La possibilità di realizzare sia un alimentatore Buck sincrono che uno Boost con controllo 100% analogico della regolazione di uscita può essere messa in pratica utilizzando un unico microcontrollore. In entrambi i casi, l'implementazione ha il vantaggio di non utilizzare del tutto la potenza del processore, lasciando il core libero per il firmware più complesso. Inoltre, il loop analogico ha un tempo di risposta più veloce nel caricare variazioni di step e della tensione di input, rendendo ciò utile per moltissime applicazioni. Il microcontrollore in questione è il PIC16F753 di Microchip. Il converter Buck e quello Boost necessitano dello stesso set di periferiche: un generatore complementare di output; comparatore; amplificatore operazionale; convertitore a 9 bit analogico-digitale; tensione di riferimento fissa; modulo di slope compensation; e modulo Pwm di capture and compare. Le periferiche dovrebbero essere connesse internamente attraverso il firmware, riducendo il numero di pin esterni necessari.
Schemi elettrici
Il range operativo di ingresso per i convertitori Buck va da 8 a 16 Vdc. I valori di uscita sono 5 Vdc, 2 A e 10 W. La dimensione codice è 105 words, dimensione Ram 0byte, dimensione codice disponibile 1943 words e dimensione Ram disponibile 128 byte. Efficienza misurata a 2 A pari al 94%.La tensione di uscita dovrebbe essere regolata utilizzando il peak current mode control e comparata con la tensione di riferimento dall'amplificatore operazionale di errore. Il risultato può quindi alimentare il comparatore di corrente di picco. Il modulo di compensazione slope interno sottrae una rampa programmabile software dall'uscita dell'amplificatore d'errore prima del comparatore di corrente di picco. Il modulo Pwm capture and compare Ccp offre una frequenza fissa, segnale di controllo del duty cycle fisso e l'uscita del comparatore di corrente di picco è selezionato come seconda origine (level-based) per il margine di caduta del Cog (Complementary output generator). Il convertitore Boost lavora nello stesso modo. Ci sono però alcune differenze nelle specifiche. In questo caso, il range di tensione di ingresso è tra 3 e 5 Vdc. I valori di uscita sono i medesimi, come pure la Ram. La dimensione codice è di 99 parole e la dimensione codice disponibile è di 1949 parole. L'efficienza a 2 A è pari all'87%.
Modalità di funzionamento
Dopo che le periferiche siano state configurate e connesse tra di loro, il loop di controllo girerà da solo, non richiedendo tempo da parte del processore. Gli schemi di controllo della corrente di picco richiedono una compensazione slope per duty cycle oltre il 50 per cento per evitare l'oscillazione. Per duty cycle più bassi, inferiori, la compensazione slope aiuterà anche a stabilizzare il loop di controllo se la corrente di shunt è piccola. Il PIC16F753 ha un modulo di compensazione slope interno che può essere utilizzato per sottrarre una rampa programmabile dall'uscita dell'amplificatore d'errore prima che questo alimenti il comparatore di corrente di picco. Per alimentatori switching sincroni, un piccolo dead time per i segnali di controllo dei transistor è necessario, per evitare il current shoot-through. I Cog possono generare questo segnale basato o sulla frequenza dell'oscillatore o su una catena di ritardo analogica. La catena di ritardo consente all'utente di impostare i dead time con una risoluzione di 5 ns, più adeguati a piccoli transistor. Per questa applicazione presa in esame, il dead time era impostato a 30 ns.
Per la topologia Buck, la corrente dell'induttore è uguale alla corrente di carico. Per essere in grado di misurare la corrente di picco dell'induttore utilizzando un low-side shunt, alcune modifiche erano necessarie. Normalmente, lo shunt vede la corrente filtrata di output che non è utilizzabile nello schema di controllo della corrente di picco. Collegando a terra il condensatore d'uscita attraverso lo shunt, l'Esr è maggiore ma la forma d'onda risultante coincide strettamente con la forma d'onda dell'induttore. L'aspetto negativo di questo metodo è l'efficienza leggermente inferiore, ma un high-side shunt normalmente richiede un circuito addizionale (current mirror o IC specializzato), che quindi si aggiunge ai costi. Per la topologia Boost, la corrente dell'induttore è uguale alla corrente di ingresso. La corrente di picco dell'induttore veniva misurata direttamente su una resistenza posta tra il transistor sorgente e terra.
Input e Output
La limitazione della corrente output non è integrata nel loop di controllo ed un secondo comparatore dovrebbe essere utilizzato per questo e selezionato come sorgente di auto-shutdown per il Cog. L'uscita dell'amplificatore di errore è il limite di corrente di picco dell'induttore, quindi tenere questo valore basso attraverso un divisore a resistenza è d'aiuto nei problemi di inrush current e condizioni catastrofiche di corto circuito. L'aspetto negativo di questo approccio è che il guadagno di sistema è ridotto e quindi risponderà più lentamente ai transienti. Il pin di uscita dell'op amp è lo stesso pin di ingresso del modulo di compensazione slope, quindi le due periferiche possono essere utilizzate insieme senza alcuna connessione aggiuntiva esterna. Se si utilizzano divisori a resistenze per limitare la tensione di uscita dell'op amp, questo deve essere collegato esternamente al pin di ingresso del buffer della Fvr (Fixed voltage reference). Le tensioni di ingresso dei convertitori Boost dovrebbero essere connesse al microcontrollore utilizzando un piccolo diodo e legate all'output. Perciò, quando la tensione di uscita sale alimenterà il microcontrollore e driver del Mosfet. Questo è più efficiente poiché un più elevato Vgs migliorerà l'Rds(On) e l'intervallo sotto i 4,5 V è problematico per la maggior parte dei transistor di potenza. Ciò fa del Fvr il solo riferimento stabile disponibile, ed il circuito richiede solo poche modifiche per assicurare che la tensione di riferimento del loop sia sempre indipendente dall'alimentazione o dalla tensione di uscita. Dato che la tensione di riferimento del loop di controllo è derivata dal Dac, questa periferica ha anche bisogno un riferimento stabile. L'Fvr di 1,2 V era stato selezionato come riferimento Dac, soddisfacendo quindi a tutti questi prerequisiti. La topologia Boost ha un chiaro percorso Dc dall'alimentazione all'output, attraverso l'induttore e il diodo rettificatore, persino se il transistor switching fosse bloccato. Il loop di limitazione della corrente può solo prevenire sovracorrenti fino a che la frequenza switching non diventi zero. Da questo punto in avanti, eventi di corto circuito catastrofici possono accadere senza un commutatore addizionale di protezione. Un secondo transistor può essere posizionato sull'output low side per tagliare il carico in caso di corto circuito. Per protezioni da corto circuito basate su comparatore, il riferimento deve essere stabile attraverso tutto il range di tensioni operative. Poiché la output shunt voltage corrente è solitamente troppo piccola per essere utilizzata con Fvr a 1,2 V direttamente, ha bisogno di essere collegato esternamente attraverso il buffer Fvr e quindi attraverso un divisore resistivo per ottenere la tensione di riferimento desiderata per il comparatore. Dato che il buffer Fvr è utilizzato in questo modo, l'uscita dell'op amp deve essere usata direttamente con il modulo di compensazione slope, senza un divisore addizionale. Questo non utilizza alcuna risorsa da parte del processore ma utilizza anche più pin e periferiche. Per protezioni da corto circuito Adc-based, la current shunt voltage e le Fvr vengono letti nel firmware. La tensione Fvr è necessaria per calcolare il Vdd (quando inferiore a 5 V), che in questo caso è la tensione di riferimento Adc. Sebbene ciò non utilizzi un extra comparatore, pin di I/O o resistenze esterne, sarà necessario un piccolo spazio di programma e di tempo del processore. Il convertitore deve essere compensato per uno specifico carico e la stabilità deve essere verificata attraverso l'intero range si condizioni operative. Se paragonato all'utilizzo di un chip di controller Pwm specializzato, le prestazioni sono simili ma un microcontrollore PIC aggiunge flessibilità. Inoltre, il loop di controllo analogico gira in maniera autonoma, e in questo modo il core del microcontrollore è totalmente libero di eseguire algoritmi dell'utente, misurare parametri di alimentazione o trasmettere informazioni rilevanti.
Applicazioni
Il loop di controllo analogico rende l'alimentatore abbastanza veloce per le variazioni di carichi dinamici e tensioni di ingresso. Per carichi controllati dalla corrente come Led o celle termoelettriche, il feedback della tensione può essere rimpiazzato dal feedback del valore medio di corrente. L'alimentatore può anche essere utilizzato per applicazioni che richiedono controllo sia della tensione che della corrente, come ad esempio i carica batterie CC e CV. Il PIC16F753 ha una risoluzione di 9 bit, che si traducono in un gradino di tensione minima di 20 mV con un divisore per due dell'uscita per il convertitore Buck e 50 mV con un divisore di uscita per cinque per il convertitore Boost. L'applicazione ha bisogno di un op amp, un comparatore e un Dac. L'uscita Dac può essere collegata internamente verso l'op amp, e in questo modo risparmiare un pin. Il modulo Ccp genera una frequenza fissa, segnale fisso di duty cycle per il Cog. A seconda delle opzioni utente per limitare l'output Opa, il divisore resistivo ha bisogno di essere connesso esternamente all'input del buffer Fvr. Ove non fosse in uso un divisore resistivo, solo un pin viene utilizzato anziché due. In questo caso, l'output dell'op amp, che è lo stesso ingresso del modulo di compensazione slope, è configurato come un pin analogico e non dovrebbe essere utilizzato per altri usi. Il pin digitale input-only può essere utilizzato per un pulsante o per funzionalità analoghe. Durante il run-time, il pin di ingresso di programmazione dati e due altri pin sono disponibili per funzionalità user-specific.
Convertitori Boost alternativi
Gli alimentatori Boost a controllo digitale possono anche essere realizzati utilizzando il PIC12F1501. Questo ha una buona efficienza con i carichi leggeri, protezione hardware da sovracorrente e utilizza un limitato numero di componenti. Le periferiche necessarie sono due canali Adc 10bit, un Fvr, comparatore, oscillatore numericamente controllato e generatore di forma d'onda. Le periferiche sono connesse internamente attraverso il firmware, riducendo il numero di pin esterni a tre. La tensione e corrente di uscita vengono regolati utilizzando un loop di controllo proporzionale. I valori di uscita vengono letti utilizzando due canali Adc e il segnale di controllo è regolato di conseguenza. L'oscillatore controllato numericamente utilizza impulsi fissi nel tempo con frequenza variabile per regolare la modulazione di frequenza degli impulsi del duty cicle.
