Embedded Computing

Mikrocontroller machen Stromversorgungen noch intelligenter

| Autor / Redakteur: Joseph Julicher * / Margit Kuther

Ein Hybridansatz als goldener Mittelweg

Bild 1: Eine Stromversorgung auf Basis des PIC16F753
Bild 1: Eine Stromversorgung auf Basis des PIC16F753 (Bild: Microchip)

Der Mittelweg zwischen den oben beschriebenen Szenarien ist der Hybrid-Ansatz. Dabei enthält ein Mixed-Signal-Controller die erforderliche Analog-Peripherie, die wiederum in einem einzigen Baustein untergebracht ist, z.B. in der PIC16F753 MCU von Microchip. Ebenfalls integriert im 14-Pin-Gehäuse sind ein Operationsverstärker, ein Slope-Kompensator, D/A-Wandler, Komparatoren und ein PWM-Controller.

Jeder Peripherieblock ist programmierbar, und die Kombination der Blöcke ermöglicht verschiedene Konstantstromversorgungen. Da sie softwaregesteuert sind, erfolgt die Konfiguration dynamisch, was eine Anpassung an sich ändernde Versorgungsbedingungen ermöglicht. Der Baustein kann somit als Hysterese-Controller konfiguriert werden – mit einem einfachen Firmware Feed-Forward-Regler im Standby-Modus – ermöglicht aber die schnelle Rekonfiguration für Dauerstrombetrieb bei einer anderen Betriebsfrequenz, sobald mehr Leistung erforderlich ist.

Vereinfachtes Design und niedrigere Bauteilanzahl

Bild 2: Betrieb als Zusatzstromversorgung zur Stromregelung in einem LED-Strang
Bild 2: Betrieb als Zusatzstromversorgung zur Stromregelung in einem LED-Strang (Bild: Microchip)

Da sich die Stromversorgungsregelung vollständig innerhalb der MCU befindet, sind keine zusätzlichen Bauteile erforderlich, die später in den Entwicklungszyklus eingebracht werden müssen. Damit vereinfacht sich das Design und die Bauteilanzahl sinkt. Da die Lösung voll integriert ist, kann die Firmware alle Stromversorgungsparameter überwachen, ohne dafür den Designprozess ändern zu müssen. Die Kommunikationsschnittstelle lässt sich durch das Stromversorgungs-Entwicklungsteam erstellen und verifizieren.

Minimale Änderungen am Schaltnetzteil genügen

Eine Stromversorgung auf Basis des PIC16F753 ist in Bild 1 dargestellt. Die meisten Implementierungen sind geringfügige Veränderungen eines gängigen Schaltnetzteils.

Der Complementary Output Generator (COG) erzeugt einen komplementären Ausgang mit einer programmierbaren Totzone von ansteigenden und abfallenden Eingängen, während der CCP so konfiguriert ist, dass er eine programmierbare Frequenzanstiegsflanke erzeugt.

Bild 3a: Die Flussdiagramme der Bilder 3a bis 3c zeigen den Grad an Intelligenz, der nach der Konfiguration hinzugefügt werden kann. Damit werden zahlreiche Anwendungen abgedeckt.
Bild 3a: Die Flussdiagramme der Bilder 3a bis 3c zeigen den Grad an Intelligenz, der nach der Konfiguration hinzugefügt werden kann. Damit werden zahlreiche Anwendungen abgedeckt. (Bild: Microchip)

Der Komparator C1 erzeugt die abfallende Flanke, wenn der Strom den Ausgang des Slope-Kompensators übersteigt. CCP und C1 lassen sich kombinieren, um einen maximalen Tastgrad zu erreichen, der bei einigen Topologien erforderlich ist, z.B. Boost, Flyback und SEPIC. Der Operationsverstärker (OPA) sorgt für Rückkopplung und Kompensation, und der DAC stellt die Referenz für den Verstärker zur Verfügung (obwohl die Festspannungsreferenz FVR ebenfalls verwendet werden kann, wenn eine Programmierung nicht erforderlich ist). Der Slope-Kompensator lässt sich über die Komparatoren oder den COG zurücksetzen und nutzt eine programmierbare Stromsenke, um einen vorgeladenen Kondensator zu entladen (in diesem Fall wird die Ladung durch den Operationsverstärker festgelegt).

Bild 3b: Die Flussdiagramme der Bilder 3a bis 3c zeigen den Grad an Intelligenz, der nach der Konfiguration hinzugefügt werden kann. Damit werden zahlreiche Anwendungen abgedeckt.
Bild 3b: Die Flussdiagramme der Bilder 3a bis 3c zeigen den Grad an Intelligenz, der nach der Konfiguration hinzugefügt werden kann. Damit werden zahlreiche Anwendungen abgedeckt. (Bild: Microchip)

Dies ist eine relativ einfache Konfiguration. Bild 2 zeigt den Betrieb als Zusatzstromversorgung zur Stromregelung in einem LED-Strang. Die Flussdiagramme der Bilder 3 a bis 3 c zeigen den Grad an Intelligenz, der nach der Konfiguration hinzugefügt werden kann. Damit werden zahlreiche Anwendungen abgedeckt.

Eine einfache MCU bringt Intelligenz in die Stromversorgung

Bild 3c: Die Flussdiagramme der Bilder 3a bis 3c zeigen den Grad an Intelligenz, der nach der Konfiguration hinzugefügt werden kann. Damit werden zahlreiche Anwendungen abgedeckt.
Bild 3c: Die Flussdiagramme der Bilder 3a bis 3c zeigen den Grad an Intelligenz, der nach der Konfiguration hinzugefügt werden kann. Damit werden zahlreiche Anwendungen abgedeckt. (Bild: Microchip)

Intelligentere Stromversorgungen bieten zahlreiche Vorteile und lassen durch einfaches Hinzufügen einer MCU realisieren. Noch umfassender ist eine vollintegrierte Lösung wie ein hochleistungsfähiger dsPIC oder eine Mixed-Signal-MCU, die alle Leistungsmerkmale und Peripherie enthält, die zur Entwicklung eines intelligenten Single-Chip-Schaltnetzteils erforderlich sind.

Smart Power hat somit das Potenzial, den Betrieb elektrischer Geräte deutlich zu beeinflussen – vor allem bezüglich eines besseren Wirkungsgrads. Mit den heute erhältlichen kostengünstigen, voll integrierten Lösungen sind intelligente Lösungen einfacher als je zuvor.

* Joseph Julicher ist Engineering Manager MCU08 Applications bei Microchip Technology.

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