ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.03.2025
Просмотров: 9
Скачиваний: 0
Домашнее задание 5 Схема формирования питания
Задание
Разработать схему формирования питания с заданными характеристиками. Схема должна обеспечивать необходимые уровни напряжения для перечисленных ниже узлов схемы.
1.Микроконтроллер (далее МК)
1.1.VD (питание цифровой части МК, обычно в спецификации называется
VDD)
1.2.VA (питание аналоговой части МК, обычно в спецификации называется
VDDA)
2.Программируемая логическая интегральная схема (далее ПЛИС)
2.1.VCCINT (напряжение питания ядра)
2.2.VCCO (напряжение питания блоков ввода-вывода)
2.3.V CCAUX (вспомогательное напряжение питания)
3.Операционный усилитель (Operational Amplifier, OA) с однополярным питанием («Single-supply», далее ОУ-1)
+V (положительное питание ОУ)
4.Операционный усилитель (Operational Amplifier, OA) с двухполярным питанием («Dual-supply», далее ОУ-2)
4.1.+V (положительное питание ОУ)
4.2.-V (отрицательное питание ОУ)
Схема
ИП |
Uвх |
формирования |
|
питания
Uмк_Vdd
Uмк_Vdda
Uплис_Vcco
Uплис_Vccint
Uплис_Vccaux
Uoa1_+Vdda
Uoa2_+Vdda
Uoa2_-Vdda
МК
ПЛИС
ОУ-1
ОУ-2
Рис.1 – Структурная схема устройства X
1
При разработке схемы формирования питания стоит учитывать не только уровень напряжения (таблица 1), но и потребляемый ток в конкретной цепи питания (таблица 2).
Входное напряжение Uвх в соответствии с вариантами значительно завышено, относительно уровня напряжений питания целевых потребителей схемы МК и ПЛИС. Использование линейного стабилизатора в данной ситуации не целесообразно, так как он обладает довольно низким КПД (около 50%) и «излишки» входного напряжения будет рассеивать в виде тепла. Использование линейного стабилизатора в данной ситуации приведёт к нагреву устройства и к нецелесообразному расходу энергии источника питания. Исходя из чего предлагается с помощью импульсного стабилизатора напряжения сначала понизить уровень входного напряжения, после чего стабилизировать его с помощью линейного стабилизатора.
Уровень напряжения питания ОУ В РАМКАХ ДАННОГО ЗАДАНИЯ предлагается формировать с помощью импульсных стабилизаторов, без применения линейных.
Примерная схема формирования питания приведена на рисунке 2.
Схема формирования питания
Лин. стаб. напряжения 1
Лин. стаб. напряжения 2
Импульсный
стабилизатор
Лин. стаб.
напряжения 1
напряжения 3
Лин. стаб. напряжения 4
ИП |
Uвх |
Лин. стаб. |
|
||
|
|
напряжения 5
Импульсный
стабилизатор напряжения 2
Uмк_Vdd
Uмк_Vdda
Uплис_Vcco
Uплис_Vccint
Uплис_Vccaux
Uoa1_+Vdda
Импульсный
стабилизатор напряжения 3
Uoa2_+Vdda
Uoa2_-Vdda
Рис.2 – Предлагаемая схема формирования питания
2
Требование к содержанию отчёта
1.Фрагменты из таблиц с вариантом задания
2.Оценка уровня выходного напряжения импульсного стабилизатора 1
3.Выбор линейных стабилизаторов (все пункты требуется выполнить для каждого стабилизатора)
3.1.Вводные данные для выбора стабилизатора (Uвх, Uвых, Iвых)
3.2.Обоснование выбора данного стабилизатора (полное номенклатурное название выбранного стабилизатора, описание параметров (Uвх, Uвых, Iвых_max, корпуса) и вывод о том, что такой стабилизатор подходит)
3.3.Расчёт мощности выдаваемой в нагрузку Pнагр
3.4.Расчёт рассеивающей на стабилизаторе мощности Pрасс
3.5.Расчёт суммарной мощности, потребляемой стабилизатором и нагрузкой (Pнагр + Pрасс)
4.Оценка выходного тока импульсного стабилизатора 1
5.Выбор импульсного стабилизатора 1
5.1.Вводные данные для выбора стабилизатора (Uвх, Uвых, Iвых)
5.2.Обоснование выбора данного стабилизатора (полное номенклатурное название выбранного стабилизатора, описание параметров (Uвх, Uвых, Iвых_max, корпуса) и вывод о том, что такой стабилизатор подходит)
6.Выбор импульсных стабилизаторов 2 и 3
6.1.Вводные данные для выбора стабилизатора (Uвх, Uвых, Iвых)
6.2.Обоснование выбора данного стабилизатора (полное номенклатурное название выбранного стабилизатора, описание параметров (Uвх, Uвых, Iвых_max, корпуса) и вывод о том, что такой стабилизатор подходит)
7.Итоговая схема формирования питания с учётом выбранных компонентов (образец оформления на Рис.3). К схеме необходимо приложить комментарии с расчётами пассивных компонентов. Для расчёта использовать ряд E96
8.Оценка выходного тока ИП (источника питания) для вашего устройства
(потреблением пассивных компонентов пренебречь)
9.Определить и записать выходное напряжение и выходной ток вашего адаптера питания (зарядного устройства) для телефона. Вычислить выходную мощность.
10.К какому из перечисленных вариантов приведёт подключение вашего телефона к адаптеру питания, выходной ток которого в два раза превышает ток вашего адаптера питания? Ответ обосновать.
•приведёт к неисправности телефона
•приведёт к неисправности адаптера питания
•приведёт к неисправности телефона и адаптера
•оба девайса будут работать в штатном режиме
3
Рис.3 – Пример оформления схемы электрической принципиальной
Вопросы и ответы
1.Как оценить уровень выходного напряжения на импульсном стабилизаторе 1? Для ответа на этот вопрос необходимо понять, какие уровни напряжений требуется сформировать для МК и ПЛИС. Например, по варианту 1.8В, 2.5В, 3.3В, 1В, 5В. Выбираем максимальное и прибавляем 1-2В. 1В-2В это напряжения падения на линейном стабилизаторе (зависит от стабилизаторов, которые захотите использовать в дальнейшем). Соответственно на выходе импульсного стабилизатора 1 необходимо сформировать напряжение
5В+2В=7В.
2.Могу ли я использовать стабилизаторы с фиксированным выходом? Да.
3.Нужно ли дополнительно стабилизировать напряжения после импульсных стабилизаторов 2 и 3?
Нет, в данном задании не нужно. Но в реальных схемах стоит учесть, что уровень импульсных помех питающего напряжения может повлиять на обрабатываемые аналоговые сигналы.
4.Можно ли не делать два отдельных стабилизатора, если некоторые из уровней напряжения совпадают?
В данном случае делать 2 стабилизатора в большинстве случаев действительно не целесообразно. В данном случае нужно учесть ток потребления от всех микросхем, подключаемых к этой цепи питания.
5.Как определить суммарную мощность?
Pнагр = Pнагр1+Pнагр2+Pнагр3… - сумма всех мощностей Pнагр1 = UI
Например по варианту Uмк_Vdd = 4В и Iмк_Vdd = 20мА.
Отсюда Pмк_Vdd = Uмк_Vdd * Iмк_Vdd = 80мВ.
Находим мощности потребления для все остальных цепей и складываем их
6.Нужно ли прилагать скрины с Mouser.com или других дистрибьютеров? Нет.
4
7.Можно ли использовать стабилизаторы одной серии (одна спецификация)? Да.
8.Как оценить выходной ток импульсного стабилизатора?
Для этого нужно оценить мощность потребителей после импульсного стабилизатора. В нашем случае это линейные стабилизаторы. В пункте 3.5 для каждого стабилизатора нужно рассчитать суммарную мощность потребления каждым стабилизатором. Просуммировав мощности всех линейных стабилизаторов, можно оценить Pимп_вых – требуемую выходную мощность импульсного стабилизатора 1. Учитывая выходное напряжение импульсного стабилизатора, определённого в пункте 1 можно вычислить выходной ток по формуле I = P/U
9.Как оценить выходной ток ИП?
Исходя из схемы, приведённой на Рис.1 потребителями относительно источника питания являются импульсные стабилизаторы. Соответственно необходимо уточнить мощности потребления каждым импульсным стабилизатором и просуммировать их. Так как КПД импульсного стабилизатора 90-98% можно пренебречь потерями такого стабилизатора. В спецификации на каждый стабилизатор указывается потребление самого стабилизатора. Но в рамках данного задания эту информацию мы использовать не будем и будем считать что потери на стабилизаторе пренебрежимо малы. Остаётся просуммировать мощности потребления каждого импульсного стабилизатора, а с учётом пренебрежениями потерь на данных стабилизаторах, мощность потребления равна мощности, выдаваемой в нагрузку. Например, ток потребления ОУ-1 составляет 30 мА, напряжение питания 5В. P = IU=5*0,03=0,15 Вт. Аналогичным образом необходимо найти мощности для всех остальных импульсных стабилизаторов. Просуммировать их. Исходя из Uвх по варианту рассчитать выходной ток I=P/Uвх.
10.Как сформировать отрицательное напряжение для ОУ-2?
Так как с источника питания не приходит отрицательное напряжение, необходимо получить самостоятельно. Для формирования питающих напряжений для ОУ-2 можно использовать специальные импульсные стабилизаторы, которые умеют формировать из положительного напряжения на входе симметричные уровни противоположной полярности на выходе. Например, из входных +30В такой стабилизатор формирует +12В и -12В.
Есть ещё один вариант формирования отрицательного напряжения. В данном способе требуется 2 стабилизатора. С помощью первого формируете положительное входное напряжение, а на втором, используя сформированное напряжение инвертируете его. Такие стабилизаторы называют инверторами. Некоторые современные стабилизаторы можно подключать разным способом и получать повышенное напряжение, пониженное, инвертированное, симметричное и т.д.
5
11.А что будет если я нарисую выводы у микросхем не только слева и справа, но и сверху и снизу, а резистор пружинкой, конденсатор лодочкой, катушку индуктивности спиралькой и буду проводить цепи в схеме не под углом 90 градусов?
Ваша огромная схема будет отправлена на доработку.
12.Нужно ли огибать цепи дугой на схеме, если они не пересекаются?
Нет, не нужно. В месте пересечения цепей на схеме ставится точка, в противном случае точка не ставится.
6
Таблица 1 – Уровни напряжений для схемы формирования питания
|
|
|
МК |
|
ПЛИС |
|
ОУ-1 |
ОУ-2 |
||
№ИЗ |
Uвх, В |
Uмк_Vdd, |
|
Uмк_Vdda, |
Uплис_Vcco, |
Uплис_Vccint, |
Uплис_Vccaux, |
Uоу_+Vdda, |
Uоу_+Vdda, |
Uоу_-Vdda, |
|
|
В |
|
В |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
1 |
30 |
3,3 |
|
3,3 |
2,5 |
1 |
1,25 |
10 |
15 |
-15 |
2 |
35 |
2,5 |
|
2,5 |
3 |
0,8 |
1,6 |
11 |
14 |
-14 |
3 |
40 |
1,8 |
|
1,8 |
5 |
1,25 |
1,5 |
12 |
16 |
-16 |
4 |
20 |
2,5 |
|
2,5 |
5 |
1,5 |
2 |
13 |
12 |
-12 |
5 |
30 |
5 |
|
5 |
2,5 |
1,25 |
1,3 |
14 |
10 |
-10 |
6 |
30 |
2,5 |
|
2,5 |
3 |
1,5 |
1,6 |
11 |
15 |
-15 |
7 |
25 |
3,3 |
|
3,3 |
5 |
1,25 |
1,8 |
14 |
14 |
-14 |
8 |
30 |
5 |
|
5 |
2,5 |
1 |
1,8 |
12 |
15 |
-15 |
9 |
35 |
5 |
|
5 |
3 |
0,8 |
1,25 |
13 |
16 |
-16 |
10 |
25 |
3,3 |
|
3,3 |
5 |
1 |
1,6 |
11 |
18 |
-18 |
11 |
36 |
5 |
|
5 |
2,5 |
1,25 |
1,5 |
18 |
15 |
-15 |
12 |
24 |
2,5 |
|
2,5 |
3 |
1 |
1,8 |
15 |
14 |
-14 |
13 |
26 |
5 |
|
5 |
2,5 |
0,8 |
1,25 |
20 |
16 |
-16 |
14 |
26 |
5 |
|
5 |
3 |
1 |
1,6 |
17 |
15 |
-15 |
15 |
23 |
3,3 |
|
3,3 |
3,3 |
1,25 |
1,5 |
18 |
16 |
-16 |
16 |
34 |
5 |
|
5 |
5 |
1,25 |
1,8 |
14 |
15 |
-15 |
17 |
26 |
3,3 |
|
3,3 |
5 |
1 |
1,5 |
10 |
14 |
-14 |
18 |
26 |
2,5 |
|
2,5 |
3 |
0,8 |
1,8 |
12 |
15 |
-15 |
19 |
28 |
5 |
|
5 |
3,3 |
1 |
1,25 |
13 |
16 |
-16 |
20 |
38 |
3,3 |
|
3,3 |
2,5 |
1,25 |
1,8 |
12 |
18 |
-18 |
21 |
36 |
5 |
|
5 |
3 |
1,25 |
1,6 |
12 |
15 |
-15 |
22 |
34 |
2,5 |
|
2,5 |
2,5 |
1 |
1,25 |
15 |
14 |
-14 |
23 |
26 |
3,3 |
|
3,3 |
5 |
1,5 |
2 |
18 |
16 |
-16 |
24 |
38 |
5 |
|
5 |
3,3 |
1 |
1,3 |
20 |
12 |
-12 |
25 |
22 |
2,5 |
|
2,5 |
5 |
0,8 |
1,6 |
15 |
16 |
-16 |
26 |
26 |
3,3 |
|
3,3 |
5 |
1 |
1,25 |
14 |
12 |
-12 |
27 |
28 |
2,5 |
|
2,5 |
3 |
1 |
1,8 |
13 |
14 |
-14 |
28 |
36 |
2,5 |
|
2,5 |
3,3 |
0,8 |
1,6 |
15 |
15 |
-15 |
29 |
32 |
3,3 |
|
3,3 |
5 |
1 |
1,25 |
16 |
16 |
-16 |
30 |
40 |
2,5 |
|
2,5 |
|
1,25 |
1,8 |
15 |
18 |
-18 |
Таблица 2 – Токи потребления для схемы формирования питания
|
|
МК |
|
ПЛИС |
|
ОУ-1 |
ОУ-2 |
|
||
№ИЗ |
Iмк_Vdd, |
|
Iмк_Vdda, |
Iплис_Vcco, |
Iплис_Vccint, |
Iплис_Vccaux, |
Iоу_+Vdda, |
Iоу_+Vdda, |
|
Iоу_-Vdda, |
|
мА |
|
мА |
мА |
мА |
мА |
мА |
мА |
|
мА |
1 |
100 |
|
50 |
300 |
80 |
100 |
20 |
20 |
|
20 |
2 |
110 |
|
40 |
100 |
50 |
110 |
30 |
15 |
|
15 |
3 |
120 |
|
30 |
200 |
80 |
130 |
40 |
20 |
|
20 |
4 |
130 |
|
40 |
250 |
50 |
80 |
20 |
30 |
|
30 |
5 |
140 |
|
50 |
350 |
70 |
110 |
15 |
20 |
|
20 |
6 |
150 |
|
30 |
400 |
80 |
120 |
20 |
20 |
|
20 |
7 |
140 |
|
25 |
200 |
50 |
100 |
30 |
15 |
|
15 |
8 |
150 |
|
30 |
150 |
50 |
100 |
20 |
20 |
|
20 |
9 |
160 |
|
50 |
300 |
70 |
100 |
10 |
30 |
|
30 |
10 |
170 |
|
60 |
150 |
50 |
110 |
15 |
20 |
|
20 |
11 |
180 |
|
40 |
150 |
50 |
130 |
20 |
10 |
|
10 |
12 |
190 |
|
50 |
200 |
50 |
80 |
30 |
15 |
|
15 |
13 |
200 |
|
60 |
150 |
70 |
110 |
20 |
5 |
|
5 |
14 |
210 |
|
70 |
250 |
50 |
120 |
25 |
15 |
|
15 |
15 |
200 |
|
50 |
100 |
50 |
100 |
30 |
30 |
|
30 |
16 |
190 |
|
60 |
250 |
70 |
100 |
15 |
15 |
|
15 |
17 |
160 |
|
30 |
300 |
80 |
110 |
10 |
10 |
|
10 |
18 |
140 |
|
50 |
250 |
60 |
130 |
15 |
15 |
|
15 |
19 |
130 |
|
50 |
100 |
80 |
80 |
5 |
10 |
|
10 |
20 |
100 |
|
60 |
150 |
70 |
110 |
15 |
15 |
|
15 |
21 |
90 |
|
70 |
250 |
80 |
120 |
20 |
5 |
|
5 |
22 |
120 |
|
50 |
250 |
60 |
100 |
20 |
15 |
|
15 |
23 |
130 |
|
60 |
200 |
70 |
110 |
15 |
20 |
|
20 |
24 |
90 |
|
40 |
300 |
80 |
130 |
20 |
30 |
|
30 |
25 |
80 |
|
50 |
250 |
80 |
80 |
25 |
20 |
|
20 |
26 |
70 |
|
40 |
200 |
60 |
110 |
20 |
25 |
|
25 |
27 |
80 |
|
60 |
150 |
80 |
120 |
15 |
10 |
|
10 |
28 |
90 |
|
30 |
200 |
60 |
100 |
20 |
15 |
|
15 |
29 |
110 |
|
50 |
150 |
70 |
100 |
25 |
5 |
|
5 |
30 |
100 |
|
40 |
100 |
80 |
100 |
15 |
15 |
|
15 |
7
Загрузка отчёта
Отчёт должен быть прикреплён в системе ОРИОКС в разделе «Домашние задания»:
Дисциплина – Электротехника Контрольное мероприятие – ЛР7
Название задания – Схема формирования питания Тип работы – Домашняя работа Вариант – (указать номер варианта из таблицы)
Описание – (время выполнение работы в часах)
8