№2 / 2017 / статья 8

Источник питания для беспроводного диммера без использования нейтрали: типовая разработка и ее испытания

Абед Мисра (Texas Instruments), Ситараман Девендран (Texas Instruments), Сурья Мишра (Texas Instruments)

Разработанный Texas Instruments типовой источник питания для беспроводного диммера предназначен для модернизации систем освещения. Он состоит из платы питания и радиомодуля. Авторы статьи – инженеры TI – подробно и пошагово описывают работу изделия, расчет и выбор внешних компонентов для его практического применения и результаты испытаний.

Устройства управления освещением, к которым относятся проводные и беспроводные выключатели и регуляторы яркости (диммеры), могут использоваться как при модернизации существующих систем освещения, так и в новых проектах. В разводке электропитания современных систем освещения имеется доступ к проводам фазы, нейтрали и заземления, что дает возможность питания блока управления освещением от фазы и нейтрали, в то время как в большинстве модернизируемых систем доступны только провода фазы и заземления. В таких случаях питание блока управления осуществляется от проводов фазы и заземления, при этом ток, протекающий по проводу заземления, должен быть ограничен величиной не более 0,5 мА, чтобы он не вызывал срабатывания УЗО или дифавтомата. Как следствие, это требует очень малого энергопотребления устройства в дежурном режиме и высокого КПД источника питания.

Беспроводной блок управления освещением на основе платы питания TIDA-01097, представленный компанией Texas Instruments (TI), включает в себя сетевой источник питания, отличающийся высоким КПД при малых токах, малошумящий линейный стабилизатор с малым падением напряжения (Low Drop Out, LDO) и высоким коэффициентом подавления пульсаций напряжения питания, и микроконтроллер (МК) беспроводной сети со сверхнизким энергопотреблением в дежурном режиме и малым током потребления в активном режиме.

Основные характеристики платы питания и радиомодуля TIDA-01097:

  • потребляемый ток составляет не более 125 мкА в дежурном режиме с учетом МК беспроводной сети и КПД 69% в рабочем режиме при мощности нагрузки 35 мВт;
  • сетевой источник выполнен на микросхеме контроллера со встроенным 700-вольтовым МОП-транзистором;
  • имеется встроенная схема ограничения тока, в том числе — пускового, защита от перегрузки и КЗ выхода;
  • питание МК осуществляется от малошумящего линейного стабилизатора с малым падением напряжения (LDO), характеризующегося высоким коэффициентом подавления пульсаций напряжения питания и гладким переходным процессом при изменении входного напряжения и тока нагрузки;
  • используемый в проекте TIDA-01097 микромощный МК с током потребления 1 мкА в дежурном режиме leLink может быть легко интегрирован в системы управления освещением с управлением по Bluetooth;
  • плата питания позволяет реализовать устройства управления освещением без подключения к нейтрали. В качестве возвратного провода используется провод заземления в соответствии со стандартом UL773A.

Возможные области применения платы питания и радиомодуля TIDA-01097:

  • выключатели освещения и диммеры, работающие без провода нейтрали, с проводным или беспроводным управлением;
  • устройства, управляемые светом;
  • датчики присутствия людей;
  • датчики движения.

Принцип работы системы управления освещением без использования провода нейтрали

Устройства управления освещением играют важную роль в повышении энергоэффективности офисных и жилых зданий. Управление освещением может осуществляться по проводам или по радиоканалу, однако в настоящее время беспроводные системы получают все большее распространение благодаря отсутствию дополнительных проводов и, как следствие, упрощению монтажа системы. Беспроводные системы управления освещением включают в себя радиоуправляемые выключатели, пульты, диммеры и датчики. Они обычно рассчитаны на работу от компактных источников питания мощностью до 100 мВт.

Одним из основных требований к источникам питания для них является сверхнизкий ток потребления, что обусловлено необходимостью постоянного нахождения устройств управления во включенном состоянии. Второе важное требование заключается в компактности и высоком уровне интеграции источников питания. На рисунках 1 и 2 показаны типовые реализации устройств управления освещением (выключателей и диммеров) без использования провода нейтрали.

Рис. 1. Беспроводная система управления освещением без использования провода нейтрали

Рис. 1. Беспроводная система управления освещением без использования провода нейтрали

Рис. 2. Проводное симисторное устройство управления яркостью (диммер) без использования прово- да нейтрали

Рис. 2. Проводное симисторное устройство управления яркостью (диммер) без использования провода нейтрали

Установка устройств управления в модернизируемых системах управления освещением является более сложной задачей, поскольку смонтированное ранее оборудование может не иметь подключения к проводнику нейтрали или к совмещенному проводнику заземления и нейтрали. В таких случаях блок питания подключается между проводом фазы и проводом или шиной заземления. В соответствии со стандартом UL773A такая схема подключения допустима при определенных условиях, и одним из важнейших из них является ограничение тока, протекающего через проводник заземления, величиной не более 0,5 мА. Это требование обусловлено тем, что ток утечки на землю не должен превысить порог срабатывания устройства защитного отключения (УЗО), установленного в цепи питания. Для выполнения этого требования, а также учитывая необходимость получения максимально большой мощности для питания схемы управления освещением, источник питания должен иметь высокий КПД и низкий ток собственного потребления. Данные требования реализованы в проекте TIDA-01097 от компании TI. Результаты испытаний источника питания TIDA-01097 с малопотребляющим МК беспроводной сети будут приведены далее в качестве справочных значений.

Несмотря на то, что данный источник питания предназначен, в основном, для модернизируемых систем управления освещением без использования провода нейтрали, он может быть использован также в новых проектах. Кроме того, плата питания TIDA-01097, разработанная и испытанная для выходного напряжения 3,3 В и тока нагрузки 10 мА, может быть легко модифицирована для устройств с другим напряжением питания и большей мощностью.

Основные характеристики платы питания TIDA-01097 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики платы питания TIDA-01097

Параметр Обозначение Условия
испытаний
Значение
Мин. Ном. Макс.
Входные характеристики
Напряжение сети, В VIN_AC 93,5 110 126,5
Частота сети, Гц FAC 60
Минимальное напряжение включения, В VHVIN(min) 30
Входной переменный ток, мкА IIN_AC 100 500 800
Выходные характеристики
Выходное напряжение, В VLDO_IN Входное напряжение стабилизатора (LDO) при VIN_AC = 110 В 3,55 3,61 3,8
VLDO_OUT Выходное напряжение стабилизатора (LDO) 3,23 3,294 3,36
Выходной ток, В IOUT VIN_AC = 110 В 0,005 6,752 10,74
Пульсации выходного напряжения, мВ Пульсации напряжения на входе стабилизатора (LDO) при VIN_AC = 110 В 72 240
Выходная мощность, мВт PLDO_OUT VIN_AC = 110 В, IIN_AC = 740 мкА 33,2
КПД, % VIN_DC = 155,5 В, IIN_DC = 374 мкА 68,93
Защиты Защиты от перегрузки по току и КЗ выхода
и перегрева4
Примечания:

  • 1 – Напряжение на входе стабилизатора (LDO) при IIN_AC = 500 мкА.
  • 2 – Выходной ток при IIN_AC = 500 мкА.
  • 3 – КПД обратноходового преобразователя напряжения без учета потерь в сетевом выпрямителе, входной схеме ограничения тока и выходном стабилизаторе (LDO).
  • 4 – Защиты реализованы в микросхеме UCC28881, используемой в данном проекте TI.

Структурные схемы платы питания TIDA-01097 и подключенной к ней платы радиомодуля TIDA-01097 RF показаны на рисунке 3.

Рис. 3. Структурные схемы платы питания и платы радиомодуля TIDA-01097

Рис. 3. Структурные схемы платы питания и платы радиомодуля TIDA-01097

Описание работы и методика расчета сетевого источника питания

Проект TIDA-01097 производства компании TI включает в себя сетевой источник питания с выходным напряжением 3,3 В. Для ограничения тока, протекающего по проводнику заземления на уровне не более 0,5 мА, что необходимо для устройств управления освещением без использования нейтрали, источник питания содержит схему ограничения входного тока, выполненную на дискретных компонентах. К выходу ограничителя тока подключен неизолированный обратноходовой преобразователь с обратной связью по выходному напряжению. Напряжение питания с выхода преобразователя подается через LDO LP5912 на МК беспроводной сети СС2650. Линейный стабилизатор повышает точность стабилизации напряжения питания МК и уменьшает пульсации напряжения на выходе обратноходового преобразователя.

Схема ограничения входного тока

На рисунке 4 показана упрощенная функциональная схема ограничения входного тока с использованием МОП-транзистора в качестве элемента, регулирующего ток.

Рис. 4. Схема ограничения входного тока

Рис. 4. Схема ограничения входного тока

NPN-транзистор Q3 управляет напряжением на затворе МОП-транзистора в зависимости от тока, протекающего через резистивный датчик тока. Порог ограничения тока определяется сопротивлением резистивного датчика тока (R4) и падением напряжения на переходе «база-эмиттер» (VBE) транзистора Q3 в соответствии с формулой (1):

form_1 (1)

 

Данная схема получила широкое распространение, однако имеет и ряд недостатков. Ток через резистор R1, создающий напряжение смещения на затворе МОП-транзистора, не проходит через датчик тока (R4), вследствие чего при увеличении входного напряжения питания увеличивается ток смещения, который, в свою очередь, увеличивает порог ограничения тока, что является нежелательным эффектом. Другим негативным свойством данной схемы является отрицательный температурный коэффициент напряжения «база-эмиттер» транзистора Q3, что приводит к значительному изменению порога ограничения тока в диапазоне рабочих температур.

На рисунке 5 показана модифицированная схема ограничения тока, которая частично устраняет перечисленные выше недостатки.

Рис. 5. Модифицированная схема ограничения тока

Рис. 5. Модифицированная схема ограничения тока

Резистор R3 и PNP-транзистор Q2 образуют источник постоянного тока, подключенный к коллектору Q3. Любой избыточный ток смещения направляется через коллектор Q2 в датчик тока R4, благодаря чему при увеличении входного напряжения питания ток смещения остается относительно постоянным и регулировочная характеристика тока ограничения становится более плоской. Другой проблемой, свойственной данному типу схем, является отрицательный температурный коэффициент напряжения «база-эмиттер», составляющий примерно –1,6 мВ/°C, что приводит к значительному изменению порога ограничения тока в диапазоне рабочих температур. Одним из путей решения данной проблемы является добавление стабилитрона D2 с напряжением 5,6…6,2 В в цепи эмиттера Q3, что увеличивает напряжение, снимаемое с датчика тока. Стабилитрон с напряжением 5,6 В имеет положительный температурный коэффициент, компенсирующий отрицательный температурный коэффициент транзистора. Кроме того, более высокое напряжение, снимаемое с датчика тока, приводит к тому, что изменение напряжения «база-эмиттер» на величину порядка 100 мВ в меньшей степени влияет на регулируемый ток.

Проектирование обратноходового преобразователя напряжения

В данном разделе подробно описывается процесс проектирования и выбора компонентов обратноходового преобразователя напряжения на микросхеме UCC28881.

В таблице 2 представлены технические требования, которые в дальнейшем будут использованы для расчета преобразователя и выбора элементной базы.

Таблица 2. Технические требования для расчета преобразователя и выбора элементной базы

Параметр Описание Значение.
Мин. Ном. Макс.
Входные характеристики
VIN_DC, В Входное постоянное напряжение преобразователя 100 400
Выходные характеристики
VOUT, В Выходное напряжение преобразователя 3,6 5
IOUT, мА Выходной ток 10
Fmax, кГц Частота коммутации 62
η, % Планируемое значение КПД 70

Расчет коэффициента трансформации

Микросхема UCC28881 содержит встроенный МОП-транзистор с предельно допустимым напряжением «сток-исток» 700 В, что позволяет определить с учетом диапазона входных напряжений до 400 В «отраженное» напряжение (VR) и максимальное напряжение «сток-исток» (VDS) МОП-транзистора. «Отраженное» напряжение VR представляет собой напряжение на выводах первичной обмотки трансформатора при разомкнутом состоянии силового транзистора. Оно влияет также на максимальное напряжение «сток-исток» (VDS_MAX) встроенного МОП-транзистора UCC28881, которое определяется формулой 2.

form_2 (2)

 

где:

  • VCLAMP – выброс напряжения на стоке транзистора, обусловленный индуктивностью рассеивания трансформатора и ограниченный по амплитуде схемой снаббера;
  • VR – «отраженное» напряжение на выводах первичной обмотки трансформатора;
  • VDC_IN(MAX) – максимальное входное напряжение питания постоянного тока.

Предполагая величину VCLAMP в пределах 25% от VDS_MAX и задав величину VDS_MAX = 630 В, величину VR можно вычислить из уравнения 630 = 400 + VR + 160.

Полученное значение VR = 70 В является компромиссом между выбросами напряжения на силовом МОП-транзисторе, подключенном к первичной обмотке, и выпрямительным диодом, подключенным ко вторичной обмотке. При большем отношении числа витков первичной и вторичной обмоток (коэффициенте трансформации) увеличиваются напряжения VR и VDS_MAX, но уменьшается выброс напряжения на выходном выпрямительном диоде. При меньшем коэффициенте трансформации уменьшаются VR и VDS_MAX, но увеличивается выброс напряжения на выходном выпрямительном диоде.

Для максимального выходного напряжения 5 В минимальный коэффициент трансформации определяется формулой 3.
form_3(3)

 

Где:

  • NPS – коэффициент трансформации для выхода 5 В;
  • VOUT – максимальное выходное напряжение;
  • VDIODE – падение напряжения на выпрямительном диоде, составляющее примерно 0,7 В.

Фактическое значение коэффициента трансформации составляет 12,61. Данный трансформатор предназначен для источника питания, работающего в диапазоне входного постоянного напряжения 100…400 В, выходного напряжения 5 В, выходного тока 1 А и частоты коммутации 62 кГц.

Выбор компонентов обратной связи

Пороговое напряжение обратной связи UCC28881 составляет 1,03 В. Следовательно, для выходного напряжения 3,6 В необходим резистивный делитель напряжения, который можно рассчитать согласно формуле 4:

form_4

(4)

 

С целью ограничения тока, протекающего через делитель, для резистора RPULL_UP следует выбрать значение порядка 100 кОм. Для RPULL_UP = 100 кОм расчетное значение RPULL_DN = 40,2 кОм. Эти номиналы резисторов делителя использованы в данном проекте.

Выбор конденсатора собственного питания контроллера

Микросхема UCC28881 содержит внутреннюю схему, формирующую напряжение собственного питания контроллера, поэтому ей не требуется других источников собственного питания (например, с дополнительной обмотки трансформатора). Для нормальной работы встроенного стабилизатора 5 В достаточно подключить блокировочный конденсатор 0,1 мкФ между выводами VDD и GND, разместив его при этом максимально близко к выводам микросхемы для минимизации паразитных индуктивностей и сопротивлений.

Выбор выходного выпрямительного диода

Обратное напряжение выходного выпрямительного диода в закрытом состоянии можно определить по формуле 5:

form_5

(5)

 

Для неизолированного выхода 3,6 В обратное напряжение выпрямительного диода составляет:

В данном проекте инженерами компании TI использован диод с обратным напряжением 100 В и прямым током 2 А PMEG10020AELRX. Выбор диода с увеличенным значением прямого тока обусловлен необходимостью снижения прямого падения напряжения на диоде.

Выбор выходного конденсатора

Контроллер UCC28881 работает в релейном режиме: когда напряжение на выводе FB превышает порог, заданный встроенным источником опорного напряжения 1 В, преобразователь формирует импульсы коммутации и передает энергию входного источника питания в нагрузку. При напряжении на выводе FB ниже порога 1 В преобразователь выключается и прекращает передачу энергии в нагрузку. Обычно преобразователь работает с переменной частотой коммутации, формируя один импульс коммутации и оставаясь затем в выключенном состоянии до тех пор, пока снижение выходного напряжения не инициирует через обратную связь очередной импульс коммутации. Работа с переменной частотой коммутации приводит к значительным пульсациям выходного напряжения. При малой мощности нагрузки частота импульсов коммутации значительно снижается, поэтому выходной конденсатор должен быть рассчитан так, чтобы снизить пульсации напряжения до требуемого уровня при заданной мощности нагрузки.

При питании радиомодуля мощность нагрузки источника питания непостоянна и подвержена циклическим изменениям. При включенной нагрузке потребляемый ею пиковый ток превышает максимальный выходной ток источника питания. Поскольку входной ток обратноходового преобразователя не может превышать значение, заданное схемой ограничения тока, пиковый ток нагрузки должен обеспечить выходной накопительный конденсатор. Таким образом, необходимая емкость выходного конденсатора определяется пиковым током нагрузки и длительностью ее включенного состояния (предполагается, что длительность выключенного состояния нагрузки значительно больше длительности включенного состояния). Емкость выходного конденсатора можно рассчитать согласно формуле 6.

form_6

(6)

 

Где:

  • I – ток, потребляемый МК;
  • ΔT – интервал времени, в течение которого МК потребляет большой пиковый ток от выходного конденсатора;
  • ΔVDD – допустимое снижение напряжения питания МК.

При мощности передатчика 5 дБм ток, потребляемый МК CC2650MODA, составляет примерно 10 мА в течение интервала времени 4,7 мс при условии падения напряжения ΔVDD = 300 мВ.

В данном проекте TI для обеспечения максимального тока, потребляемого МК, используются три конденсатора 47 мкФ, 10 В, соединенные параллельно. Два конденсатора (C4 и С5) подключены к выходу обратноходового преобразователя и один (C9) – к выходу линейного стабилизатора LP5912.

Подготовка к проведению испытаний платы питания TIDA-01097

Оборудование, необходимое для испытаний платы питания:

  • лабораторный регулируемый источник питания переменного тока 0…130 В;
  • цифровой осциллограф с изолированными пробниками для исследования формы тока и напряжения;
  • цифровой мультиметр с разрешением 6…1/2 разрядов
  • резистивная нагрузка.

Условия проведения испытаний

Диапазон входного напряжения. Лабораторный источник переменного тока должен обеспечивать установку напряжения VIN_AC в диапазоне 93,5…126,5 В. Ограничение выходного тока источника питания необходимо установить на уровне 0,1 А.

Нагрузка платы питания. В качестве нагрузки выхода платы питания используется реостат или декадный магазин сопротивлений. В заключительных испытаниях к выходу платы питания TIDA-01097 подключается беспроводной модуль CC2650.

Методика испытаний

  • подключите лабораторный источник переменного тока к входному разъему J1 платы питания;
  • подключите резистивную нагрузку к выходному разъему J2 платы питания;
  • установите резистивную нагрузку в выключенное состояние;
  • постепенно увеличивайте входное напряжение питания от 0 до 110 В;
  • включите нагрузку выхода платы питания;
  • исследуйте осциллограммы начального запуска, ограничения тока и импульсов коммутации.

Проведение испытаний платы питания и их результаты

В процессе испытаний к плате питания TIDA-01097 подключались два вида нагрузок – резистивная нагрузка и беспроводной модуль на основе CC2650MODA, установленный на плате TIDA-01097 RF. При работе платы питания TIDA-01097 с модулем CC2650MODA для передачи данных по беспроводной сети использовалось приложение диспетчера устройств BLE, установленное на персональном компьютере (ПК). Результаты испытаний платы питания представлены далее в нескольких разделах и включают в себя результаты испытаний с резистивной нагрузкой, графики, характеризующие эксплуатационные характеристики платы питания, и результаты испытаний с беспроводным модулем CC2650MODA.

Результаты испытаний платы питания с резистивной нагрузкой

Нестабильность выходного напряжения по току нагрузки

Рассмотрим результаты, характеризующие изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки (нестабильность выходного напряжения по току нагрузки) для нескольких значений входного напряжения питания переменного тока (таблицы 3, 4, 5).

Таблица 3. Нестабильность выходного напряжения по току нагрузки при входном напряжении 93,5 В

VIN_AC, В IIN_AC, мА IOUT, мА VLDO_IN, В VLDO_OUT, В
93,5 0,8 8,92 3,54 3,294
93,5 0,69 8,05 3,56 3,294
93,5 0,6 7,02 3,57 3,294
93,5 0,5 5,71 3,58 3,294
93,5 0,41 4,47 3,59 3,294
93,5 0,31 3,1 3,59 3,295
93,5 0,21 1,6 3,55 3,295
93,5 0,1 0,008 3,57 3,295

Таблица 4. Нестабильность выходного напряжения по току нагрузки при входном напряжении 110 В

VIN_AC, В IIN_AC, мА IOUT, мА VLDO_IN, В VLDO_OUT, В
110 0,82 10,74 3,55 3,294
110 0,74 10,09 3,57 3,294
110 0,69 9,51 3,58 3,294
110 0,65 8,99 3,59 3,294
110 0,6 8,31 3,59 3,294
110 0,5 6,75 3,6 3,294
110 0,53 7,22 3,6 3,294
110 0,42 5,53 3,61 3,294
110 0,34 4,13 3,61 3,294
110 0,23 2,27 3,6 3,294
110 0,15 0,96 3,59 3,295
110 0,108 0,005 3,59 3,295

Таблица 5. Нестабильность выходного напряжения по току нагрузки при входном напряжении 126,5 В

VIN_AC, В IIN_AC, мА IOUT, мА VLDO_IN, В VLDO_OUT, В
126,5 0,8 12,25 3,58 3,294
126,5 0,69 10,84 3,61 3,294
126,5 0,61 9,59 3,61 3,294
126,5 0,5 7,73 3,63 3,294
126,5 0,41 6,15 3,63 3,294
126,5 0,31 4,19 3,63 3,295
126,5 0,2 2,08 3,62 3,295
126,5 0,1 0,006 3,6 3,295

Зависимость входного тока от тока нагрузки

На рисунке 6 показаны графики зависимости входного тока от тока нагрузки при различных значениях напряжения питания переменного тока.

Рис. 6. Изменение входного тока в зависимости от тока нагрузки при раз- личных значениях напряжения питания переменного тока

Рис. 6. Изменение входного тока в зависимости от тока нагрузки при раз-
личных значениях напряжения питания переменного тока

Измерение КПД обратноходового преобразователя

Испытательная схема для измерения КПД обратноходового преобразователя показана на рисунке 7 и приведена в таблице 6.

Рис. 7. Испытательная схема для измерения КПД обратноходового преобразователя

Рис. 7. Испытательная схема для измерения КПД обратноходового преобразователя

Таблица 6. КПД обратноходового преобразователя

VIN_AC, В IIN_AC, мкА PIN_AC, мВт IOUT, мА VLDO_IN, В PLDO_IN, мВт КПД без учета LDO, % VLDO_OUT, В PLDO_OUT, мВт КПД с учетом LDO, %
155,5 374 58,16 10,74 3,73 40,07 68,9 3,31 35,55 61,13
155,5 328 51 9,16 3,73 34,17 66,99 3,31 30,32 59,45
155,5 296 46,03 8,07 3,73 30,08 65,36 3,31 26,71 58,03
155,5 269 41,83 7,14 3,73 26,6 63,58 3,31 23,63 56,5
155,5 257 39,96 6,75 3,72 25,13 62,88 3,31 22,34 55,91
155,5 240 37,32 6,18 3,72 23 61,62 3,31 20,46 54,81
155,5 210 32,66 5,15 3,72 19,13 58,59 3,31 17,05 52,2
155,5 191 29,7 4,47 3,71 16,58 55,84 3,31 14,8 49,82
155,5 175 27,21 3,94 3,71 14,6 53,66 3,31 13,04 47,92
155,5 158 24,57 3,34 3,7 12,36 50,3 3,31 11,06 45
155,5 132 20,53 2,45 3,69 9,05 44,07 3,31 8,11 39,51
155,5 114 17,73 1,84 3,69 6,78 38,27 3,31 6,09 34,36
155,5 96 14,93 1,19 3,68 4,38 29,34 3,31 3,94 26,39
155,5 87 13,53 0,9 3,68 3,31 24,47 3,31 2,98 22,02
155,5 79 12,28 0,6 3,68 2,21 18,01 3,31 1,99 16,22
155,5 75 11,66 0,45 3,67 1,65 14,18 3,31 1,49 12,77
155,5 67 10,42 0,2 3,67 0,74 7,12 3,31 0,67 6,42
155,5 65 10,11 0,13 3,67 0,48 4,72 3,31 0,43 4,26

На рисунке 8 показаны графики КПД платы питания в зависимости от тока нагрузки.

Рис. 8. КПД платы питания (только обратноходового преобразователя без LDO и с учетом потерь в линейном стабилизаторе LDO) в зависимости от тока нагрузки

Рис. 8. КПД платы питания (только обратноходового преобразователя без
LDO и с учетом потерь в линейном стабилизаторе LDO) в зависимости от
тока нагрузки

Осциллограмма импульсов коммутации UCC28881

Для измерения напряжения на стоке встроенного МОП-транзистора UCC28881 используйте пробник с пружинным контактом заземления. Ввиду малого значения тока нагрузки преобразователь работает в режиме разрывных токов (DCM). Для лучшего понимания принципа работы преобразователя в режиме разрывных токов на рисунке 9 показана осциллограмма импульса коммутации, на которой буквами A…D обозначены характерные интервалы времени, включающие в себя два резонансных колебательных процесса:

  • A: встроенный МОП-транзистор, подключенный к выводам DRAIN и GND UCC28881, находится во включенном состоянии и через него протекает нарастающий ток первичной обмотки. В этом интервале может быть измерено напряжение VDRAIN на выводе стока встроенного МОП-транзистора.
  • B: процесс выключения встроенного МОП-транзистора. В момент выключения на стоке МОП-транзистора появляются высокочастотные колебания, обусловленные индуктивностью рассеивания трансформатора T1 и паразитной емкостью между выводами DRAIN и GND.
  • C: встроенный МОП-транзистор находится в выключенном состоянии, выходной выпрямительный диод D8 смещен в прямом направлении и энергия передается из вторичной обмотки трансформатора в нагрузку.
  • D: колебательный процесс начинается при снижении энергии вторичной обмотки до нуля. В этом интервале обе обмотки трансформатора разомкнуты, вследствие чего индуктивность первичной обмотки трансформатора и паразитная емкость цепи стока формируют колебательный процесс.
Рис. 9. Форма напряжения на стоке МОП -транзистора при токе нагрузки 10,4 мА и входном напряжении сети 110 В

Рис. 9. Форма напряжения на стоке МОП -транзистора при токе нагрузки
10,4 мА и входном напряжении сети 110 В

Пульсации выходного напряжения обратноходового преобразователя

На рисунках 10 и 11 показаны осциллограммы напряжения на входе и выходе линейного стабилизатора (LDO) 3,3 В при различных токах нагрузки.

Рис. 10. Форма напряжения на входе и выходе линейного стабилизатора LDO при токе нагрузки 1,09 мА и входном переменном напряжении сети 110 В

Рис. 10. Форма напряжения на входе и выходе линейного стабилизатора LDO
при токе нагрузки 1,09 мА и входном переменном напряжении сети 110 В

Рис. 11. Форма напряжения на входе и выходе линейного стабилизатора LDO при токе нагрузки 10,21 мА и входном переменном напряжении сети 110 В

Рис. 11. Форма напряжения на входе и выходе линейного стабилизатора
LDO при токе нагрузки 10,21 мА и входном переменном напряжении сети
110 В

Результаты испытаний платы питания с беспроводным модулем CC2650MODA

В данном виде испытаний плата TIDA-01097 RF с установленным на ней МК CC2650MODA подключена к выходу платы питания TIDA-01097.

Условия проведения испытаний

Для проведения испытаний и измерений параметров платы питания в данном проекте TI используется следующее оборудование:

  • лабораторный источник питания переменного тока;
  • изолированный осциллограф для исследования формы потребляемого тока;
  • оборудование для измерения средней мощности, потребляемой модулем BLE:
    • плата питания TIDA-01097;
    • преобразователь сигнала токового шунта INA216A3;
    • демонстрационная плата CC2650 LaunchPad™.
  • персональный компьютер (ПК) с ОС Windows® и установленным программным обеспечением, включающим:
    • стек BLE для CC2650 версии 2.0.2.0.31 или выше;
    • Code Composer Studio™ версии 6.1.2.00015 или выше;
    • диспетчер устройств BLE (BLE Device Monitor);
    • Smart RF Studio 7.

Подготовка к работе управляющего ПК и макетной платы TIDA-01097

Для настройки встроенного программного обеспечения платы TIDA-01097 и измерения потребляемого тока беспроводного модуля CC2650MODA в таких режимах работы, как широковещательные рассылки (advertising), периодический обмен данными (connection), уведомления (notificatiopns), выполните следующие действия.

Подготовка к работе управляющего ПК:

  • установите интегрированную среду разработки CCS версии не ниже указанной в р. 4.2.1;
  • установите стек BLE для CC2650;
  • сделайте импорт в CCS приложений Host Test App и программного стека из обозревателя ресурсов компании TI:

– Ble_sdk_2_02_00_31 → examples → cc2650lp → host_test

  • подключите к ПК демонстрационную плату CC2650 LaunchPad;
  • загрузите стек host_test и затем необходимые приложения в память программ CC2650 LaunchPad;
  • завершите работу отладчика и откройте диспетчер устройств BLE;
  • введите актуальный номер последовательного порта, подключенного к CC2650 LaunchPad, и подтвердите его подключение в диспетчере устройств BLE.

Подготовка к работе макетной платы:

  • снимите все перемычки на платах XDS110 и CC2650 LaunchPad
  • подключите плату TIDA-01097 RF с установленным на ней МК CC2650MODA к внешнему разъему платы CC2650 LaunchPad;
  • запустите программу CCS и сделайте импорт в рабочий проект стека простых периферийных устройств BLE и приложений:

– Ble_sdk_2_02_00_31 → examples → cc2650em → simple_peripheral

  • в директивах препроцессора добавьте CC2650DK_5XD и удалите CC2650DK_7ID. Скомпилируйте проекты программного стека и приложения;
  • загрузите стек simple_peripheral и затем рабочее приложение в память программ платы TIDA-01097 RF;
  • завершите работу отладчика;
  • подключите лабораторный источник питания к плате питания TIDA-01097.

Испытательная установка

На рисунке 12 показана функциональная схема испытательной установки для измерения тока, потребляемого беспроводным модулем CC2650MODA, установленным на плате TIDA-01097 RF с использованием платы питания TIDA-01097.

Рис. 12. Испытательная установка для измерения тока, потребляемого беспроводным модулем CC2650MODA

Рис. 12. Испытательная установка для измерения тока, потребляемого беспроводным модулем CC2650MODA

На рисунке 13 показаны в собранном виде плата питания TIDA-01097 и установленная на ней плата TIDA-01097 RF c беспроводным модулем CC2650MODA.

Рис. 13. Плата питания TIDA-01097 и установленная на ней плата TIDA- 01097 RF

Рис. 13. Плата питания TIDA-01097 и установленная на ней плата TIDA-
01097 RF

Примечание. Измерение тока, потребляемого CC2650MODA, осуществляется посредством преобразования сигнала токового шунта INA216, подключенного к выходу линейного стабилизатора, что позволяет повысить точность и упростить процесс измерений. Компоненты, относящиеся к схеме измерения тока и не используемые в рабочем варианте платы, отмечены на схеме как DNP (не устанавливать).

Порядок проведения испытаний

На рисунке 14 показана блок-схема процедуры измерения тока, потребляемого модулем CC2650MODA.

Рис. 14. Блок-схема процедуры измерения тока, потребляемого модулем CC2650MODA

Рис. 14. Блок-схема процедуры измерения тока, потребляемого модулем CC2650MODA

Результаты испытаний

В данном разделе приведены осциллограммы, снятые с выхода INA216A3 при работе модуля CC2650MODA с различными уровнями мощности в широковещательном режиме и режиме двустороннего обмена данными.

Режим широковещательной передачи

На рисунках 15 и 16 показаны осциллограммы напряжения на выходе линейного стабилизатора LDO и выходного напряжения INA216A3, подключенного к выходу стабилизатора, при работе модуля CC2650MODA с уровнями мощности 0 и 5 дБм соответственно.

ris_15_opt ris_16_opt
Рис. 15. Выходные напряжения стабилизатора LDO (верхний график) и INA216A3 (нижний график) при работе в широковещательном режиме с мощностью 0 дБм при сетевом напряжении 110 В Рис. 16. Выходные напряжения стабилизатора LDO (верхний график) и INA216A3 (нижний график) при работе в широковещательном режиме с мощностью 5 дБм при сетевом напряжении 110 В

В качестве датчика тока используется резистор 3,09 Ом, подключенный к входам INA216A3. Ток, потребляемый модулем CC2650MODA, может быть рассчитан по максимальному выходному напряжению INA216A3 согласно формуле 7:

form_7 (7)

 

Например, на осциллограмме, показанной на рисунке 15, пиковое значение выходного напряжения INA216A3, включенного на выходе стабилизатора LDO, составляет 2,12 В, что соответствует потребляемому току

Таким образом, пиковый потребляемый ток беспроводного модуля CC2650MODA составляет 6,86 мА в широковещательном режиме с мощностью 0 дБм. Аналогично путем измерения выходного напряжения INA216A3 можно рассчитать потребляемый ток в режиме двустороннего соединения и периодического обмена данными при различных уровнях мощности передатчика.

Режим двустороннего соединения и периодического обмена данными

На рисунках 17 и 18 показаны осциллограммы напряжения на выходе линейного стабилизатора LDO и выходного напряжения INA216A3, подключенного к выходу стабилизатора LDO, при работе модуля CC2650MODA с уровнями мощности 0 и 5 дБм соответственно.

ris_17_opt ris_18_opt
Рис. 17. Выходные напряжения стабилизатора LDO (верхний график) и INA216A3 (нижний график) при работе в режиме двустороннего соединения и периодического обмена данными с мощностью 0 дБм при сетевом напряжении 110 В Рис. 18. Выходные напряжения стабилизатора LDO (верхний график) и INA216A3 (нижний график) при работе в режиме двустороннего соединения и периодического обмена данными с мощностью 5 дБм при сетевом напряжении 110 В

EDN Network, Circuit achieves constant current over wide range of terminal voltages, Donald Boughton, Jr, International Rectifier, Orlando, FL; Edited by Martin Rowe and Fran Granville.Литература

  1. Acuity Brands, Impact of NEC 2011 Section 404.2(C) on Application of Occupancy Sensors, Dave Behnke.
  2. Texas Instruments, 100-V to 450-V DC, 5-W, 80% Efficiency at 1 W, Auxiliary Supply Reference Design for AC-DC Power Converters, TIDA-00708 Design Guide (TIDUBK7).
  3. http://www.ti.com
О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, ...читать далее

Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
UCC28881D (TI) 2 206 1.2047 $ 70.74 руб. от 500 шт
UCC28881DR (TI) 1 975 2.2081 $ 129.66 руб. от 500 шт
LP5912-3.3DRVT (TI) 8 078 0.7578 $ 44.50 руб. от 660 шт
LP5912Q1.8DRVTQ1 (TI) 50 000 0.8652 $ 50.81 руб. от 250 шт
PMEG10020AELRX (NXP) 25 110 0.1463 $ 8.59 руб. от 3 000 шт
CC2650F128RGZT (TI) 2 288 4.2570 $ 249.98 руб. от 118 шт
CC2650MODAMOHT (TI) 3 882 9.3376 $ 548.32 руб. от 54 шт