i zasilaniu 30 V.
Wyjście jest początkowo ustawione na 25 V przy obciążeniu o impedancji 25 Ω. Po jakimś czasie dołączany do wyjścia jest drugi rezystor 25 Ω, co powoduje zwiększenie prądu.
Wydajność chłodzenia
Rysunek 11 pokazuje wzrost temperatury CN-0508, dostarczającego 2,75 A przy obciążeniu 4 Ω w trybie prądu stałego, z płytą umieszczoną poziomo, 2,5 cm nad stołem roboczym w nieruchomym powietrzu w temperaturze otoczenia 30°C. Nawet w tej celowo złej sytuacji termicznej maksymalna temperatura w LT3081s wynosi 92°C, znacznie poniżej maksymalnej temperatury roboczej 125°C. Kierowanie 40 mm, 0,2 metra sześciennego na minutę (m³/min) wentylator na całej płycie (jak i w obudowie) obniża maksymalną temperaturę do 70°C.
Rys.11. Termogram płytki EVAL-CN0508-RPIZ przy napięciu zasilającym 30 V, ograniczeniu prądowym 2,75 A i obciążeniu 4.
Możliwe zmiany
Możliwość pracy równoległej stabilizatora LT3081 pozwala na rozszerzenie prądu wyjściowego powyżej 3 A, jeśli wymaga tego aplikacja. Dodatkowe wyjście napięciowe i prądowe można utworzyć przez zgrupowanie połączonych równolegle LT3081 z oddzielnymi obwodami sprzężenia zwrotnego LT8612 i wstępnej regulacji dla każdej grupy.
Ewaluacja układu
Moduł EVAL-CN0508-RPIZ został przetestowany na Raspberry Pi Zero. Pełne informacje na temat szczegółów konfiguracji i inne ważne informacje można znaleźć w Podręczniku użytkownika CN0508.
Potrzebny sprzęt:
* Płytka ewaluacyjna EVAL-CN0508-RPIZ
* Zasilacz Globtek TR9CR3000T00-IM (R6B)
* Raspberry Pi zero W
* Wyświetlacz HDMI
* Kabel HDMI
* Karta SD o pojemności 8 GB lub większej z obrazem KuiperLinux od ADI
* Różne rezystory mocy, obciążenie elektroniczne lub obwód testowy o znanym poborze energii
* Multimetr
* Opornik 4 Ω o mocy 50 W
Pierwsze kroki
Rozpocząć należy od załadowania obrazu systemu dla CN-0508 na kartę SD dla Raspberry Pi postępując zgodnie z instrukcjami w Podręczniku użytkownika CN-0508.
Funkcjonalny schemat blokowy
Rysunek 12 przedstawia schemat blokowy układu testowego.
Rys.12. Schemat blokowy układu, wraz z zewnętrznymi elementami do testów.
Konfiguracja i test
1. Zainstaluj Raspberry Pi Zero W na odwrocie 40-pinowego złącza CN-0508.
2. Nagraj na kartę SDcard Analog Devices Kuiper Linux do korzystania z zasilaczem CN-0508.
3. Włóż kartę SD do Raspberry Pi Zero W.
a. Podłącz klawiaturę i monitor.
b. Włącz zasilanie wejściowe.
4. Podczas uruchamiania systemu IIO scope uruchamia się automatycznie i pokazuje panel sterowania CN-0508, jak pokazano na rysunku 13.
5. Podłącz multimetr do wyjścia CN-0508.
6. Ustaw potencjometr regulacji prądu wyjściowego na maksimum (całkowicie zgodnie z ruchem wskazówek zegara), a potencjometr napięcia na zero (całkowicie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara).
7. Ustaw DAC na żądane napięcie wyjściowe, zwracając uwagę, że wyjście pozostaje zerowe.
Obracaj potencjometr regulacji napięcia zgodnie z ruchem wskazówek zegara, obserwując, że napięcie wyjściowe rośnie aż do osiągnięcia wartości zadanej przez DAC.
8. Podłącz rezystor 4 Ω, 50 W do wyjścia.
9. Ustaw napięcie wyjściowe na 8 V (prąd wyjściowy powinien wynosić 2 A).
10. Zredukuj kontrolę ograniczenia prądowego, aż prąd wyjściowy osiągnie wartość 1 A, wskazując, że obwód wszedł w tryb prądu stałego. Dalsze zmniejszenie rezystancji obciążenia lub całkowite zwarcie wyjścia nie ma wpływu na prąd wyjściowy.
Rys.13. Interfejs oprogramowania IIO.
Bardziej szczegółowa instrukcja obsługi EVAL-CN0508-RPIZ jest dostępna na stronie Analog Devices lub jej Wiki. Przeczytaj tę instrukcję obsługi, aby poznać wszystkie aspekty obsługi sprzętu i oprogramowania.
W tym artykule przeprowadziliśmy pierwsze uruchomienie i test modułu.
Dodatkowo przygotowaliśmy z testów materiał wideo:
Moduł zasilacza można kupić tutaj:
https://www.arrow.com/en/products/eval-cn0508-rpiz/analog-devices
Źródło: materiały firmy Analog Devices
Cool? Ranking DIY
