Introducere

Să introducem câteva atenții care trebuie aplicate pe fiecare circuit, comune tuturor proiectelor descrise mai jos.

Așa cum se explică în fișa tehnică a seriei SAMA5D2 Tabelul 66-3: Caracteristici DC, diferitele surse de alimentare necesare pentru operația MCU pot admite un nivel de ondulare bine în cadrul caracteristicilor multor regulatoare de comutare reale. Acest tip de regulatoare sunt în acest moment ieftine, necesită un număr limitat de componente externe, au o eficiență ridicată și un nivel redus de ondulare. Prin urmare, cu excepția unor situații foarte specifice, acestea sunt mai recomandabile decât regulatoarele clasice liniare care risipesc multă energie.

Sursele de alimentare mai sensibile la ondulații ale MCU (de exemplu: referință de tensiune analogică) pot fi mai bine protejate prin adăugarea unui filtru PI.

circuitele

Numai atunci când este necesară o imunitate foarte mare la zgomot, ca și în conversia semnalelor analogice de nivel foarte scăzut, ar putea fi nevoie de un regulator LDO în cascadă pentru a filtra toate ondulațiile.

Pentru a vă asigura că întregul periferic MC5 SAM5D27 poate funcționa corect, este mai bine să alimentați MCU cu o sursă de alimentare de cel puțin 3V, chiar dacă unele părți funcționează și cu o tensiune mai mică. Dar o alimentare instabilă, care variază în timpul pornirii sau în timpul opririi, poate duce la comportamente imprevizibile ale întregului sistem. Multe alte dispozitive conectate la MCU pot înnebuni și în astfel de condiții. Pentru a preveni acest tip de probleme, în Roadrunner SOM este implementat un supraveghetor de alimentare. Un simplu DETECTOR DE TENSIUNE MICRO POWER 3-PIN APX809-31SAG-7 afirmă un semnal de resetare de fiecare dată când tensiunea de alimentare VCC scade sub 3,08 V, menținându-l afirmat timp de cel puțin 240 ms după ce VCC a crescut peste acest prag de resetare. Acest semnal de control este conectat direct la pinul NRST al MCU și este disponibil și pe pinul J1-24 al conectorului SOM pentru a reseta, de asemenea, dispozitivele externe sensibile, cum ar fi cardurile SD.

Pinii 3V3_OUT ai conectorului realizează sursa de alimentare 3V3_IN printr-un mosfet controlat de MCU. Atunci când MCU se oprește, este posibilă deconectarea dispozitivelor prea externe, cum ar fi, de exemplu, Ethernet PHY, pentru a garanta o oprire reală de curent zero.

Să explicăm acum câteva proiecte reale de lucru concepute pentru diferite situații.

Exemplul 1: sursă de alimentare standard de 5V de la conectorul USB

Primul exemplu este cea mai frecventă situație: o sursă de alimentare externă de 5V, care provine adesea de la un cablu USB conectat la un dispozitiv gazdă sau la un adaptor de alimentare de perete simplu. Regulatorul de comutare NCP1529 1A are suficiente capacități pentru a furniza Roadrunner plus un alt dispozitiv extern, număr scăzut de componente externe, o amprentă mică și datorită frecvenței de comutare de 1,7 MHz care permite inductori și condensatori mici.

O baterie externă permite MCU-ului să funcționeze în modul de rezervă. Este conectat la pinul Vbat al conectorului Roadrunner și alimentează secțiunea Vddbu a SAMA5D27. Fișa tehnică Tabelul 66-14: Consum tipic de energie pentru modul Backup ajută la calcularea capacității corecte a bateriei necesare pentru a avea autonomia de rezervă dorită fără sursa de alimentare principală.

Dacă sursa de alimentare de 5V nu este suficient de fiabilă, este mai bine să adăugați niște dispozitive de protecție și filtrare.

Inversiunea polarității este protejată de o diodă Schottky pentru a minimiza căderea de tensiune în comparație cu o diodă standard. Posibile supratensiuni, precum și ESD, sunt întrerupte de supresorii de tensiune tranzitorie împreună cu siguranța resetabilă. Dacă tensiunea, continuu sau doar în vârf, depășește pragul TVS, aceasta începe să conducă; când curentul de circulație depășește 1A, siguranța deschide circuitul până când starea revine în valori normale.

Filtrul de trecere jos format de sufocatorul în modul comun și condensatoarele blochează atât emisiile radiate, cât și emisiile conduse.

Cea mai mare parte a tensiunii de ieșire se datorează rezistenței parazite a filtrului LC. Se recomandă un condensator ceramic ESR foarte scăzut, precum și un inductor cu rezistență scăzută. Dar, de asemenea, impedanța pistelor PCB dintre aceste componente și IC trebuie să fie redusă cât mai mult posibil pentru a avea atât o eficiență bună, cât și o ondulare scăzută. Așa cum se arată în exemplul de rutare PCB de mai jos, acele componente trebuie să fie așezate cât mai aproape posibil de plăcile IC și conectate împreună prin planuri generoase de poligon. Căile de întoarcere la sol trebuie menținute la o impedanță mai mică posibilă, utilizând un număr mare de vii pentru a conecta planul superior la planurile de masă interne. Regulatorul comută la o frecvență înaltă, cu muchii ascuțite și multă energie. Acest lucru provoacă un spectru larg de frecvență care forțează să proiecteze PCB-ul cu un concept similar cu un circuit RF. Încă o dată o cantitate suficientă de vii, este important să scurtăm terenul de sus până la solul de jos, pentru a reduce calea de întoarcere și a reduce emisiile radiate. Chiar dacă un design bun poate garanta un plan de masă adecvat aproape de stratul superior, de asemenea, cu un PCB cu două straturi, o stivă de 4 sau mai multe straturi ajută foarte mult la a avea o sursă de alimentare cu caracteristici aproape ideale și compatibilă cu restricțiile EMC.

Exemplul 2: sursă de alimentare separată pentru dispozitive cu sarcină grea de pe aceeași placă.

Unul sau mai multe dispozitive înfometate pot funcționa pe aceeași placă a MCU. Un exemplu este un modem de comunicație de mare viteză. După cum se specifică într-o foaie de date tipică HSPA + Mini PCIe Module, în anumite condiții specifice curentul de vârf poate atinge un nivel foarte ridicat, chiar dacă doar pentru o perioadă scurtă. Dacă sursa de alimentare nu are o performanță bună de răspuns tranzitoriu, aceasta poate provoca o cădere de tensiune cu un comportament imprevizibil.

Pentru a avea un răspuns tranzitoriu bun, avem nevoie de o sursă de alimentare cu capacitate suficientă pentru a stoca energia necesară în timpul vârfurilor, iar impedanța PCB trebuie să fie foarte mică. Când este posibil, este mai bine să utilizați o sursă de alimentare pentru această secțiune separată de cea MCU. Acest lucru permite două modele diferite de alimentare, fiecare specializat pentru propria aplicație și plasat fizic mai aproape de utilizator, reducând o mulțime de interferențe posibile între ele. Mai mult, în acest mod, MCU poate controla acest domeniu de alimentare separat, pornind-o numai atunci când este necesar.

În acest caz este utilizat un convertor AP65550 step down. În plus față de capacitatea sa de 5A, poate fi alimentat până la 18V, permițând proiectarea unei surse de alimentare cu un domeniu de tensiune de intrare mai larg decât NCP1529. Dezavantajul este o amprentă mai mare datorită frecvenței de funcționare mai mici, care necesită inductori și condensatori mai generoși.

Schemele și rutare PCB arată câți condensatori sunt distribuiți pe circuit. Cele mai multe dintre ele sunt amplasate foarte aproape de pinii de intrare de putere ai modemului PCIe, pentru a minimiza impedanța pistelor. Condensatorii de 1000μF furnizează rezerva de energie pentru a reacționa la tranzitorii de putere. Condensatorii de 100nF filtrează frecvențele înalte, iar condensatorii de 33pF filtrează frecvențele foarte mari generate de acest dispozitiv de comunicație.

În imaginea de mai jos este evidențiată pista de detectare a tensiunii direcționată pe un strat intern. Acesta este feedback-ul care permite regulatorului să mențină tensiunea corectă. Prinderea tensiunii de ieșire foarte aproape de utilizatorul de energie, garantează o reglare mai bună compensând căderea de tensiune datorită impedanței circuitului PCB între regulator și sarcină.

Foarte des, regulatoarele au un tampon mare expus în partea de jos a pachetului. Acest lucru este esențial pentru a garanta un bun contact cu planul de sol atât din punct de vedere electric, cât și din punct de vedere termic. Se recomandă o cantitate bună de vii pentru a permite o bună disipare a căldurii pe straturile inferioare.

Exemplul 3: intrare de 12V cu ieșire suplimentară de 5V pentru a porni dispozitivele USB externe

În acest exemplu, un regulator AP65550 este utilizat pentru a genera o sursă de alimentare de 5V dacă pe placă este plasată o interfață gazdă USB care alimentează dispozitivele externe. Tensiunea principală poate fi de până la 18V și MCU-ul poate fi alimentat în cascadă puțin NCP1529 de la 5V așa cum se face în exemplul 1.

Trebuie adăugată o protecție împotriva interferențelor dispozitivelor externe și a suprasolicitării curentului între sursa de alimentare și conectorul gazdă USB de tip A.

Exemplul 4: intrare de 24V cu mai multe surse de alimentare externe

Într-un mediu industrial, se folosește adesea o sursă de alimentare principală de 24V pentru a reduce cerințele actuale și, în consecință, dimensiunea firelor. Regulatoarele anterioare nu pot fi utilizate din cauza limitelor de tensiune. Iată un exemplu cu convertorul DC-DC cu intrare TPS54231 28-V. Tensiunea de ieșire multiplă este necesară de proiect pentru a porni dispozitivele externe. Deoarece aceste surse de alimentare sunt conectate la lumea exterioară, componentele interne trebuie să fie bine protejate de tensiunea inversă și EMI cu diode și filtre LC. De asemenea, sursa de intrare este protejată cu un circuit similar cu cel descris în exemplul 1. Din nou, sursa de alimentare MCU 3.3V vine de la un mic NCP1529 alimentat de 5V intern.

TPS54231 funcționează la 500 kHz, prin urmare necesită un inductor destul de mare și o diodă de captură externă. Acest lucru mărește amprenta pe PCB, dar regulatorul este foarte stabil și cu o ondulație scăzută. Calea pentru curentul de comutare este localizată între regulator, filtrul LC și dioda de blocare. Toate aceste componente ale proiectării PCB necesită atenție pentru impedanța căii și planul de masă descris deja. Rețineți pe această imagine cantitatea de vii mari plasate pentru a proteja zona regulatoarelor din jurul și dedesubt cu planuri de sol neîntrerupte.

Exemplul 5: putere foarte mică cu capacități de recoltare a energiei

Câteva idei de întrebat cu privire la alimentarea unui sistem cu consum foarte mic pot fi obținute de un alt articol referitor la soluția de baterie de lungă durată

Aici se folosește un curent de repaus foarte scăzut, software selectabil Vout, convertor step down pentru aplicații cu putere redusă TPS62740