Vezalna shema nastavljivega pretvornika LDO [7]

Enaˇcba (4.1) opisuje izhodno napetost U₂₀ nastavljivega pretvornika LDO:

U₂₀ =

pri ˇcimerU_REF predstavlja referenˇcno napetost pretvornika, ki je podana s strani proizvajalca in jo najdemo v podatkovnem listu. R₁inR₂predstavljata nastavljiv uporovni delilnik, s katerim lahko nastavljamo ˇzeleno izhodno napetost.

26 Napetostni pretvorniki

Pri uporabi pretvornika LDO v vezjih moramo biti pozorni na izkoristek, na to, koliko moˇci se porabi na samem pretvorniku ter ali ima zagotovljeno zadostno odvajanje toplote. Moˇc, ki se troˇsi na samem pretvorniku LDO, lahko izraˇcunamo po enaˇcbi (4.2):

P_IZG = (U₁₀−U₂₀)I₂₀+U₁₀I_Q (4.2) pri ˇcimer je I_Q tok puˇsˇcanja in predstavlja tok, ki ga porablja LDO za delo-vanje notranjega vezja. Izkoristek lahko izraˇcunamo po enaˇcbi (4.3):

η= P10−PIZG

P₁₀ (4.3)

pri ˇcimer je P₁₀ vhodna moˇc v pretvornik in se izraˇcuna kot produkt vhodne napetosti in toka po enaˇcbi (4.4):

P₁₀ =U₁₀I₁₀ (4.4)

V naˇcinu obratovanja pa lahko za poenostavitev raˇcunanja zanemarimo pri-spevek toka puˇsˇcanjaI_Q, saj je ta v primerjavi z bremenskim tokom, ki teˇce preko pretvornika, zelo majhen in zanemarljivo prispeva k skupni porabi moˇci. S tem se je enaˇcba (4.2) poenostavila v enaˇcbo (4.5):

PIZG = (U10−U20)I20 (4.5) S tem pa se tudi izraˇcun izkoristka pretvornika moˇcno poenostavi, in sicer ga lahko izraˇcunamo po enaˇcbi (4.6) [9]:

η= U₂₀

U₁₀ (4.6)

Napetostni pretvorniki LDO se v praksi uporabljajo, ko potrebujemo eno-staven pretvornik majhnih prestav. Pogosto se na tiskanih vezjih uporablja za generiranje reguliranih 3,3 V za napajanje procesorjev in drugih ˇcipov. V pri-merjavi s stikalnimi regulatorji tudi ne proizvajajo neˇzelenih viˇsjih harmonskih

4.2 Stikalni pretvorniki 27

ˇsumov zaradi preklapljanja. Seveda pa se za veˇcje napetostne prestave in veˇcje bremenske toke uporabljajo izkljuˇcno stikalni pretvorniki.

4.2 Stikalni pretvorniki

Stikalni pretvorniki so ˇze skoraj v celoti prevzeli podroˇcje napetostnih regula-torjev, saj v primerjavi s klasiˇcnimi linearnimi napetostnimi regulatorji ponujajo kar nekaj kljuˇcnih izboljˇsav, ki jih narekuje razvoj moderne elektronike. Sti-kalni pretvorniki imajo zaradi njihovega naˇcina delovanja zelo dobre izkoristke, ki lahko dosegajo vrednosti, viˇsje od 95 %. V primerjavi z linearnimi pretvorniki pa potrebujejo nekoliko veˇc perifernih elementov za pravilno delovanje.

Poznamo izolirane in neizolirane stikalne pretvornike. Izolirani pretvorniki imajo vhodno in izhodno stopnjo galvansko loˇceno. Za galvansko loˇcitev so upo-rabljeni transformatorji. Najznaˇcilnejˇsi predstavnik takih pretvornikov je pre-tvornik tipa ’flyback’. Ker sam prepre-tvornik ni uporabljen v procesu nastajanja magistrskega dela, mu ne bomo posvetili veˇc pozornosti.

V veˇcini nizkonapetostnih aplikacij pa se uporabljajo neizolirani stikalni pre-tvorniki, ki uporabljajo le eno tuljavo za hranjenje energije. Poznamo veˇc osnov-nih tipov neizoliraosnov-nih pretvornikov:

• pretvornik navzdol (angl. Buck Converter)

• pretvornik navzgor (angl. Boost Converter)

• pretvornik navzdol/navzgor (angl. Buck/Boost Converter)

Obstaja ˇse veliko posebnih izvedb neizoliranih pretvornikov, ki pa jih v sklopu naloge ne bomo podrobneje opisovali.

Za linearne napetostne pretvornike smo povedali, da imajo lahko na izhodu le manjˇso napetost kot na vhodu. To ne velja za stikalne pretvornike, saj jih lahko tako oblikujemo, da imajo napetostno prestavo navzgor. Gotovo pa stikalni pretvornik navzdol spada med najbolj uporabljene. Zgradba in delovanje takega pretvornika je opisano v nadaljevanju.

28 Napetostni pretvorniki

4.2.1 Stikalni pretvornik navzdol - Buck

Glavna komponenta stikalnega pretvornika navzdol je tranzistor, ki deluje kot aktivno stikalo in je na vratih kontroliran s signalom PWM (angl. Pulse Width Modulation). Poleg tranzistorja pa osnovni stikalni pretvornik tvorijo ˇse duˇsilka, dioda in kondenzator.

Tranzistor je lahko katere koli tehnologije, ampak se zaradi potrebe po visokih frekvencah preklopa v veˇcini primerov uporabljajo tranzistorji MOS. Tranzistor mora vzdrˇzati tudi morebitne napetostne ˇspice, ki jih povzroˇci duˇsilka. Velikost tranzistorja je odvisna od zahtevanega maksimalnega bremenskega toka. Danda-nes se frekvenca preklopa tranzistorja poveˇcuje, posledica tega pa je ˇzelja po ˇcim manjˇsih pretvornikih. Z veˇcanjem frekvence preklopa namreˇc vplivamo tudi na zmanjˇsanje valovitosti izhodne napetosti in zato potrebujemo manjˇse kondenza-torje za glajenje. Zavedati pa se moramo, da obstajajo tudi zgornje meje hitrosti preklapljanja, saj se pri zelo velikih frekvencah lahko pojavijo magnetne izgube v duˇsilki in izgube v preklopnih elementih [20].

Slika 4.4: Vezalna shema osnovne zgradbe stikalnega pretvornika navzdol [8].

4.2.1.1 Stanje zaprtega stikala

V trenutku, ko sklenemo tranzistor, steˇce tok skozi tuljavo v kondenzator in breme. Iz osnovnega zakona induktivnosti vemo, da se tok skozi tuljavo ne more v trenutku spremeniti. Iz osnovne relacije med napetostjo in spremembo toka v tuljavi (4.7) lahko z integriranjem izrazimo ˇse relacijo med tokom in spremembo napetosti (4.8):

4.2 Stikalni pretvorniki 29 pri ˇcimer je u_L napetost na tuljavi, i_on tok v tuljavi v ˇcasu, ko je tranzistor sklenjen, in L lastna induktivnost tuljave.

i_L= 1 L

∫︂ ton

0

u_Ldt+i_L(0) (4.8)

Na shemi 4.5 je prikazano stanje vezja v primeru, ko je tranzistor sklenjen.

Tok teˇce preko tranzistorja, skozi tuljavo v kondenzator in breme. Dioda je v tem primeru zaporno polarizirana in si jo lahko predstavljamo kot odprte sponke.

Tako lahko s sheme 4.5 zapiˇsemo enaˇcbo (4.9) napetostne zanke vezja:

u₂ =u₁ −u_L=u₁−u_Ldi_L

dt_on (4.9)

pri ˇcimer smo zaradi laˇzjega raˇcunanja zanemarili padec napetosti na tranzi-storju.

Slika 4.5: Stanje vezja pri zaprtem tranzistorju [8].

4.2.1.2 Stanje odprtega stikala

V trenutku, ko razklenemo tranzistor, tok skozi njega ne teˇce veˇc in vhodna napetost je odklopljena od ostalega vezja pretvornika. Tok skozi tuljavo ne more

30 Napetostni pretvorniki

hipno postati niˇc. Tuljava se namreˇc upira spremembi toka in tedaj se na njej polariteta napetosti obrne. Zaradi obrnjene polaritete tuljave, ki sedaj deluje v generatorskem naˇcinu, postane tudi dioda prevodna. Glej shemo 4.6. Tako steˇce nakopiˇcena magnetna energija tuljave ˇcez breme in preko diode sklene napetostno zanko (4.10):

u2 =−uL=−uL

di_L

dt_{of f} (4.10)

Slika 4.6: Stanje vezja pri odprtem tranzistorju.

4.2.1.3 Stacionarno stanje

Na sliki 4.7 vidimo skiciran potek tokov znotraj enega preklopa med obema sta-njema tranzistorja. Ekvivalenten enosmerni tok na bremenu je tako enak pov-preˇcnemu toku, ki teˇce skozi tuljavo:

I_L = ILmax+ILmin

2 (4.11)

V stacionarnem stanju mora biti sprememba energije v tuljavi enaka med stanjema odprtega in zaprtega tranzistorja. Torej mora veljati enakost (4.12):

E_on =E_{of f} = 1

2 i²L (4.12)

4.2 Stikalni pretvorniki 31

Slika 4.7: Skica tokov v tuljavi v odvisnosti od stanja tranzistorja.

Iz enaˇcbe (4.12) je razvidno, da je energija, shranjena v tuljavi, odvisna od induktivnosti same tuljave in od kvadrata toka skozi tuljavo. Enakost lahko poenostavimo in za laˇzje raˇcunanje enaˇcimo le spremembi tokov v obeh stanjih, saj se induktivnost tuljave ne spreminja. Iz tega sklepanja sledi:

| ∆I_Lon|=| ∆I_{Lof f}| (4.13) Iz zanˇcne enaˇcbe za sklenjeno stanje (4.9) in enaˇcbe za razklenjeno stanje (4.10) izpostavimo diL, nato integriramo ter vstavimo v enaˇcbo (4.13). Po nekaj raˇcunskih korakih pridemo do poenostavljene relacije (4.14):

U₂ = ton

t_on+t_{of f}U₁ (4.14)

pri ˇcimer je U₂ izhodna napetost na bremenu, U₁ vhodna napetost, t_on ˇcas sklenjenega in t_{of f} ˇcas razklenjenega stikala. S slike 4.7 lahko vidimo, da nam seˇstevek obeh ˇcasov predstavlja ravno eno periodo T. Enaˇcbo (4.14) lahko torej ˇse poenostavimo, ˇce za seˇstevek ˇcasov vstavimo periodo in tako dobimo:

U₂ =DU₁ (4.15)

pri ˇcimer namDpredstavlja delovni cikel (angl. duty cycle) krmilnega signala PWM tranzistorja. Iz tega sledi, da je izhodna napetost stikalnega pretvornika navzdol odvisna zgolj od ˇsirine delovnega cikla krmilnika PWM, ki odpira in zapira tranzistor.

32 Napetostni pretvorniki

Stikalni pretvorniki lahko delujejo v dveh naˇcinih, in sicer v prekinjenem in neprekinjenem stanju delovanja. Ta delitev se nanaˇsa na obliko oziroma stanje toka skozi posamezen cikel. V neprekinjenem delovanju vrednost toka v tuljavi nikoli ne pade na niˇcelno vrednost znotraj ene periode. V prekinjenem stanju pa tok zaˇcne cikel z niˇcelno vrednostjo, po ˇcasu t_on doseˇze maksimalno vrednost, nato pade spet na niˇcelno vrednost in do naslednjega cikla tam tudi ostane. V veˇcini primerov si ˇzelimo, da stikalni pretvornik deluje v neprekinjenem stanju, saj s tem prenaˇsamo ˇcimveˇc energije z vhodne strani preko tuljave na breme [8].

Slika 4.8: Skica tokov v neprekinjenem in prekinjenem delovanju.

5 Zasnova vezja

5.1 Napajalni del

5.1.1 Vhodni del

Za vhodni konektor v vezje in hkrati vhodni konektor v sam baterijski modul smo izbrali 19-pinski konektor Souriau iz serije 8D. Gre za izjemno trpeˇzen in zanesljiv konektor, ki je posebej namenjen uporabi v letalstvu in v vojaˇskih aplikacijah.

Preko konektorja poveˇzemo vezje z zunanjim 28-voltnim napajanjem, ki sluˇzi za napajanje samega vezja in hkrati za napajanje preostalega dela baterijskega mo-dula. Veˇc o tem sledi v poglavju 5.4.1. Poleg 28-voltne napajalne linije pa v vezje z istim konektorjem poveˇzemo tudi dve vodili CAN, ki sluˇzita za komunikacijo z zunanjimi enotami.

Slika 5.1: Konektor Souriau serije 8D.

Vhod v napajalno stopnjo je izveden s filtriranjem napetosti s pomoˇcjo kon-denzatorjev in z bipolarno TVS (angl. Transient Voltage Suppression) diodo D₄₁ z oznako 5KP75CA. V primeru, da se na vhodu pojavi prenapetostna ˇspica, ki 33

34 Zasnova vezja

je lahko posledica raznih razelektritev in prehodnih pojavov, dioda TVS zaˇsˇciti vezje. Deluje na pojavu plazovnega preboja. ˇCe napetost na diodi preseˇze delovno napetost diode, pride do omenjenega efekta, dioda zaˇcne prevajati [21]. Dioda tako predstavlja za zunanje vezje nizkoimpedanˇcni element in tako kratkostiˇci vso energijo napetostne ˇspice.

Takˇsna vrsta diode je bila izbrana, ker deluje hipno, v rangu nano- ali celo pikosekund. Poleg tega pa je pojav plazovnega preboja reverzibilen efekt in ne povzroˇca obrabe elementa. Tako se po prehodu napetostne ˇspice dioda vrne v visokoimpedanˇcno stanje, kjer za normalno delovanje ne prevaja.

Slika 5.2: Vezalna shema vhodne stopnje napajalnega dela vezja.

5.1.2 Prenapetostna zaˇsˇcita in omejevalec toka

Glavna komponenta prenapetostne in tokovne zaˇsˇcite je ˇcip LT4363-2 proizvajalca Analog Devices [22]. V osnovi gre za ˇcip, ki s pomoˇcjo zunanjega tranzistorja varuje breme pred napetostnimi ˇspicami in preko senzorskega upora tudi pred prevelikimi tokovnimi dogodki. Pin ˇcipa, imenovan GATE, je izhod internega gonilnika vrat za zunanji tranzistor MOSFET. Na vezju so zaradi moˇznosti veˇcjih tokov in poveˇcanja povrˇsine hlajenja vzporedno vezani trije tranzistorji MOSFET, na shemi oznaˇceni kot Q₁₀,Q₁₁ in Q₁₅.

Z integriranima komparatorjema je omogoˇcena detekcija prevelike napetosti (angl. overvoltage) in prenizke napetosti (angl. undervoltage). Omenjeni meji

5.1 Napajalni del 35

lahko nastavljamo preko zunanjih uporovnih delilnikov. Notranja komparatorja imata referenˇcno napetost na njunih pinih 1,275 V. Na shemi 5.3 vidimo upo-rovna delilnika, sestavljena iz uporov R₁₂₂,R₁₂₇ ter R₁₂₃, R₁₂₈. Vrednosti uporov so izraˇcunane tako, da nastavimo spodnjo napetostno mejo za vhodno napetost na 8,4 V, zgornjo napetostno mejo pa na 35,7 V. V primeru, ko se vhodna na-petost spusti pod mejo 8,4 V, se zunanji tranzistor zapre. Podobno velja, ko vhodna napetost prekoraˇci zgornjo mejo, postavljeno z delilnikom na pinu OV.

V primeru previsoke napetosti lahko pripnemo (angl. voltage clamp) napetost na vrednost, ki jo doloˇcimo ˇse z enim uporovnim delilnikom, in sicer na pinu FB. V prenapetostnem dogodku se na pinu FB interno vzdrˇzuje napetost 1,275 V. Z izbiro uporov R₁₁₈ in R₁₂₀ nastavimo pripenjalno napetost na izhodu med prenapetostnim dogodkom vhodne napajalne linije. V tem primeru so vrednosti omenjenih uporov izbrane tako, da imamo na izhodu 33,0 V.

Slika 5.3: Vezalna shema prenapetostne zaˇsˇcite.

Poleg zgoraj omenjenih napetostnih zaˇsˇcit pa gonilnik vrat MOSFET tranzi-storja krmili tudi pin SNS, ki meri tok s pomoˇcjo padca napetosti preko merilnega

36 Zasnova vezja

upora (angl. shunt resistor), na shemi oznaˇcenega kot R₁₀₅. V primeru, ko pa-dec napetosti na uporu preseˇze 50 mV, se sproˇzi tokovna zaˇsˇcita vezja, ki izklopi glavni tranzistor. Z izbiro vrednosti uporaR₁₀₅ = 5mΩ dobimo tokovno zaˇsˇcitno mejo pri 10 A.

Sam ˇcip lahko na svoji napajalni liniji prenese kratkotrajne prehodne pojave do napetosti 80 V. Za zaˇsˇcito integriranega vezja je dodan ˇse preprost stabilizator napetosti, realiziran z bipolarnim tranzistorjem Q₁₃ in diodo ZenerD₄₂. Izbrana dioda Zener ima prebojno napetost 68 V, kar pomeni, da v takˇsni vezavi s tranzi-storjem omeji napetost na napajalnem pinu integriranega vezja na vsoto prebojne napetosti diode in napetosti bazno-emitorskega spoja bipolarnega tranzistorja, ki ponavadi znaˇsa okoli 0.65 V. S tem enostavnim napetostnim stabilizatorjem smo obvarovali ˇcip pred visokonapetostnimi prehodnimi pojavi oziroma dogodki na napajalni liniji.

Poleg zgoraj omenjene zaˇsˇcite pa je v vezju dodana ˇse zaˇsˇcita pred nasprotno polarizirano napetostjo na napajalni liniji. V veˇcini primerov je ta preprosto izve-dena z zaˇsˇcitno blokirno diodo, a ima takˇsna enostavna reˇsitev kar nekaj slabosti, kot so veˇcji padec napetosti in dodatne izgube v obliki toplote. Zaradi omenje-nih razlogov je v vezju zaˇsˇcita pred nasprotno polarizirano napetostjo izvedena s pomoˇcjo dveh tranzistorjev, na shemi 5.3 oznaˇcenih kot Q₁₂ in Q₁₄.

5.1.3 Stikalni pretvornik

Velika veˇcina integriranih vezij potrebuje za napajanje 3,3 ali 5 V. Za napajalne potrebe samega vezja je uporabljen stikalni pretvornik navzdol proizvajalca Texas Instruments z oznako LM5160A [23]. Veˇc o principu delovanja takˇsnega pretvor-nika je opisano v poglavju 4.2. Gre za sinhroni stikalni pretvornik navzdol z integriranim tranzistorjem MOSFET za preklope ’low-side’. Tako ni potrebe po dodatni zunanji diodi, ki je potrebna za delovanje stikalnega pretvornika navzdol v fazi razklenjenega glavnega tranzistorja. Izbrani pretvornik ima velik inter-val mogoˇcih vhodnih napetosti in nastavljivo izhodno napetost preko zunanjega uporovnega delilnika. Najveˇcji izhodni tok tega stikalnega pretvornika znaˇsa 2 A.

V vezju opravlja nalogo pretvorbe 28-voltne vhodne napajalne linije v 5-voltno napetost, ki je potrebna za delovanje veˇcine integriranih ˇcipov na vezju.

5.1 Napajalni del 37

Slika 5.4: Vezalna shema stikalnega pretvornika navzdol.

38 Zasnova vezja

Izhodno napetost pretvornika 5 V nastavimo s pomoˇcjo zunanjega uporovnega delilnika R₁₁₁ in R₁₁₆. Razmerje med uporoma izraˇcunamo po enaˇcbi (5.1):

R₁₁₁

R₁₁₆ = U_IZH

U_REF −1 (5.1)

pri ˇcimer je U_REF referenˇcna napetost stikalnega pretvornika na pinu FB in tipiˇcno znaˇsa 2 V. Iz enaˇcbe (5.1) dobimo, da morata biti upora R₁₁₁ in R₁₁₆ v razmerju 3 : 2. Izbrali smo vrednosti R₁₁₁ = 3 kΩ in R₁₁₆ = 2 kΩ.

Za preklopno frekvenco pretvornika smo izbrali neko vmesno frekvenco 250 kHz. Po enaˇcbi (5.2) se doloˇci vrednost uporaR₁₀₆, s katerim se nastavlja delovna frekvenca pretvornika:

R_on= U_IZH

FSW ×10⁻10 (5.2)

pri ˇcimer je F_SW izbrana frekvenca preklapljanja, U_IZH ˇzelena izhodna nape-tost. Za te ˇzelene parametre dobimo vrednosti upora R₁₀₆ = 200 kΩ.

Naslednja pomembna komponenta stikalnega pretvornika je duˇsilka, na shemi oznaˇcena kot L₁₅. Velikost duˇsilke izraˇcunamo po enaˇcbi (5.3):

L₁₅ = U_IZH ×(U_{V H,max}−U_IZH)

U_{V H,max}×F_SW ×I_IZH,max×0.4 (5.3) pri ˇcimer smo upoˇstevali maksimalno moˇzno vhodno napetost U_{V H,max} = 35 V in najveˇcji predviden izhodni tok I_IZH,max = 1,5 A. Pri izraˇcunih v praksi upoˇstevamo valovitost izhodnega toka od 20 do 40 % maksimalnega izhodnega toka duˇsilke. Od tod nam v enaˇcbi koeficient 0,4. Po izraˇcunih dobimo najmanjˇso vrednost za duˇsilko L₁₅ = 28 µH. Da smo na varnem pred moˇznostjo veˇcje valovitosti, ponavadi izberemo nekoliko veˇcjo duˇsilko, v naˇsem primeru smo izbrali duˇsilko velikosti 47 µH.

Naslednji parameter, ki igra odloˇcilno vlogo pri izbiri ustrezne duˇsilke, je najveˇcji moˇzni tok, ki ˇse lahko steˇce skozi duˇsilko. Po enaˇcbi (5.4) lahko

5.1 Napajalni del 39

izraˇcunamo vrˇsne (angl. peak-to-peak) vrednosti valovitosti pri maksimalni moˇzni vhodni napetosti:

∆I_L= U_IZH ×(U_{V H,max} −U_IZH)

U_{V H,max}×F_SW ×L (5.4)

pri ˇcimer smo za vrednost duˇsilkeL₁₅izbrali 47µH. Za najveˇcjo moˇzno vrˇsno vrednost toka dobimo po enaˇcbi (5.4) vrˇsno vrednost ∆I_Lmax = 365 mA. Iz tega sledi izraˇcun najveˇcje moˇzne vrednosti toka, ki se lahko pojavi na izhodu:

I_Lmax =I_IZH,max+ ∆I_Lmax

2 (5.5)

Po zgornji enaˇcbi dobimo vrednost ILmax = 1,68 A. Ta podatek nam pomaga pri izbiri pravilne duˇsilke s pravilno vrednostjo nasiˇcenega toka duˇsilke. Izbrali smo duˇsilko proizvajalca Coilcraft z vrednostjo 47 µH iz serije MSS1038.

KondenzatorC131sluˇzi za napajanje notranjih logiˇcnih elementov pretvornika med stanjem, ko je glavni tranzistor pretvornika razklenjen. Kondenzator C109, tako imenovani kondenzator bootstrap, pa shranjuje prednapetost, potrebno za vklop vgrajenega tranzistorja MOS na pozitivni strani (angl. high-side). Vredno-sti obeh kondenzatorjev sta izbrani glede na priporoˇcila proizvajalca iz podatkov-nega lista.

Kondenzator C₁₂₄ doloˇca ˇcas tako imenovanega mehkega zagona (angl. soft start) pretvornika. To je ˇcas, ki ga bo pretvornik potreboval za vzpostavitev stabilne napetosti na izhodu. Gre za koristno funkcijo, s katero lahko zmanjˇsamo prehodne pojave in tokovne ˇspice pri zagonu pretvornika (angl. inrush current).

Uporovni delilnik na vhodni stopnji pretvornika, sestavljen iz uporov C₁₀₈ in C₁₁₃, implementira funkcijo ugaˇsanja stikalnega pretvornika, ˇce pade vhodna napetost pod doloˇcen nivo. Po enaˇcbi (5.6) lahko doloˇcimo vrednosti uporov za ˇ

40 Zasnova vezja

pri ˇcimer je U_{IN, meja} ˇzelena spodnja meja vhodne napetosti za prenehanje delovanja stikalnega pretvornika, UU V LO(T H) pa interna meja pretvornika za zau-stavitev delovanja in znaˇsa 1,24 V. Ko pade napetost na temu pinu ˇcipa pod to mejo, se pretvornik ugasne. Z uporovnim delilnikom smo implementirali funkcijo ugaˇsanja pretvornika, ko vhodna napetost pade pod 8 V. Po enaˇcbi (5.6) sledita vrednosti uporov R₁₀₈ = 130 kΩ in R₁₁₃ = 24 kΩ.

Stikalni pretvornik LM5160 za doloˇcanje ˇcasa, ko je signal PWM v visokem nivoju, in ˇcasa, ko je v nizkem nivoju, uporablja tako imenovano adaptivno kon-trolno funkcionalnost s konstantnim ˇcasom priˇzganega signala PWM (angl. adap-tive constant on-time (COT) control scheme). ˇCas priˇzganega signala PWM je doloˇcen s ˇstevcem, ˇcas ugasnjenega signala PWM pa je doloˇcen s padcem nape-tosti na pinu povratne vezave pod referenˇcno napetost. Zato moramo za stabilno delovanje zagotoviti monotono padanje napetosti v povratni vezavi, hkrati pa da je v fazi s tokom v duˇsilki med izkljuˇcenim ˇcasom. Poleg tega pa mora biti spre-memba napetosti v povratni vezavi dovolj velika, da nanjo ne vpliva ˇsum, ki je lahko prisoten na tej liniji.

Reˇsitev je v zasnovi povratne vezave. V vezje dodamo zaporedno vezana upor R₁₁₀ in kondenzatorC₁₂₀, ki skupaj z napetostjo na pinu SW generirata napetost trikotne oblike oziroma rampe. Ta napetost je potem preko kondenzatorja C₁₂₅ sklopljena na linijo povratne vezave. Ker dodano vezje ne uporablja izhodne valovitosti, ampak jo za ta namen generira, je odliˇcna reˇsitev za aplikacije, ki zahtevajo zelo majhno valovitost izhodne napetosti.

Najveˇcje vrednosti uporaR110in kondenzatorjaC120izraˇcunamo pri najmanjˇsi mogoˇci vhodni napetosti in ˇzelenem ˇcasu aktivnega signala PWM pri tej napeto-sti.

R₁₁₀C₁₂₀≤

(U_IN,min−U_IZH)×t_on(^@UIN,min)

25 mV (5.7)

Pri izraˇcunu smo upoˇstevali prej izraˇcunano vrednost za U_IN,min = 8 V int_on

= 3 µs. Izraˇcunane vrednosti tako znaˇsajo R₁₁₀ = 75 kΩ in C₁₂₀ = 4,7 nF.

Na izhodu pretvornika imamo ˇse izhodne kondenzatorje, s katerimi zgladimo

5.1 Napajalni del 41

Slika 5.5: Vezalna shema povratnega sklopa stikalnega pretvornika.

izhodno napetost pretvornika. Potrebna kapaciteta izhodnega kondenzatorja je izraˇcunana po enaˇcbi (5.8):

C_IZH = ∆I_Lmax

8×FSW × ∆U_IZHripple (5.8)

pri ˇcimer smo za oceno vrednosti kondenzatorja upoˇstevali ∆U_IZHripple = 10 mV. Tako po enaˇcbi (5.8) dobimo vrednost kapacitivnosti za izhodni kondenzator pribliˇzno 18 µF. V vezju sta uporabljena paralelno vezana kondenzatorja C₁₂₁ in C₁₂₂ z vrednostjo 10 µF.

Na shemi je ˇse nekaj perifernih elementov, in sicer led dioda za prikazovanje delovanja pretvornika, nekaj dodatnih elektrolitskih kondenzatorjev za shranje-vanje zaloge naboja in testne toˇcke za merjenje napetosti v fazi testiranja. Po-leg tega pa je na shemi ˇse dodaten konektor, ki povezuje v vezje veˇcje zunanje elektrolitske kondenzatorje, katerih naloga je zagotovitev naboja ob morebitni prekinitvi glavnega napajanja, saj je ena od zahtev vezja, da glavni kontaktorji ostanejo sklenjeni ˇse vsaj dve sekundi ob morebitni prekinitvi napajanja.

42 Zasnova vezja

5.1.4 Napetostni pretvornik LDO

Nekateri integrirani ˇcipi in mikrokrmilnik pa potrebujejo napajanje 3,3 V, ki je realizirano s pomoˇcjo napetostnega pretvornika LDO. Ta izhodno napetost stikalnega pretvornika 5 V pretvori v napetost 3,3 V. Uporabljen je LDO TC1262 proizvajalca Microchip v ohiˇsju SOT-223 [24]. Gre za LDO s fiksnim izhodom, ki za pravilno obratovanje potrebuje le nekaj zunanjih kondenzatorjev. Na shemi je ponovno dodana ˇse kontrolna led dioda in pa testne toˇcke.

Slika 5.6: Vezalna shema pretvornika LDO.

5.1.5 Referenˇcna napetost

Poleg 3,3-voltne napajalne linije pa ponekod potrebujemo tudi natanˇcno 3,3-voltno referenˇcno napetost. Tu je predvsem govora o mikrokrmilniku, ki potre-buje natanˇcno referenˇcno napetost, ki jo uporablja pri raznih analogno-digitalnih pretvorbah z internimi pretvorniki. V vezju je tudi uporabljena za referenˇcno na-petost komparatorja, katerega naloga je opisana v poglavju (5.1.6). Referenˇcno napetost smo realizirali s ˇcipom ADR3433 proizvajalca Analog Devices [25]. Gre

Poleg 3,3-voltne napajalne linije pa ponekod potrebujemo tudi natanˇcno 3,3-voltno referenˇcno napetost. Tu je predvsem govora o mikrokrmilniku, ki potre-buje natanˇcno referenˇcno napetost, ki jo uporablja pri raznih analogno-digitalnih pretvorbah z internimi pretvorniki. V vezju je tudi uporabljena za referenˇcno na-petost komparatorja, katerega naloga je opisana v poglavju (5.1.6). Referenˇcno napetost smo realizirali s ˇcipom ADR3433 proizvajalca Analog Devices [25]. Gre

In document Ljubljana,2022 Centralnisistemzaupravljanjetestnihbaterijzaelektriˇcnepogonevletalskihaplikacijah AndraˇzBroˇziˇc UniverzavLjubljani (Strani 45-0)