цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » » Если нет LDO-стабилизатора: простой и экономичный метод питания микроконтроллера

Если нет LDO-стабилизатора: простой и экономичный метод питания микроконтроллера

Автор: Mike(admin) от 1-11-2020, 23:55

Инженерное дело – это не поиск наиболее эффективных, сложных и надежных решений для каждой задачи. Ожидается, что инженеры могут сбалансировать технические характеристики с бюджетными и календарными ограничениями, чтобы окончательная система была оптимизирована с учетом всех соответствующих факторов проектирования.


Если нет LDO-стабилизатора: простой и экономичный метод питания микроконтроллера

Иногда легче найти готовую микросхему, чем разработать индивидуальную схему, и этот подход становится еще проще, когда мы можем положиться на превосходные характеристики микросхемы и уверить себя в том, что система благодаря этому становится более надежной. Но что, если микросхема стоит в два раза дороже, чем индивидуальная схема, которая является адекватной, то есть отвечающей системным требованиям?


Итак, сегодня рассмотрим пример оптимальной инженерии. Предположим, что мы имеем микроконтроллер, питаемый от 3,3 В, на печатной плате, на которой уже есть шина 5 В. Возможно, первичное питание продукта (например, от трансформатора) составляет 5 В, или, возможно, коммутатор генерирует 5 В для других компонентов на плате. В любом случае, у вас есть 5 В, и вам нужно 3,3 В для небольшого маломощного микроконтроллера, который последовательно выполняет основные задачи мониторинга, управления и связи.


Представим, что мы работаем в сфере бытовой электроники: продукт не должен выдерживать резких перепадов температуры, от этого не зависит жизнь человека, а минимизация затрат является центральной целью проектирования. Какой-нибудь сверхпроектировщик, инстинктивно потянулся бы к микросхеме с линейным стабилизатором, вероятно, с мощностью в пять раз большей, чем нужно, и набором феноменальных спецификаций, не имеющих отношения к применению – точность выходного напряжения 2% во всем диапазоне температур, входное напряжение до 20 В, регулировка 0,001%/В и т. д.


Вы можете подумать, мы будем использовать стабилизатор на основе стабилитронов, но мы приведем даже более простое решение: это просто последовательное соединение трех обычных диодов.


Если нет LDO-стабилизатора: простой и экономичный метод питания микроконтроллера

Все, что мы здесь делаем, это используем падение напряжения на диодах, чтобы вывести шину 5 В в допустимый диапазон напряжения питания микроконтроллера. И это сработает? Что ж, сначала давайте посмотрим на основные соображения по напряжению и току. Возьмем в качестве примера процессоры Silicon Labs,. Старые устройства на 3,3 В в их линейке имеют диапазон VDD от 2,7 до 3,6 В, а более новые – от 2,2 до 3,6 В. Таким образом, мы видим, что:


  • Три диода с падением напряжения 600 мВ на штуку, дали бы нам 3,2 В
  • Мы останемся в пределах 2,7–3,6 В, даже если все три элемента будут иметь падение напряжения до 470 мВ или до 750 мВ
  • В диапазоне 2,2–3,6 В новых микроконтроллеров прямое напряжение на диоде может составлять от 470 мВ до 930 мВ

Трехдиодный «стабилизатор» напряжения было бы легко реализовать, если бы мы могли полагаться на модель постоянного падения напряжения. Но в таком приложении нам нужен более точный аналитический подход. Точное падение напряжения на диоде является плавно изменяющейся функцией тока. Таким образом, напряжение питания, остающееся после трех падений диодов, будет значительно меняться в зависимости от того, какой ток потребляет микроконтроллер в любой данный момент. Что нам нужно сделать, так это тщательно оценить потребление тока микроконтроллером, а затем график прямого тока в зависимости от прямого напряжения в таблице данных диода поможет нам определить, будет ли падение напряжения на диоде в пределах допустимого диапазона. Вот пример:


Если нет LDO-стабилизатора: простой и экономичный метод питания микроконтроллера

Допустим, мы стараемся оставаться в диапазоне напряжения питания 2,7–3,6 В. Если мы работаем при комнатной температуре, и микроконтроллеру требуется 1 мА, у нас будут падения в области 600 мВ. Это приближает нас к середине диапазона VDD. Нижний и верхний пределы напряжения на диоде, как упоминалось выше, составляют 470 мВ и 750 мВ, и они соответствуют диапазону потребления тока примерно от 80 мкА до 10 мА (80 мкА является приблизительным значением, поскольку график не расширяется к таким низким токам).


Для приложения, подобного тому, которое мы рассматриваем в этой статье, 10 мА было бы довольно большим, если только микроконтроллер не должен обеспечивать серьезный ток ввода-вывода для управления светодиодами или чем-то подобным. Например, Busy Bee EFM8 потребляет всего около 4,5 мА при работе на частоте 24,5 МГц. Потребление тока снижается до 0,9 мА на частоте 1,53 МГц.


Трехдиодный стабилизатор кажется приемлемым вариантом и, вероятно, может обеспечить адекватную производительность во многих приложениях. Однако, прежде чем мы перейдем к анализу затрат, нам необходимо обсудить важное ограничение.


По мере того, как потребление тока микроконтроллером уменьшается, падение напряжения на диодах также уменьшается, и это приводит к более высокому напряжению, подаваемому на вывод VDD устройства. Если напряжение VDD слишком высокое, микроконтроллер может быть поврежден. Это могло бы произойти, когда устройство переходит в спящий или ждущий режим с низким энергопотреблением.


Однако есть еще одна возможность, что нормальный сброс приведет к временному снижению потребления тока. Это будет переходным процессом, и, следовательно, байпасный конденсатор может защитить микроконтроллер.


Решением этих проблем является включение дополнительных схем, которые не позволяют току когда-либо становиться опасно низким. Это может быть выполнено автоматически, если у вас есть другие компоненты, пропускающие ток через диоды. В противном случае вы можете включить резистор, размер которого соответствует минимально допустимому току диода.


Если нет LDO-стабилизатора: простой и экономичный метод питания микроконтроллера

Самая недорогая микросхема линейного регулятора, которую можно найти на Digi-Key, стоит 4,3 цента (все цены, упомянутые в этом разделе, относятся к оптовым заказам, то есть тысячам единиц). Если байпасный конденсатор микроконтроллера не обеспечивает достаточной стабилизации регулятора, вам также понадобится выходной конденсатор. Керамический конденсатор емкостью 1 мкФ добавит 0,3–0,4 цента к стоимости.


В продаже имеются трехдиодные матрицу (то есть три независимых диода в одном корпусе для поверхностного монтажа) по цене 2 цента. Стоимость отдельных диодов для поверхностного монтажа составляет около 1,2 цента, а общая стоимость составляет 3,6 цента. Резистор будет немного дешевле конденсатора, может быть 0,2 цента.


Эти цифры показывают, что данное решение на основе трех диодов выгоднее использования самого дешевого LDO-стабилизатора. Однако это упрощенный анализ, и если учесть все факторы покупки, трехдиодное решение будет выглядеть еще лучше с экономической точки зрения.




© digitrode.ru




Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий
Цитата
  • Группа: Гости
  • ICQ:
  • Регистрация: --
  • Статус:
  • Комментариев: 0
  • Публикаций: 0
^
Гениально.