Применение 32-разрядных микроконтроллеров nec семейства V850ES/Sx2 в схемах источников питания Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Применение 32-разрядных микроконтроллеров NEC семейства V850ES/Sx2

в схемах источников электропитания

Евгений БУРКИН

burkin@mail.ru Геннадий ГОРЮНОВ

gennady.gr@eltech.spb.ru

Значительная часть источников питания в настоящее время конструируется на основе схем импульсных преобразователей напряжения или тока. В первую очередь это обусловлено более высоким коэффициентом полезного действия (КПД) таких устройств по сравнению с линейными источниками питания, а также более высокими удельными характеристиками: меньшей массой и физическим объемом источника при большей передаваемой мощности.

Рис. 1. Преобразователи постоянного напряжения ^ — понижающий, б — инвертирующий, в — повышающий, г — зависимость тока индуктивности от управляющего напряжения)

Наиболее популярные топологии базовых схем и их управляющие сигналы показаны на рис. 1, 2 и 3. В преобразователях постоянного напряжения, основу которых составляют схемы понижающего, повышающего и инвертирующего преобразователей (рис. 1), регулирование и стабилизация выходного напряжения или тока осуществляется путем модуляции тока дросселя (реактора) с помощью двухпозиционного ключевого элемента (на практике обычно это либо транзистор и диод, как показано на рис. 1, либо два транзистора). Путем изменения соотношения времени замкнутого (іи ) и разомкнутого (£п) состояний ключевого элемента осуществляется требуемое преобразование входных напряжения и тока.

Чаще всего используется модуляция на фиксированной частоте работы ключа, известная как ШИМ — широтно-импульсная модуляция (Т=СОП$Ъ іи=уат). Реже применяются частотная (ЧИМ) и комбинированная (ЧШИМ) виды модуляций [1, 2].

В большинстве случаев от системы управления требуется сформировать ряд синхронизированных либо по отношению друг к другу, либо к внешнему сигналу последовательностей импульсов, в которых частота, длительность импульса, паузы или взаимного фазового сдвига изменяется в функции управляющего воздействия.

Микроконтроллеры широко применяются в системах управления источниками питания, причем, в зависимости от требуемой частоты работы силовых ключей, либо весь регулятор строится на основе контроллера, либо он работает в связке с аналоговым ШИМ-контрол-лером, выступая в качестве «медленной» коррекции в контуре обратной связи. Обобщенная структурная схема первого способа реализации цифрового регулятора показана

на рис. 4. В зависимости от способа организации обратной связи (по отклонению, по возмущению или комбинированный способ) в системе присутствует ряд датчиков (PA, PV, PT и др.), нормированный сигнал с которых поступает на входы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) управляющего микроконтроллера. С другой стороны, задающее воздействие (Иоп) поступает в микроконтроллер от внешнего задатчика, либо через один из входов АЦП, либо через один из интерфейсов (UART, CAN, SPI и пр.), в случае дистанционного управления. Далее на основе сигналов обратной связи и управляющего воздействия вычисляется отклонение или ошибка выходной величины. После цифровой коррекции и с помощью модулей ШИМ на основе таймеров-счетчиков формируются выходные импульсные последовательности, которые через формирователи импульсов (ФИ) или драйверы управляют работой силовых ключей.

Наличие цифровой коррекции объясняется необходимостью обеспечения заданных статических и динамических характеристик преобразователя при условии сохранения устойчивости работы преобразователя. С точки зрения реализации цифровой коррекции передаточной характеристики микроконтроллер может быть представлен в виде дискретного фильтра, который осуществляет преобразование входной последовательности чисел (или, в случае многих датчиков и переменных — ряда последовательностей) в выходную (к=0, 1, 2, ...). Если не учитывать квантование по уровню, то есть пренебречь конечностью разрядов аналого-цифрового преобразователя и ограничиться линейными операциями, то разностное уравнение (условную программу микроконтроллера) можно представить в следующем виде:

N N , ,

у{кТ)= Ха„*[(£-л)7’]- ■ (1)

и=0 л=0

Рис. 2. Преобразователи переменного напряжения в постоянное — выпрямители

(а — однофазный, в — трехфазный, б и г — зависимость напряжения нагрузки от напряжения управления)

Рассмотрим в качестве примера реализацию цифрового ПИД-регулятора. Непрерывная передаточная функция такого регулятора описывается следующим выражением:

Ki

Gc(s) = Kp + -+Kd-s,

(2)

где Кр, К1, М — коэффициенты пропорциональной, интегральной и дифференциальной частей соответственно. Цифровая реализация этого регулятора получается путем замены операций дифференцирования и интегрирования разностными уравнениями. Проведя необходимые математические преобразования, получаем передаточную функцию цифрового ПИД-регулятора в следующем виде:

ос^кр+кі^+ка2^. (3)

На основании передаточной функции легко получить разностное уравнение, которое описывает алгоритм работы цифрового ПИД-регулятора:

У(кТ) = Kd

Kp+KiT +

Kd

x(kT )-

(4)

x^k-\)T~\+Kiy%k-])f\.

Легко видеть, что выражение (4) является частным случаем общего выражения (1).

Обобщая, можно сказать, что для реализации цифрового регулятора в современных ис-

+Е

а

Рис. 3. Двухпозиционного ключевой элемент и диаграммы его работы

точниках питания от микроконтроллера требуются: развитая система ШИМ-модулей на основе таймеров, скоростной аналого-цифровой преобразователь и высокая скорость выполнения базовых математических операций.

Всеми этими особенностями обладают современные 32-разрядные микроконтроллеры. Нами были рассмотрены семейство V850ES/Sx2 (S_Series) от NEC и семейство AT91SAM7S с ядром ARM от Atmel. Общая информация о микроконтроллерах семейства V850ES/Sx2 и AT91SAM7S приведена в таблице 1.

Предпочтение было отдано микроконтроллерам NEC, в основном, по двум причинам.

Во-первых, микроконтроллеры ARM ориентированы на работу в ОЗУ, следовательно, менее устойчивы к воздействию сильных электромагнитных полей, характерных для силовой электроники. В отличие от ARM7, ядро V850ES в рассматриваемых микроконтроллерах принципиально исполняет команды, записанные во Flash-памяти, следовательно, является потенциально более стабильным.

Во-вторых, микроконтроллеры NEC имеют более развитую и интеллектуальную структуру таймеров. Особенности периферийных устройств МК семейства V850ES/Sx2 приведены в таблице 2.

В состав микроконтроллеров входят: девять 16-разрядных таймеров, 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь со временем преобразования 2,6 мкс, полный набор последовательных интерфейсов (CAN, UART, SPI, IIC). Большинство математических операций выполняются за один такт (знаковое умножение 1-5 тактов).

Аналогичные характеристики имеют семейства V850ES/Sx3 и V850ES/Jx2. Микроконтроллеры V850ES/Sx3 могут работать на частотах до 32 МГц и имеют объем Flash-памяти от 256 кбайт до 1 Мбайт, а особенностью V850ES/Jx2 является малая цена, отсутствие интерфейса CAN и объем Flash-памяти от 128 до 640 кбайт.

Основные режимы работы и характеристики таймеров показаны в таблице 3.

Легко видеть, что разнообразие функций, режимов и количество таймеров позволяют реализовать большинство управляющих сигналов традиционных схем источников питания.

Для иллюстрации этого на кафедре промышленной и медицинской электроники Томского политехнического университета при использовании Demonstration Kit EB-V850ES/SG2-EE был разработан прототип преобразователя постоянного напряжения понижающего типа со следующими характеристиками: частота работы ключевого элемента — 20 кГц; входное напряжение — 15 В, выходное напряжение (ток) — 10 В (1-2 А). Был реализован П-регулятор. Диаграммы выходного тока и напряжения при скачкообразном изменении нагрузки показаны на рис. 5.

В качестве средств разработки для микроконтроллеров семейства S_Series могут исполь-

Таблица 1. Общая информация о микроконтроллерах семейств V850ES/Sx2 и AT91SAM7S

Ядро/ семейство Наименование Flash- память прог- рамм, Кбайт ОЗУ, Кбайт Производительность во Flash/ MIPS, МГц Напряжение питания, В Корпус Периферия

uPD70F3261 384 32 84I/O;5CSIB;3UART; I2C; Data8/Adress16;

Is 5S 8 V uPD70F3263 640 48 29/20 2,85-3,6 LQFP100 QFP100 10TIM; PWM9x16; ADC12x10bit, DAC2x8bit; LIN, 4-ch DMA; LVI; CM; SV; OCD

uPD70F3281 384 32 CAN

uPD70F3283 640 48

uPD70F3264 384 32 128I/O;6CSI;4UART; I2C; Data8/Adress16;

uPD70F3266 640 48

V850ES/SJ2 uPD70F3284 384 32 29/20 2,85-3,6 TQFP144 CAN 13TIM; PWM12x16; ADC16x10bit, DAC2x8bit;

uPD70F3286 640 48 UN, 4-ch DMA; LVI; CM; SV; OCD

uPD70F3288 640 48 2CAN

AT91SAM7S321 32 8

ARM7TDMI AT91SAM7S64 64 16 27/30 1,65-1,95/ LQFP64 32I/O; 4TIM; 1SPI; 1UART;

AT91SAM7S128 128 32 3,0-3,6 ADC8x10bit; USB; 2-Wire; SSC

AT91SAM7S256 256 64

Краткие обозначения:

ADC — аналого-цифровой преобразователь

CM — узел слежения за опорной частотой

CSIB — 3-проводной последовательный интерфейс (аналог SPI)

DMA — контроллер прямого доступа к памяти

I/O — порты ввода-вывода

LIN — интерфейс LIN

LVI — индикатор снижения напряжения питания

OCD — возможность JTAG-отладки

PWM — таймеры, работающие в режиме ШИМ

SV — одно напряжение программирования (возможность самопрограммирования)

TIM — Ообщее количество таймеров

UART — стандартный асинхронный последовательный порт

Рис. 5. Верхний луч — ток дросселя, 1 А/дел, ноль в начале координат; нижний луч — напряжение на нагрузке, 5 В/дел., ноль в —3 деления.

Временная ось — 2,5 мс/дел

зоваться: оценочный комплект EB-V850ES/ SG2-EE, JTAG-отладчик QB-V850MINI-EE и полнофункциональный эмулятор QB-V850ESSX2-ZZZ-EE.

Несколько слов об оценочном комплекте EB-V850ES/SG2-EE. Его внешний вид приведен на рис. 6.

Краткие технические характеристики:

• Семейство микроконтроллеров:

S_Series (V850ES/Sx2).

• Микроконтроллер: uPD70F3281YGC-8EU.

• Интерфейс CAN: 1 канал.

• Flash-память: 384 кбайт.

• ОЗУ: 32 кбайт.

• Комплектность:

- источник питания 12 В;

- кабель UART;

- программное обеспечение.

В заключение можно сказать, что 32-разрядные микроконтроллеры семейства V850ES/Sx2 благодаря своим отличным характеристикам позволяют легко и быстро реализовать достаточно сложные алгоритмы цифрового управления источниками питания. ■

Литература

1. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания / Пер. с англ. М.: Энерго-атомиздат. 1990.

2. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания / Пер. с англ. под ред. Л. Е. Смольникова. М.: Энергоатомиздат. 1988.

3. Багинский Б. А. Бестрансформаторные преобразователи переменного напряжения в постоянное. Томск: Изд-во Том. ун-та. 1990.

4. Цыпкин Я. З. Основы теории автоматических систем. М.: Наука. 1977.

Характеристика Параметры Краткое описание

Частота, fx 20 МГц Внутренняя схема PH: *4/*8

Память RAM Flash (ROM) 24 ... 48 кбайт 384/640 (256-640) кбайт 64 Мбайт линейного адресного пространства для программ и данных. Внешнее расширение памяти: 16 Мбайт (интерфейс внешней шины с раздельной или мультиплексируемой шиной, 8/16-разрядный)

Порты ввода-вывода 84 40 выводов являются 5 В толерантными с возможностью настройки в режим открытого стока.

Таймеры 1-16р - ТММ 6-16р - ТМР 1-16р - ТМО 8 независимых 16-разрядных таймеров, причем 7 имеют входы-выходы, режим ШИМ и возможность внешней синхронизации.

Watch timer

Watchdog timer

Интерфейсы UARTA/CSIB* UARTA/IIC CSIB*/IIC CSIB* 1 канал 2 канала 1 канал 3 канала Все интерфейсы традиционные, без буферов. Разделяют между собой выводы контроллера.

Дополнительно CAN ADC DAC DMA 1 канал 12 каналов 2 канала 4 канала 10 разрядов, минимальное время преобразования 2,6 мкс 8 разрядов, время установления 20 мкс

Примечание: * CSIB — аналог интерфейса SPI

Таблица 3. Основные режимы работы и характеристики таймеров семейства У850БЗ/Зх2

Interval timer mode

External trigger pulse output mode

С приходом разрешения (СЕ) таймер начинает считать. В моменты сравнения выходы (Т0Рп0 и ТОРп1), если они разрешены, изменяют свое состояние на обратное, затем вырабатываются прерывания пс сравнению. Автоматический сброс происходит в момент сравнения 0. Возможна независимая инверсия выходных сигналов.

CE-F

TIPnO

ТОРпО

ТОРгй"

1“

С приходом разрешения (СЕ) таймер ожидает прихода внешнего импульса синхронизации Т1Рп0 (определенного фронта этого импульса), после чего начинает считать. Выходы изменяют свое состояние в моменты сравнения в соответствии с диаграммой. Сброс таймера происходит либо в момент сравнения 0, либо по внешнему сигналу Т1Рп0.

С приходом разрешения (СЕ) таймер ожидает прихода внешнего импульса синхронизации Т1Рп0 (определенного фронта этого импульса), после чего начинает считать. Сброс таймера происходит в момент сравнения с 0 и дальнейший счет таймера останавливается до прихода очередного импульса синхронизации Т1Рп0. Выходы изменяют свое состояние в моменты сравнения в соответствии с диаграммой.

С приходом разрешения (СЕ) таймер начинает считать. На выходе ТОРпО формируется сигнал типа меандр, частота которого определяется значением D0 регистра сравнения и основной частотой контроллера (с учетом делителя). На выходе ТОРп1 формируется широтно-модулированный сигнал, длительность импульса которого определяется значением D1 регистра сравнения.

СЕ_

ТОРпО

ТОРп1

do/

р/Г IZ.

ра/

□И

В этом режиме таймер циклически непрерывно считает от нуля до РРРРИ, при этом в моменты сравнения может изменяться состояние соответствующих выходов (как показано на диаграмме), либо по внешним сигналам будет осуществляться захват текущего значения таймера. Результат сохраняется в тех же регистрах сравнения.

В этом режиме осуществляется захват текущего значения таймера по внешним сигналам Т1Рп0 и Т1Рп1. Результат сохраняется в соответствующих регистрах ТРпССЭД и ТРпССИ. В моменты захвата вырабатываются прерывания.

Для этого таймера существуют те же шесть режимов, что и для таймеров ТМР. Важная особенность этого таймера — четыре регистра сравнения с соответствующими выводами.

Interval timer mode

Один регистр сравнения и нет внешних

Этот таймер используется только в интервальном режиме.

Таймер

Режим работы

External event count mode

Синхронизация осуществляется через внешний вывод TIPnO (или программно). Этот режим характеризуется теми же диаграммами, что и Interval timer mode.

One-shot pulse output mode

!MPn 16 бит, n=

PWM output mode

Free-running timer mode

Pulse width measure ment mode

!MQC 16 бит

!MMO 16 бит