Ljubljana,2022 Centralnisistemzaupravljanjetestnihbaterijzaelektriˇcnepogonevletalskihaplikacijah AndraˇzBroˇziˇc UniverzavLjubljani

(1)

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za elektrotehniko

Andraˇz Broˇziˇc

Centralni sistem za upravljanje testnih baterij za elektriˇ cne pogone v letalskih aplikacijah

Magistrsko delo

Magistrski ˇstudijski program druge stopnje Elektrotehnika

Mentor: prof. dr. Andrej ˇ Zemva

Ljubljana, 2022

(2)

(3)

Zahvala

Rad bi se zahvalil podjetju Pipistrel Vertical Solutions, ki mi je omogoˇcilo opra- vljanje zakljuˇcnega dela. Posebej gre zahvala dr. Juretu Tomaˇziˇcu in celotni elektroekipi za pomoˇc in podporo pri realizaciji projekta. Prav tako bi se rad zahvalil mentorju prof. dr. Andreju ˇZemvi za pomoˇc in vodenje skozi celoten proces izdelave ter zagovora magistrske naloge. Zahvaljujem se tudi druˇzini in prijateljem za podporo ter potrpeˇzljivost v ˇcasu ˇstudija.

iii

(4)

iv

(5)

Povzetek

Glavni namen priˇcujoˇce magistrske naloge je razviti krmilno elektroniko veˇcjega baterijskega modula. Skozi nalogo so razloˇzene vse zahteve in funkcionalnosti, ki jih mora tiskano vezje opravljati. Vsak del vezja je posebej predstavljen, izbira komponent pa raˇcunsko podprta. V uvodu se dotaknemo samega podroˇcja letalstva, omenimo nekaj zgodovinskih prelomnic na tem podroˇcju in se posvetimo problematiki v letalstvu, s katero se sooˇcamo v danaˇsnjih ˇcasih. Predstavljeni so razlogi in morebitne reˇsitve omenjene problematike. Na kratko opiˇsemo tudi ino- vativno slovensko podjetje, pionirju na podroˇcju aviacije, Pipistrel. V naslednjih poglavjih preidemo na same zahteve in priˇcakovano funkcionalnost elektronike, ki je tema te zakljuˇcne naloge. Predstavljena sta celoten baterijski modul in blokovna shema glavnih predvidenih delov tiskanega vezja. V nadaljnjih poglavjih sledita teoretiˇcno ozadje in razlaga komunikacijskih protokolov, uporabljenih v samem projektu, z veˇcjim poudarkom na komunikacijskem protokolu CAN. Dota- knemo se tudi teoretiˇcne in raˇcunske razlage delovanja napetostnih pretvornikov, s poudarkom na stikalnih napetostnih pretvornikih navzdol. Sledita razlaga in opis posameznih delov naˇcrtovanega tiskanega vezja z vsemi pripadajoˇcimi vezal- nimi shemami. Prav tako je prikazana dejanska implementacija tiskanega vezja v celovit sistem. V zadnjem poglavju je predstavljeno ˇse testiranje, ki je bilo izvedeno na tiskanem vezju, in komentar rezultatov.

Kljuˇcne besede: letalstvo, elektriˇcna letala, Pipistrel, I2C, SPI, komunikacija CAN, stikalni pretvornik, tiskano vezje, testiranje.

v

(6)

vi Povzetek

(7)

Abstract

The main goal of this master’s thesis is the development of controling electronics for a larger battery module. Through the assignment, all requirements and functionalities that a printed circuit must perform, are presented and explained.

Each part of the circuit is presented separately, and the choice of components is computationally supported. In the introduction, we touch on the field of aviation, mention some of the historical turning points in this field and focus on issues of aviation, that we are facing nowadays. The reasons and possible solutions to this problem are presented. We also dedicate a few words to the innovative Slovenian company, a pioneer in the field of aviation, Pipistrel. In the following chapters, we move on to the requirements themselves and the expected functionality of electronics, which is the main topic of this thesis. The entire battery module is presented, as well as the block diagram of the main parts of the printed circuit board. In subsequent chapters, we move on to the theoretical background and explanation of the communication protocols used in the project itself, with greater emphasis on the CAN communication protocol. We also touch on theoretical and computational explanations of the operation of voltage converters with an emphasis on buck switching converters. In the following chapters, an explanation and the description of the individual parts of the planned printed circuit board with all associated wiring diagrams are presented. The actual implementation of the printed circuit board in a complete system is also shown. The last chapter presents the testing performed on the printed circuit board and comments on the results.

Key words:aviation, electric aircrafts, Pipistrel, I2C, SPI, CAN communication, switching voltage converter, printed circuit board, testing.

vii

(8)

viii Abstract

(9)

Vsebina

1 Uvod 1

2 Zahteve in predvideni deli vezja 7

3 Komunikacijski vmesniki 9

3.1 I2C . . . 9

3.2 SPI . . . 12

3.3 Komunikacija CAN . . . 14

3.3.1 Zgodovina . . . 14

3.3.2 Standard CAN . . . 15

3.3.3 Sporoˇcilo CAN . . . 17

3.3.3.1 Podatkovni paket . . . 19

3.3.3.2 Oddaljeni paket . . . 19

3.3.3.3 Paket napake . . . 19

3.3.3.4 Paket preobremenitve . . . 20

3.3.4 Arbitraˇza . . . 20 ix

(10)

x Vsebina

3.3.5 Odkrivanje in odpravljanje napak . . . 21

4 Napetostni pretvorniki 23 4.1 Linearni napetostni pretvorniki . . . 23

4.1.1 Pretvorniki LDO . . . 25

4.2 Stikalni pretvorniki . . . 27

4.2.1 Stikalni pretvornik navzdol - Buck . . . 28

4.2.1.1 Stanje zaprtega stikala . . . 28

4.2.1.2 Stanje odprtega stikala . . . 29

4.2.1.3 Stacionarno stanje . . . 30

5 Zasnova vezja 33 5.1 Napajalni del . . . 33

5.1.1 Vhodni del . . . 33

5.1.2 Prenapetostna zaˇsˇcita in omejevalec toka . . . 34

5.1.3 Stikalni pretvornik . . . 36

5.1.4 Napetostni pretvornik LDO . . . 42

5.1.5 Referenˇcna napetost . . . 42

5.1.6 Ostali deli napajalnega dela . . . 43

5.2 Procesorski del . . . 46

5.3 Komunikacijski del . . . 47

5.4 Gonilniki relejev in kontaktorjev . . . 49

(11)

Vsebina xi

5.4.1 Releji . . . 49

5.4.2 Kontaktorji . . . 50

5.5 Visokonapetostne meritve . . . 52

5.6 Ostali deli vezja . . . 56

5.6.1 Programiranje mikrokrmilnika . . . 56

5.6.2 Naslovne linije . . . 57

5.6.3 Izhodni konektorji . . . 58

5.7 Tiskano vezje . . . 59

5.8 Implementacija vezja . . . 60

6 Testiranje vezja 63 6.1 Testiranje komunikacije CAN . . . 65

6.2 Testiranje natanˇcnosti visokonapetostne meritve . . . 67

6.2.1 Priprava testa in uporabljena oprema . . . 67

6.2.2 Izvedba testa . . . 69

6.2.3 Rezultati in komentar . . . 70

7 Zakljuˇcek 73

Literatura 75

(12)

xii Vsebina

(13)

Seznam slik

1.1 Brata Rusjan pri modelu EDA 1. . . 1

1.2 Turboprop je koncept letala na vodik proizvajalca Airbus. . . 3

1.3 Pipistrel Taurus Electro. . . 4

1.4 Pipistrel Velis Electro. . . 5

1.5 Testiranje elektriˇcnih in hibridnih pogonov v gibanju na tovornem vozilu. . . 6

2.1 Blokovna shema baterijskega modula. . . 7

2.2 Blokovna shema vezja. . . 8

3.1 Blokovna shema vezave I2C komunikacije [1]. . . 9

3.2 Shema gonilnika vodila I2C [2]. . . 10

3.3 Zgradba paketa I2C [3]. . . 11

3.4 Zaˇcetni in konˇcni prehod paketa I2C. . . 11

3.5 Osnovna konfiguracija vmesnika SPI [4]. . . 12

3.6 Primer sporoˇcila SPI. . . 13

3.7 Plasti referenˇcnega modela OSI po standardu ISO-11898. . . 15 xiii

(14)

xiv Seznam slik

3.8 Krmilnik CAN in sprejemnik CAN [5]. . . 16

3.9 Signala na vodilu CAN [5]. . . 16

3.10 Sestava sporoˇcila CAN [6]. . . 17

4.1 Vezalna shema enostavnega linearnega napetostnega pretvornika [7]. 24 4.2 Nadgradnja linearnega napetostnega pretvornika s povratnim sklopom. . . 24

4.3 Vezalna shema nastavljivega pretvornika LDO [7]. . . 25

4.4 Vezalna shema osnovne zgradbe stikalnega pretvornika navzdol [8]. 28 4.5 Stanje vezja pri zaprtem tranzistorju [8]. . . 29

4.6 Stanje vezja pri odprtem tranzistorju. . . 30

4.7 Skica tokov v tuljavi v odvisnosti od stanja tranzistorja. . . 31

4.8 Skica tokov v neprekinjenem in prekinjenem delovanju. . . 32

5.1 Konektor Souriau serije 8D. . . 33

5.2 Vezalna shema vhodne stopnje napajalnega dela vezja. . . 34

5.3 Vezalna shema prenapetostne zaˇsˇcite. . . 35

5.4 Vezalna shema stikalnega pretvornika navzdol. . . 37

5.5 Vezalna shema povratnega sklopa stikalnega pretvornika. . . 41

5.6 Vezalna shema pretvornika LDO. . . 42

5.7 Vezalna shema generatorja referenˇcne napetosti. . . 43

5.8 Vezalna shema za merjenje vhodne napetosti. . . 43

5.9 Vezalna shema komparatorja. . . 45

(15)

Seznam slik xv

5.10 Shema povezave ˇcipa 47L16. . . 47

5.11 Shema povezave ˇcipa MR45V100. . . 47

5.12 Vezalna shema sprejemnika CAN TCAN1051. . . 49

5.13 Vezalna shema releja. . . 49

5.14 Vezalna shema gonilnika kontaktorjev. . . 51

5.15 Vezalna shema visokonapetostne meritve. . . 53

5.16 Izoliran del vezja za merjenje visoke napetosti. . . 55

5.17 Vezalna shema vmesnika SWD za programiranje mikrokrmilnika. . 56

5.18 Vezalna shema naslovnih linij. . . 57

5.19 Konfiguracija pinov glavnega izhodnega konektorja. . . 58

5.20 Dvodimenzionalen pogled tiskanega vezja v programskem okolju Altium. . . 59

5.21 Tridimenzionalen pogled tiskanega vezja v programskem okolju Al- tium. . . 60

5.22 Ohiˇsje tiskanega vezja. . . 60

5.23 Montirano vezje v ohiˇsju baterijskega modula (notranja stran). . . 61

5.24 Montirano vezje v ohiˇsju baterijskega modula (zunanja stran). . . 62

5.25 Ohiˇsje celotnega baterijskega modula. . . 62

6.1 Testiranje osnovnega delovanja tiskanega vezja. . . 63

6.2 Testiranje vezja s termokamero. . . 64

6.3 Testiranje komunikacijskih vodil CAN. . . 65

(16)

xvi Seznam slik

6.4 Programsko orodje proizvajalca Saleae za dekodiranje komunika-

cijskih protokolov. . . 66

6.5 Zajeto sporoˇcilo CAN s testiranega vezja. . . 66

6.6 Dekodirano testno sporoˇcilo CAN. . . 67

6.7 Blokovna shema za izvedbo testiranja. . . 68

6.8 Klimatska komora z vso potrebno opremo za izvedbo testiranja. . 69

6.9 Testirano vezje postavljeno v klimatski komori. . . 70

(17)

Seznam tabel

6.1 Izmerjene vrednosti pri temperaturi komore TKomore = - 20°C . . 71 6.2 Izmerjene vrednosti pri temperaturi komore T_Komore = 22 °C . . . 71 6.3 Izmerjene vrednosti pri temperaturi komore T_Komore = 60 °C . . . 72

xvii

(18)

xviii Seznam tabel

(19)

Seznam uporabljenih simbolov

V priˇcujoˇcem zakljuˇcnem delu so uporabljene naslednje veliˇcine in simboli:

Veliˇcina / oznaka Enota

Ime Simbol Ime Simbol

ˇcas t sekunda s

perioda T sekunda s

frekvenca f hertz Hz

masa m kilogram kg

kapacitivnost C farad F

induktivnost L henry H

upornost R ohm Ω

enosmerna napetost U volt V

spremenljiva napetost u volt V

enosmerni tok I amper A

spremenljiv tok i amper A

moˇc P watt W

Pri tem so vektorji in matrike zapisani s poudarjeno pisavo. Natanˇcnejˇsi pomen simbolov ter njihovih indeksov je razviden iz ustreznih slik ali pa je pojasnjen v spremljajoˇcem besedilu, v katerem je simbol uporabljen.

xix

(20)

xx Seznam uporabljenih simbolov

(21)

1 Uvod

Med zaˇcetnike motornega letalstva spadata brata Wilbur in Orvil Wright, ki sta sredi decembra daljnega leta 1903 opravila prvi nadzorovani polet z motornim letalom, imenovanim Flyer. Ta prvi polet je trajal dvanajst sekund, pri ˇcemer je Orvil (eden od bratov Wright) preletel dobrih trideset metrov. S svojim doseˇzkom sta navduˇsila mnoge letalce in kmalu so se zaˇceli vrstiti ˇstevilni rekordni poleti.

Ze v dvajsetih letih prejˇsnjega stoletja smo zabeleˇˇ zili prvi polet ˇcez Tihi ocean in dobili prvega ˇcloveka, ki je v celoti obkroˇzil zemeljsko oblo. Za zaˇcetnika motornega letanja pri Slovencih ˇstejemo Edvarda Rusjana, ki je izvedel prvi polet z motornim letalom leta 1909 [9].

Slika 1.1: Brata Rusjan pri modelu EDA 1.

1

(22)

2 Uvod

Od takrat se je tehnologija v letalstvu zaˇcela hitro razvijati. K razvoju sta bistveno prispevali obe svetovni vojni in hladna vojna, ki jima je sledila. Obdobje druge svetovne vojne je pripeljalo do razvoja prvih letal na reaktivni pogon.

Kmalu zatem so se zaˇcela omenjena letala mnoˇziˇcno uporabljati za komercialne polete.

V zadnjih nekaj desetletjih se je letalski promet zelo poveˇcal in poslediˇcno se je poveˇcal tudi vpliv letalskega prometa na okolje. Napredek v tehnologiji je skozi leta sicer moˇcno prispeval k uˇcinkovitosti in izkoristku reaktivnih pogonov letal, kar pa ˇse zdaleˇc ne more kompenzirati velikega porasta letalskega prometa.

Tako kot pri ostalih emisijah, ki nastanejo pri izgorevanju fosilnih goriv, tudi letalski reaktivni pogoni proizvajajo toplogredne pline, kot so ogljikov dioksid ter razni duˇsikovi oksidi, ki s tem moˇcno vplivajo na onesnaˇzenje okolja. Okolje pa onesnaˇzujejo tudi s hrupom, s katerim so strokovnjaki v raznih raziskavah povezali nastanek mnogih stresnih faktorjev, ki negativno vplivajo na ˇclovekovo zdravje.

V danaˇsnjem ˇcasu se pospeˇseno razvijajo tehnologije, s katerimi bi lahko zgoraj omenjene negativne posledice poletov omilili ali v nekaterih primerih celo popolnoma izniˇcili. Seveda se najveˇcja prizadevanja kaˇzejo v iskanju alternativ- nih vrst goriv oziroma pogona, s katerimi bi zmanjˇsali ali v celoti odpravili izpuste toplogrednih plinov motorjev [10].

Ena izmed reˇsitev je razvoj letalskih motorjev, ki bi za gorivo uporabljali vodik. Ta se lahko uporablja neposredno kot motorno gorivo ali pa posredno za proizvajanje elektriˇcne energije preko vodikovih gorivnih celic. Na prvi pogled je vodik odliˇcna alternativa klasiˇcnim gorivom, saj lahko iz enake mase goriva dobimo kar trikrat veˇc energije kot iz konvencionalnega goriva za reaktivni pogon in kar stokrat veˇc energije na enoto mase, kot bi jo dobili iz litij-ionskih baterij.

Poleg tega pa je edini stranski produkt pri izgorevanju goriva voda. Eno izmed vodilnih svetovnih podjetij, ki razvija letala na vodik, je tudi Airbus [11][12].

(23)

3

Slika 1.2: Turboprop je koncept letala na vodik proizvajalca Airbus.

Obstaja pa tudi kar nekaj dejstev in argumentov, ki kaˇzejo na negativno plat uporabe vodika. Medtem ko ima vodik veˇc shranjene energije na enoto mase od obiˇcajnega goriva za reaktivne pogone, ima precej manjˇso vrednost energije na enoto volumna, saj je ta pri normalnih pogojih v plinastem stanju. Torej ga je za veˇcje koliˇcine potrebno stisniti pod veˇcjim pritiskom ali pa ga moˇcno ohladiti (- 235 °C), da kondenzira v tekoˇce agregatno stanje. Takˇsni rezervoarji pa so kompleksni in teˇzki. Pojavijo se tudi ostali problemi, kot so visoki stroˇski ˇciste proizvodnje vodika in pa izgradnja ustrezne infrastrukture za shranjevanje vodika na letaliˇsˇcih [13].

Naslednja mogoˇca reˇsitev je razvoj elektriˇcnih letal. Ta imajo kar nekaj pred- nosti pred klasiˇcnimi letali na reaktivni pogon. Letala na elektriˇcni pogon imajo praktiˇcno niˇcelni vpliv na okolje, tako kar zadeva izpust toplogrednih plinov kot povzroˇcanje hrupa. Glavni problem, s katerim se sooˇcajo podjetja pri razvoju takih letal, je shranjevanje potrebne energije za poganjanje elektromotorjev. Kot je bilo ˇze omenjeno, imajo trenutno razvite in komercialno uporabljene litionske baterije precej majhno shranjeno energijo na enoto mase v primerjavi s klasiˇcnimi fosilnimi gorivi, kar pa je ravno razlog, da se v trenutni fazi razvijajo predvsem manjˇsa elektriˇcna letala za uporabo v veˇcjih mestih, za povezovanje sosednjih letaliˇsˇc in pa za prihodnost leteˇcih taksijev [14]. Nekatera veˇcja mesta po svetu ˇ

ze imajo razne regulacije, s katerimi prepovedujejo manjˇsim, zasebnim letalom, ki proizvajajo preveˇc hrupa, letenje v okolici mest. Manjˇsa elektriˇcna letala pa so kot nalaˇsˇc za reˇsitev tega problema.

(24)

4 Uvod

Eno izmed vodilnih podjetij, ki pospeˇseno razvija ultralahka elektriˇcna letala, je tudi slovensko podjetje Pipistrel, v katerem sem tudi razvijal projekt, ki je opisan v nadaljevanju. V podjetju pospeˇseno razvijamo in proizvajamo elektriˇcno gnana plovila. Zaradi svojih doseˇzkov spadata med najbolj prepoznana produkta v svetovnem vrhu ultralahko elektriˇcno letalo Pipistrel Velis Electro in jadralno letalo Pipistrel Taurus Electro.

Pipistrel Taurus Electro je dvosedeˇzno jadralno letalo s pomoˇznim elektriˇcnim motorjem za popolnoma neodvisno jadranje. Motor moˇci 40 kW sluˇzi za samo- stojen vzlet jadralnega letala. Gnan je s pomoˇcjo litionske baterije, ki je sposobna poganjati elektromotor slabih 20 minut. Zatem se propeler motorja spravi in letalo se ’preobrazi’ v jadralno letalo. Taurus Electro je ˇse posebej znan, saj je prvo dvosedeˇzno elektriˇcno letalo na svetu, ki so ga zaˇceli serijsko proizvajati.

Slika 1.3: Pipistrel Taurus Electro.

Pipistrel Velis Electro je elektriˇcno dvosedeˇzno ultralahko letalo, ki je bilo prvotno namenjeno predvsem uˇcenju pilotov. Zaradi nizke ravni hrupa je Ve- lis Electro idealna reˇsitev za izobraˇzevanje pilotov v urbanem okolju, hkrati pa predstavlja tudi reˇsitev za nekatere regulacije v veˇcjih mestih, kjer je prepove- dano letenje, ˇce plovilo generira preveˇc hrupa. Poleg tega pa je podjetju s tem modelom uspelo izdelati prvo, in v ˇcasu pisanja tega dela edino elektriˇcno letalo, ki je prejelo certifikat s strani EASA.

(25)

5

Slika 1.4: Pipistrel Velis Electro.

Poleg manjˇsih letal pa gre razvoj tudi v smeri veˇcjih elektriˇcnih letal (20 sedeˇzev). Kar nekaj svetovno znanih podjetij in agencij ˇze pospeˇseno dela na tem, da bi ˇse to desetletje v komercialno uporabo dostavili veˇcja elektriˇcna letala.

Letalska druˇzba United Airlines je ˇze podpisala nabavo veˇc kot 100 elektriˇcnih letal ˇsvedskega podjetja Heart Aerospace, ki trenutno razvija 19-sedeˇzno elektriˇcno letalo. To pa ni osamljen primer, saj veliko podjetij in agencij, med njimi tudi ameriˇska NASA, pospeˇseno razvija veˇcja elektriˇcna letala.

Enega izmed izzivov razvoja pogona za takˇsna letala pa predstavlja tudi testiranje le-teh. Takˇsni pogoni, reda moˇci MW, namreˇc potrebujejo za testiranje ogromno elektriˇcne energije. Na prvi pogled se ponuja enostavna reˇsitev. Napa- janje takˇsnega pogona v fazi testiranja lahko zagotovimo z velikimi napajalniki, ki so prikljuˇceni na elektriˇcno omreˇzje.

V letalstvu pa pomembno vlogo igrata tudi oblika in obnaˇsanje pogona v gibanju. Tako v fazi testiranja naletimo na problem, saj nam enostavna reˇsitev za zagotavljanje potrebne energije za poganjanje veˇcjih motorjev direktno iz omreˇzja ne nudi moˇznosti testiranja pogona v gibanju [15].

(26)

6 Uvod

Slika 1.5: Testiranje elektriˇcnih in hibridnih pogonov v gibanju na tovornem vozilu.

Za potrebe takˇsnega testiranja je potrebno nekoliko spremeniti pristop. Name- sto nemobilnih moˇcnostnih napajalnikov lahko uporabimo sistem veˇcjega ˇstevila baterij, ki jih namestimo na gibajoˇce vozilo za testiranje. Seveda pa takˇsen sistem baterij potrebuje tudi nadzorno enoto s krmilnim vezjem. To je tudi eden izmed projektov, ki jih razvijamo v podjetju in je tudi tema tega magistrskega dela.

(27)

2 Zahteve in predvideni deli vezja

Celotna baterija je sestavljena iz ˇsestih veˇcjih modulov, pri ˇcimer ima vsak baterijski modul svoj BMS (angl. Battery Monitoring System). Poleg tega pa ima celotna baterija ˇse vhodno oziroma krmilno vezje. Glavne naloge krmilnega vezja so dovajanje napajanja vsakemu izmed ˇsestih BMS-jev preko relejev, krmiljenje glavnih kontaktorjev baterije, komunikacija s posameznimi moduli in komunikacija z zunanjim sistemom ter izvajanje dveh visokonapetostnih meritev.

Slika 2.1: Blokovna shema baterijskega modula.

Krmilno vezje in pa tudi BMS-ji se napajajo preko loˇcenega 28-voltnega baterijskega napajalnega sistema. Vhodna napajalna stopnja vezja mora biti zaˇsˇcitena pred napetostnimi ˇspicami in prevelikimi zagonskimi toki (angl. inrush current).

Prav tako se izvaja merjenje vhodne napetosti na samem vezju. Komunikacija v in iz vezja poteka preko komunikacijskega protokola CAN (angl. Controller Area Network), pri ˇcemer imamo dva vhodna vmesnika in enega izhodnega. Vezje mora izvajati tudi dve visokonapetostni meritvi, ki morata biti na vezju izolirani od preostale elektronike.

Kot ˇze omenjeno, mora vezje skrbeti za dovajanje 28-voltne napajalne linije 7

(28)

8 Zahteve in predvideni deli vezja

do posameznega baterijskega modula, kar je izvedeno preko ˇsestih relejev. Vezje mora vsebovati tudi tri gonilnike za veˇcje kontaktorje, ki so nameˇsˇceni izven vezja.

Prav tako mora zagotoviti ob morebitnem izpadu napajalne 28 V linije pravilno delovanje kontaktorjev ˇse vsaj dve sekunde.

Iz mehanskega vidika posebnih zahtev po velikosti in montaˇzi vezja ni.

Na podlagi zgoraj podanih osnovnih zahtev so predvideni deli vezja prikazani v blokovni shemi na sliki 2.2.

Slika 2.2: Blokovna shema vezja.

(29)

3 Komunikacijski vmesniki

3.1 I2C

I2C je sinhrona serijska komunikacija, ki nam omogoˇca povezavo med veˇcjim ˇstevilom perifernih enot z eno ali veˇcimi kontrolnimi enotami, ki so v veˇcini primerov mikrokrmilniki. Gre za sinhron komunikacijski protokol, kar pomeni, da se med napravami, povezanimi na vodilo I2C, prenaˇsa tudi podatek o urnem ciklu.

Za razliko od asinhronskih vodil, kot sta primera RS232 in UART, sinhronsko vodilo ne potrebuje vnaprej doloˇcene hitrosti prenosa podatkov in lahko s pomoˇcjo urinega signala uskladi veˇc naprav na istem vodilu. Pri asinhroni komunikaciji gre za vnaprej doloˇceno hitrost med, v veˇcini primerov, le dvema napravama [1].

Slika 3.1: Blokovna shema vezave I2C komunikacije [1].

Ceprav vmesnik I2C prenaˇsa med napravami tudi urin signal, pa potrebujeˇ 9

(30)

10 Komunikacijski vmesniki

za svoje delovanje le dve povezavi, ki ju po navadi oznaˇcujemo kot SDA (angl.

Serial Data) in SCL (angl. Serial Clock). Kot ˇze imeni razkrivata, je ena povezava namenjena urinemu signalu, druga pa prenosu podatkov. Urin signal je vedno generiran s strani krmilnika.

Gonilniki vodila I2C imajo konfiguracijo tako imenovanega odprtega kolek- torja oziroma odprtega ponora, ˇce gre za tehnologijo MOSFET. Tak izhod deluje kot nekakˇsno stikalo, ki je ali povezano na maso ali pa izkljuˇceno. S tem ko dove- demo napetost na vrata tranzistorja, sklenemo izhod na maso in dobimo logiˇcno niˇclo. Da lahko ponovno vzpostavimo viˇsjo napetost na vodilu, potrebujemo zunanji ’pullup’ upor, ki v primeru, ko je tranzistor gonilnika izklopljen, povleˇce povezavo na visoko raven, s ˇcimer dobimo ˇse logiˇcno enico [2]. Opisana zgradba je prikazana na sliki 3.2.

Slika 3.2: Shema gonilnika vodila I2C [2].

Podatki se prenaˇsajo v paketih, ki lahko vsebujejo razliˇcno ˇstevilo podatkovnih okvirjev. Poleg podatkov, vsak paket vsebuje ˇse okvir, v katerem se nahaja naslov naprave, kateri ˇzelimo posredovati ˇzelene podatke. Paket I2C vsebuje ˇse bit, ki nam pove, ali gre za branje ali pisanje podatkov, in potrditveni bit po vsakem 8-bitnem okvirju s podatki.

(31)

3.1 I2C 11

Slika 3.3: Zgradba paketa I2C [3].

Zaˇcetek prenosa paketa oznaˇcuje prehod linije SDA iz visokega napetostnega nivoja v nizki napetostni nivo pred prehodom linije SCL iz visokega v nizki nivo.

Podobno velja za konec paketa, ki ga oznaˇcuje prehod linije SDA iz nizkega v visok nivo po prehodu linije SCL iz nizkega v visok napetostni nivo [3]. Prehoda sta bolj nazorno prikazana na sliki 3.4.

Slika 3.4: Zaˇcetni in konˇcni prehod paketa I2C.

(32)

3.2 SPI

SPI (angl. Serial Peripheral Interface) je eden od pogosto uporabljenih komunikacijskih vmesnikov med mikrokrmilnikom in perifernimi enotami, kot so razni senzorji, analogno-digitalni pretvorniki, spomini in druge zunanje enote. Gre za sinhrono obojestransko komunikacijo, ki je zasnovana na podlagi gospodarja in suˇznjev. Torej gre za eno glavno enoto, ki je ponavadi mikrokrmilnik, in veˇc zunanjih enot. Gospodar (angl. master) narekuje urni signal, ki je skupen vsem enotam. Ker gre za dvosmerno komunikacijo, lahko gospodar in suˇzenj (angl.

slave) istoˇcasno poˇsiljata podatke eden drugemu. Vmesnik SPI sestavljajo ˇstiri povezave, kar je ˇse enkrat veˇc od sinhrone serijske komunikacije I2C, vendar omogoˇca precej viˇsje hitrosti komunikacije. Ker vodilo SPI ne potrebuje ’pullup’

uporov, je tudi poraba energije precej manjˇsa od vodila I2C [4].

Slika 3.5: Osnovna konfiguracija vmesnika SPI [4].

Komunikacijski vmesnik SPI sestavljajo ˇstiri povezave med napravami.

• SCLK (angl. Serial clock) - Urin signal, generiran s strani gospodarja, je skupen vsem napravam, povezanim na vodilu SPI. Od naprave je odvisno, ali je prenos podatkov sinhroniziran na padajoˇco ali naraˇsˇcajoˇco fronto urinega signala.

• CS (angl. Chip select) - Izbirni signal, generiran s strani gospodarja, s katerim izbere ˇzeleno periferno enoto. ˇCe je na vodilu veˇc suˇznjev, mora imeti vsaka periferna enota svojo povezavo za signal CS.

(33)

3.2 SPI 13

• MOSI (angl. Master out, slave in) - podatkovna povezava, po kateri se prenaˇsajo podatki iz gospodarja na suˇznja.

• MISO (angl. Master in, slave out) - podatkovna povezava, po kateri se prenaˇsajo podatki iz perifernih enot proti gospodarju.

Prenos zaˇcne gospodar s tem, ko postavi linijo CS ˇzelene periferne enote v nizek nivo. Prav tako generira urin signal na liniji SCLK. Potem se osem bitov sinhrono z urinim ciklom prenese po podatkovnih linijah. Protokol ne potrebuje zaˇcetnih in zakljuˇcnih bitov, kar tudi prispeva k hitrosti komunikacije. Vodila SPI lahko doseˇzejo hitrosti v obmoˇcju 50 MHz, kar se, ker v podatkovnih paketih niso potrebni dodatni biti, neposredno prevede na bitno hitrost [16].

Slika 3.6: Primer sporoˇcila SPI.

(34)

3.3 Komunikacija CAN

V projektu smo za komunikacijo vezja z ostalimi deli sistema uporabili vodilo CAN (angl. Controller Area Network). Komunikacijski protokol CAN je predstavnik serijskega komunikacijskega vodila, ki se razˇsirjeno uporablja v avtomobilski in letalski industriji za povezavo posameznih modulov in naprav vozila.

V osnovi gre za precej robustno vodilo, ki omogoˇca medsebojno povezavo veˇc mikrokrmilniˇskih enot in perifernih naprav.

3.3.1 Zgodovina

Podjetje Bosch je bilo prvo, ki je zaˇcelo razvijati ta komunikacijski protokol ˇze leta 1983. Uradno je bil predstavljen leta 1986, prva integrirana vezja pa so se pojavila leto kasneje v podjetjih Intel in Philips [17].

V devetdesetih letih prejˇsnjega stoletja je moˇcno napredovala tehnologija na podroˇcju avtomobilske industrije. Z razvojem elektronike in integriranih vezij se je tudi avtomobilska industrija moˇcno spremenila. V vozila so namreˇc vgrajevali vedno veˇc senzorjev, razliˇcnih krmilnikov in ostalih elektronskih sklopov. Vedno veˇc elektronskih naprav pa je pomenilo veliko veˇc napeljave v vozilu, ki je iz leta v leto strmo rasla. Veliko ˇstevilo vodnikov v vozilu je pripeljalo do poveˇcanega ˇstevila okvar na napeljavi, draˇzjih popravil in nezanesljivega delovanja celotnega sistema. Avtomobilska industrija je takrat nujno potrebovala reˇsitev, ki pa jo je ponudila novo razvita komunikacija preko vodila CAN.

Zaradi moˇznosti komunikacije vseh naprav preko enega samega vodnika CAN se je ˇstevilo vodnikov v avtomobilih drastiˇcno zmanjˇsalo. Podjetje Mercedes- Benz je bilo prvo, ki je uporabilo vodilo CAN v svojih avtomobilih leta 1992. Od takrat je komunikacija CAN popolnoma prevladala v avtomobilski industriji in se kaj kmalu razˇsirila na letalsko industrijo, delovne stroje in podobno.

(35)

3.3 Komunikacija CAN 15

3.3.2 Standard CAN

Komunikacijski protokol CAN ISO-11898:2003 opisuje, kako se informacije poda- jajo med napravami na vodilu v skladu z referenˇcnim modelom OSI (angl. Open Systems Interconnection) [6]. Referenˇcni model OSI je v sploˇsnem definiran s sedmimi plastmi. Standard ISO-11898 doloˇca najniˇzji dve plasti omenjenega modela, in sicer povezovalno in fiziˇcno plast. Plasti referenˇcnega modela OSI so prikazane na sliki 3.7.

Slika 3.7: Plasti referenˇcnega modela OSI po standardu ISO-11898.

Komunikacijski protokol uporablja diferencialne signale z namenom, da je prenos podatkov ˇcim bolj odporen na zunanje motnje. Komunikacija zunaj tiskanega vezja poteka po sukani parici z ali brez oklopa in s karakteristiˇcno impedanco Z₀

= 120 Ω. Maksimalna hitrost prenosa na vodilu CAN je 1 Mbit/s, in sicer pri dolˇzinah vodila, manjˇsih od 40 m. Mogoˇca je tudi komunikacija preko vodila, daljˇsega od 500 m, a je hitrost obˇcutno manjˇsa, in sicer 125 kbit/s [18]. Treba je tudi poudariti, da je za dolˇzine, veˇcje od 30 m, potreben zakljuˇcitveni upor vrednosti 120 Ω, in sicer na obeh straneh vodila. S tem doseˇzemo izenaˇcitev karakteristiˇcne impedance linije, kar prepreˇcuje neˇzelene odboje signala na liniji.

(36)

Na sliki 3.8 je prikazana osnovna blokovna shema povezave naprave na vodilo CAN. Mikrokrmilnik z vgrajenim gonilnikom za CAN je preko dveh ’enosmernih’

linij povezan na sprejemnik CAN. Ta je zadolˇzen, da poslani signal s strani krmilnika CAN pretvori v diferencialni signal in obratno za sprejeti signal iz vodila [5]. Vodilo CAN ima diferencialni liniji oznaˇceni kot CANH (angl. CAN High) in CANL (angl. CAN Low) v stanju pripravljenosti na prednapetosti 2,5 V. Domi- nanten bit je logiˇcna 0, ki povzroˇci, da se napetostni nivo linije CANH zviˇsa za 1 V na 3,5 V, in napetostni nivo linije CANL zniˇza za 1 V na 1,5 V. Logiˇcna enica, ki je poimenovana tudi kot recesiven bit, pa ne povzroˇci spremembe napetostnih nivojev linij vodila, torej signala ostaneta v stanju mirovanja na prednapetosti 2,5 V.

Slika 3.8: Krmilnik CAN in sprejemnik CAN [5].

Slika 3.9: Signala na vodilu CAN [5].

(37)

Naprava, ki oddaja sporoˇcilo na vodilo CAN, poˇslje sporoˇcilo v mreˇzo in ne direktno ciljni napravi. Protokol CAN je namreˇc tipa ’broadcast’. Od sprejemne naprave pa je potem odvisno, katera sporoˇcila bo sprejela oziroma katera so za njo pomembna. Vsako sporoˇcilo oziroma paket je sestavljeno iz veˇc okvirjev, ki vsebujejo potrebne podatke za uspeˇsen prenos sporoˇcila.

3.3.3 Sporoˇcilo CAN

Kot je ˇze bilo omenjeno, sporoˇcila CAN ne naslavljajo direktno, ampak jih od- dajajo razprˇseno na vodilo. Vsak sprejemnik pa se potem na podlagi identifikatorja odloˇci, katera sporoˇcila bo sprejel. Identifikator je v osnovi 11-bitni, kar nam omogoˇca 2048 razliˇcnih sporoˇcil CAN na istem vodilu. Z naraˇsˇcanjem elektronskih sklopov v enem sistemu pa je razvoj protokola CAN pripeljal tudi do razliˇcice, kjer se uporablja razˇsirjeni 29-bitni identifikator, ki omogoˇca 537 mi- lijonov razliˇcnih sporoˇcil CAN. Skupna velikost sporoˇcila se razlikuje glede na to, koliko bitni identifikator uporabljamo, vseeno pa je pri obeh enaka najveˇcja velikost okvirja, ki vsebuje dejanske podatke, ki jih ˇzelimo prenaˇsati. Ta okvir je lahko velik najveˇc 8 bajtov ali 64 bitov. Osnovna sestava obeh sporoˇcil je prikazana na sliki 3.10.

Slika 3.10: Sestava sporoˇcila CAN [6].

Posamezni okvirji in njihov pomen iz slike 3.10:

• SOF - enojni dominantni bit, ki oznaˇcuje zaˇcetek sporoˇcila, in se uporablja za sinhronizacijo naprav.

• Identifikator - 11- ali 29-bitni okvir, ki doloˇca prioriteto sporoˇcila. Niˇzja binarna vrednost pomeni viˇsjo prioriteto sporoˇcila.

(38)

• RTR - enojni bit, ki postane dominanten v primeru, ko je informacija zahte- vana od druge naprave na vodilu. Zahtevo po podatkih dobijo vse naprave na vodilu, vendar identifikator doloˇci, od katere naprave ˇzelimo pridobiti podatke.

• IDE - enojni bit, ki nam pove, ali gre za standardni CAN z 11-bitnim ali z razˇsirjenim 29-bitnim identifikatorjem. V primeru, da je bit IDE dominanten, pomeni, da gre za sporoˇcilo s standardnim 11-bitnim identifikatorjem.

• r0 - rezerviran bit za moˇzne prihodnje nadgradnje protokola.

• DLC - 4-biten okvir, ki vsebuje velikost prenaˇsanih podatkov v bajtih.

• Data - podatkovni okvir, ki vsebuje podatke za prenos. Okvir lahko vsebuje najveˇc 8 bajtov podatkov.

• CRC - 16-bitno preverjanje cikliˇcne odveˇcnosti (angl. Cyclic Redundancy Check) sluˇzi za odkrivanje napak pri prenosu.

• ACK - dvobitni okvir, s katerim naprava potrdi, da je prejela sporoˇcilo brez napak. ˇCe sprejemna naprava prepiˇse prvi bit ACK okvirja z dominantnim bitom, nakazuje, da se je prenos sporoˇcila izvrˇsil brez napake. V nasprotnem primeru pusti bit recesiven in naprava ˇse enkrat poˇslje sporoˇcilo.

• EOF - 7-bitni okvir, ki oznaˇcuje konec sporoˇcila CAN.

• IFS - 7-bitni okvir, ki sluˇzi kot prostor med sosednjima sporoˇciloma, z namenom, da zagotovi krmilniku dovolj ˇcasa, da shrani prejeto sporoˇcilo.

V nadaljevanju so prikazani in na kratko opisani vsi ˇstirje razliˇcni tipi paketov CAN.

(39)

3.3.3.1 Podatkovni paket

Gre za najbolj pogost tip sporoˇcila CAN. Njegova zgradba je predstavljena na sliki 3.10. Namenjen je prenosu podatkov med napravami na vodilu.

3.3.3.2 Oddaljeni paket

Drugi tip sporoˇcila je tako imenovani oddaljen paket (angl. Remote Frame).

Uporabimo ga, ko zahtevamo podatke od druge naprave na vodilu. Po zgradbi je skoraj identiˇcen podatkovnemu paketu, z dvema razlikama. Da napravam na vodilu sporoˇcimo, da gre za oddaljeni paket, moramo RTR bit spremeniti v rece- sivnega. Od podatkovnega paketa pa se razlikuje tudi v tem, da oddaljeni paket ne vsebuje nobenih podatkov v podatkovnem okvirju. Ko poˇsiljamo oddaljeni paket, moramo biti pozorni ˇse na eno stvar. Paket ne vsebuje nobenih podatkov, zato moramo okvir DLC (angl. Data Length Code) nastaviti na dolˇzino podatkov, ki jih priˇcakujemo od zahtevane naprave. V nasprotnem primeru lahko pride do teˇzav pri arbitraˇzi, ki je opisana v nadaljnjih poglavjih.

3.3.3.3 Paket napake

Paket napake (angl. Error Frame) je posebno sporoˇcilo, ki po obliki ni niti pri- bliˇzno podobno ˇze omenjenima paketoma. Gre za sporoˇcilo, ki ga generira naprava, ki je pri prenosu paketa zaznala napako. Ker sporoˇcilo o napaki poˇslje vsem napravam na vodilu, bodo tudi ostale naprave poslale enako sporoˇcilo o napaki na vodilo. Poˇsiljatelj sporoˇcila, pri katerem je priˇslo do napake pri prenosu, nato samodejno ponovno poˇslje podatke. Dodelan sistem ˇstevcev napak v krmilniku CAN zagotavlja, da posamezna naprava ne more zasiˇciti vodila s prepogostim oddajanjem paketa v primeru napake na tej napravi.

Paket napake je sestavljen iz ˇsestih zaporednih dominantnih bitov ter osmih loˇcevalnih recesivnih bitov.

(40)

3.3.3.4 Paket preobremenitve

Cetrti tip paketa je paket preobremenitve (angl. Overload Frame). Sporoˇˇ cilo je generirano iz naprave, ki je preveˇc zasiˇcena s podatki, in ne uspe sproti obdelati vseh podatkov. Po zgradbi je paket preobremenitve podoben paketu napake. V danaˇsnjih ˇcasih se paket zelo redko uporablja oziroma ga veˇcina krmilnikov CAN ne podpira veˇc. Razlog je v dovrˇsenosti danaˇsnjih krmilnikov CAN, ki ˇze sami zagotovijo, da ne pride do preobremenitve.

3.3.4 Arbitraˇza

Gleda na to, da je lahko na posameznem vodilu CAN lahko povezanih ogromno naprav, si lahko predstavljamo, da lahko pogosto pride do hkratnega poˇsiljanja podatkov na vodilo z veˇc naprav. S tako imenovanim postopkom arbitraˇze se izvede uveljavljanje prioritete, ki poteka na povsem osnovnem, bitnem nivoju.

Kot je ˇze bilo omenjeno v prejˇsnjih poglavjih, se prioriteta nahaja v identifikatorju sporoˇcila. Pri protokolu CAN se namreˇc dodeljuje prioriteta samemu sporoˇcilu in ne napravam. S tem lahko zagotovimo, da pomembnejˇsi podatki, ki so lahko kritiˇcni za delovanje celotnega sistema, pridejo takoj in nemoteno na vrsto za prenos po vodilu. Ostale naprave, ki posredujejo ne tako kritiˇcne podatke, pa bodo poˇcakale v stanju pripravljenosti.

Ko vodilo ni v uporabi, se nahaja v recesivnem stanju (stanju logiˇcne enice).

Takrat lahko katera koli naprava zaˇcne oddajati na vodilo. Ob tolikˇsnem ˇstevilu naprav pa se velikokrat zgodi, da zaˇcne veˇc naprav hkrati oddajati na vodilo in prednost je potrebno dodeliti s postopkom arbitraˇze. Najviˇsjo prioriteto ima sporoˇcilo, ki ima v identifikatorju same niˇcle, saj najdlje drˇzi vodilo v aktivnem stanju, to je v stanju logiˇcne niˇcle, ki pa je dominanten bit. Ce bi v istemˇ ˇ

casu zaˇcelo veˇc naprav hkrati oddajati na vodilo, bi dobila dostop do vodila tista naprava, ki bi imela v identifikatorju najniˇzjo binarno vrednost. Z drugimi besedami, tista naprava, ki v postopku arbitraˇze prva odda enico, izgubi arbitraˇzo in prepusti dostop do vodila. Seveda pa je za postopek arbitraˇze potrebno, da vsak krmilnik CAN sproti posluˇsa dogajanje na vodilu.

(41)

3.3.5 Odkrivanje in odpravljanje napak

Odkrivanje in odpravljanje napak zagotovo spada med razloge za uˇcinkovitost in robustnost vodila. Protokol CAN vsebuje kar pet metod za detekcijo napak pri prenosu podatkov, od tega se tri izvajajo na nivoju celotnega sporoˇcila in dve na logiˇcnem bitnem nivoju. V primeru, da katera koli od petih metod zazna napako, naprava poˇslje na vodilo paket napake in poˇsiljatelj samodejno ponovno poˇslje sporoˇcilo. V primeru ponavljajoˇcega se poˇsiljanja paketa napake v eni od naprav, lahko zaznamo tudi napako na sami sprejemni strani naprave.

Prvi dve izmed treh metod detekcije napake na nivoju sporoˇcila sta tako imenovano preverjanje cikliˇcne odveˇcnosti ali CRC (angl. Cyclic Redundancy Check) in pa preverjanje ACK (angl. Acknowledgement Check). 16-bitni okvir CRC sporoˇcila vsebuje 15-bitno kontrolno vsoto in loˇcevalni bit. Okvir ACK pa je sestavljen iz potrditvenega bita in enega loˇcevalnega bita. Ce napravaˇ sprejme paket brez napak, odda dominanten bit na poloˇzaj ACK in s tem prepiˇse recesiven bit oddajnika; tako oddajnik ve, da je bilo sporoˇcilo pravilno sprejeto.

V nasprotnem primeru potrditveni bit ostane logiˇcna enica (recesivno stanje) in oddajnik ve, da sporoˇcilo ni bilo pravilno sprejeto. Tretja metoda za odkrivanje napake na nivoju celega paketa je tako imenovano preverjanje strukture sporoˇcila (angl. form check). V sporoˇcilu CAN imajo namreˇc nekateri biti stalno vrednosti in na tem temelji preverjanje strukture sporoˇcila. Preverjata se bita SOF, EOF ter loˇcevalna bita ACK in CRC. V primeru da se na teh mesti zazna dominanten bit oziroma logiˇcna niˇcla, naprava javi napako.

Na bitnem nivoju oddajnik spremlja vsak poslan bit sporoˇcila. ˇCe iz vodila potem razbere nepravilne vrednosti bitov v okvirju s podatki, javi napako. Ne preverjajo pa se biti identifikatorja in potrditvenega bita.

Zadnja metoda za detekcijo napake na bitnem nivoju je preverjanje tako imenovanega polnjenja bitov (angl. bit stuffing). Ta metoda preverja pravilo, ki je implementirano v protokolu CAN, da v sporoˇcilu ne sme biti veˇc kot pet zaporednih bitov z enako logiˇcno vrednostjo. Polnjenje bitov deluje tako, da po vsakem nizu, ki ima pet zaporednih bitov iste vrednosti, samodejno vstavi v sporoˇcilo bit nasprotne vrednosti brez informacije, da zagotovi dovolj pogoste prehode med niˇclami in enicami. Kot je ˇze bilo omenjeno, se naprave na vodilu CAN sinhroni-

(42)

zirajo s pomoˇcjo bitov na vodilu in so za dobro sinhronizacijo pomembni dovolj pogosti prehodi nivojev. Drugi razlog za polnjenje bitov pa je razlikovanje z ne- katerimi znaˇcilnimi in pomembnimi zaporedji. Eno izmed teh predstavlja paket napake, ki je sestavljen iz ˇsestih zaporednih dominantnih bitov in osmih recesivnih. Drugo znaˇcilno zaporedje pa predstavlja okvir EOF (angl. End Of Frame), ki je sestavljen iz sedmih enakih zaporednih bitov in oznaˇcuje konec sporoˇcila.

(43)

4 Napetostni pretvorniki

Napetostni pretvorniki oziroma napetostni stabilizatorji so naprave, ki zagota- vljajo konstantno napetost na izhodu kljub morebitnim spremembam vhodne napetosti in spremembi toka, ki ga potrebuje breme na izhodu. V elektroniki se v veˇcini uporabljata dve vrsti napetostnih regulacij, ki sta opisani v nadaljnjih poglavjih. Gre za linearne napetostne pretvornike in pa stikalne pretvornike.

4.1 Linearni napetostni pretvorniki

Najenostavnejˇsi naˇcin napetostne regulacije predstavljajo linearni napetostni regulatorji. Takˇsne vrste regulatorji omogoˇcajo le napetostno pretvorbo na niˇzje napetosti od vhodne, saj delujejo tako, da deleˇz neˇzelene napetosti napetostnega vira prevzamejo nase. Celotni regulator si lahko predstavljamo kot samodejno spremenljiv upor, ki je vezan zaporedno z bremenom.

Na sliki 4.1 je predstavljeno vezje osnovnega linearnega napetostnega regulatorja. Sestavlja ga tranzistor v konfiguraciji emitorskega sledilnika, ki je zaporedno vezan z diodo Zener. Upor R_S zagotavlja tok skozi diodo Zener D, na kateri se pojavi konstanten padec napetosti U_Z. Izhodna napetost takega regulatorja je potem enaka padcu napetosti na diodi Zener, ki se ji odˇsteje ˇse padec napetosti na bazno-emitorskem spojuU_BE tranzistorja, ki ponavadi znaˇsa okrog 0,65 V [7].

Seveda gre za osnovni napetostni regulator, ki ga lahko ˇse precej nadgradimo, da doseˇzemo boljˇso regulacijo ob spremembah vhodne napetosti in/ali bremena.

Najbolj oˇcitna in uˇcinkovita nadgradnja je dodajanje povratnega sklopa regula- torju. Ta je lahko izveden, kot prikazuje slika 4.2. Referenˇcno napetost, ki jo 23

(44)

24 Napetostni pretvorniki

Slika 4.1: Vezalna shema enostavnega linearnega napetostnega pretvornika [7].

ustvarja Zenerjeva dioda, primerjamo z ojaˇcevalnikom napake z napetostjo uporovnega delilnika na izhodnem delu. Ojaˇcevalnik napake potem odpira in zapira glavni tranzistor in s tem doseˇze precej boljˇso regulacijo [19].

Slika 4.2: Nadgradnja linearnega napetostnega pretvornika s povratnim sklopom.

Kljub ˇstevilnim nadgradnjam pa ostaja kar nekaj slabosti linearnih napetostnih regulatorjev. Pri takih regulatorjih delujejo tranzistorji v aktivnem po- droˇcju delovanja, zato so na njih moˇzni precejˇsnji padci napetosti in poslediˇcno se na njih lahko troˇsi veliko energije. To pa privede do precej slabega izkoristka

(45)

4.1 Linearni napetostni pretvorniki 25

pretvornika, ˇse posebej pri velikih prestavnih razmerjih. Na grobo lahko ocenimo izkoristek takˇsnega regulatorja kot koliˇcnik izhodne in vhodne napetosti regulatorja. Veliko troˇsenje moˇci na komponentah pa privede do drugega problema, in sicer odvajanja toplote. Takˇsno moˇc moramo odvajati s pomoˇcjo raznih hladilnih teles, ki pa le prispevajo k velikosti in teˇzi samega regulatorja.

4.1.1 Pretvorniki LDO

V posebno skupino linearnih napetostnih pretvornikov uvrˇsˇcamo regulatorje LDO (angl. Low-Dropout regulator). Gre za pretvornike, sposobne regulacije izhodne napetosti, ki je po vrednosti zelo blizu napajalni oziroma vhodni napetosti. Pre- tvornike LDO pogosto uporabljamo, kadar potrebujemo enostaven napetostni pretvornik manjˇsih prestav. Lahko gre za pretvornik s fiksno izhodno napetostjo ali pretvornik z nastavljivo izhodno napetostjo. Na sliki 4.3 je predstavljena enostavna vezalna shema nastavljivega pretvornika LDO.

Slika 4.3: Vezalna shema nastavljivega pretvornika LDO [7].

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

U₂₀ = (︃

1 + R₁ R2

)︃

U_REF (4.1)

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.

(46)

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 delovanje 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 enostaven pretvornik majhnih prestav. Pogosto se na tiskanih vezjih uporablja za generiranje reguliranih 3,3 V za napajanje procesorjev in drugih ˇcipov. V primerjavi s stikalnimi regulatorji tudi ne proizvajajo neˇzelenih viˇsjih harmonskih

(47)

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 regulatorjev, 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 pretvornik tipa ’flyback’. Ker sam pretvornik ni uporabljen v procesu nastajanja magistrskega dela, mu ne bomo posvetili veˇc pozornosti.

V veˇcini nizkonapetostnih aplikacij pa se uporabljajo neizolirani stikalni pretvorniki, ki uporabljajo le eno tuljavo za hranjenje energije. Poznamo veˇc osnovnih tipov neizoliranih 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.

(48)

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 kondenzatorje 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):

(49)

u_L=L (︃di_on

dton

)︃

(4.7) 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 tranzistorju.

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

(50)

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 stanjema 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)

(51)

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_L_on|=| ∆I_L_{of 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.

(52)

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.

(53)

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 modula. 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 kondenzatorjev in z bipolarno TVS (angl. Transient Voltage Suppression) diodo D₄₁ z oznako 5KP75CA. V primeru, da se na vhodu pojavi prenapetostna ˇspica, ki 33

(54)

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

(55)

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 napetost 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 tranzistorja krmili tudi pin SNS, ki meri tok s pomoˇcjo padca napetosti preko merilnega

(56)

36 Zasnova vezja

upora (angl. shunt resistor), na shemi oznaˇcenega kot R₁₀₅. V primeru, ko padec 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 tranzistorjem 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 izvedena z zaˇsˇcitno blokirno diodo, a ima takˇsna enostavna reˇsitev kar nekaj slabosti, kot so veˇcji padec napetosti in dodatne izgube v obliki toplote. Zaradi omenjenih 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 pretvornika 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.

(57)

Slika 5.4: Vezalna shema stikalnega pretvornika navzdol.

(58)

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 napetost. 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

(59)

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_L_max = 365 mA. Iz tega sledi izraˇcun najveˇcje moˇzne vrednosti toka, ki se lahko pojavi na izhodu:

I_L_max =I_IZH,max+ ∆I_L_max

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 podatkovnega 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

zeljeno spodnjo mejo vhodne napetosti:

U_{IN, meja}=UU V LO(T H)

(︃

1 + R₁₀₈ R₁₁₃

)︃

(5.6)

(60)

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 kontrolno 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 napetosti 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 sprememba 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 napetosti.

R₁₁₀C₁₂₀≤

(U_IN,min−U_IZH)×t_on(^@U^IN,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

(61)

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_L_max

8×FSW × ∆U_IZH_ripple (5.8)

pri ˇcimer smo za oceno vrednosti kondenzatorja upoˇstevali ∆U_IZH_ripple = 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 shranjevanje 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.