Проектування та виготовлення електронного обладнання.

живлення

Коли ми маємо декілька компонентів на одній друкованій платі, важливим аспектом для її правильної роботи є додавання роз'єднуючих конденсаторів, конденсаторів об'ємного типу та фільтрація потужності між різними частинами. У цьому дописі в блозі я показую практичний приклад несправності через відсутність фільтрації в блоці живлення мікроконтролера.

Всі інтегральні схеми вимагають максимального та мінімального рівнів напруги для своєї роботи. Якщо ми переходимо зверху, ми зазвичай спалюємо ланцюг, а якщо опускаємося нижче схеми, це не працює або робить це неправильно.

У друкованій платі найпоширенішим є те, що всі інтегральні схеми мають два типи конденсаторів для свого живлення:

Тож ми завжди будемо встановлювати нанофарадні конденсатори на всі силові виводи інтегральних схем, як можна ближче до них. І один або кілька конденсаторів мікрофарадів на друкованій платі для запобігання зовнішнім перехідним процесам напруги або тим, що виробляються самими компонентами друкованої плати, є проблемою для решти компонентів.

Коли всередині друкованої плати ми маємо різні зони: зону живлення, іншу з цифровими схемами, іншу з аналоговими схемами тощо ... доцільно додати об'ємні конденсатори в кожну із зон і фільтрувати джерела живлення (площини живлення) між ними . Так, наприклад, шум, що генерується цифровими схемами, не переходить в аналогову зону, внаслідок чого вона функціонує неправильно.

Як приклад вищезазначеного, я наводжу дуже простий випадок схеми з мікроконтролером, де має місце несправність, через невідділення джерела живлення мікроконтролера від іншого цифрового кола, що живиться від того самого джерела.

На наступному зображенні ви можете побачити друковану плату, в якій той же блок живлення (жовтий ящик) подає мікроконтролер (синій ящик) та іншу електроніку (білі ящики).

Використовуючи схему в зеленій коробці, мікроконтролер може подавати або відключати живлення від джерела до електроніки в білих коробках. У рожевій коробці ми бачимо об'ємний конденсатор С20 (конденсатор з декількох мікрофарадів) площини живлення, який йде до мікроконтролера і сліди для пайки різних компонентів.

Схема живлення така:

Джерело живлення 3V3 (не всі компоненти на схемі зібрані).

U1 - це імпульсний блок живлення, який забезпечує нам вихід 3V3 і до 1А, споживання мікроконтролера та решти електроніки, яку ми збираємось підключити до цього джерела, менше 0,5 А, тому в принципі все звучить добре і ми можемо думати, підключаючи все безпосередньо до одного вихідного виводу.

Через транзистор Q1 мікроконтролер може подавати або відключати живлення від джерела 3V3 до електроніки в білих коробках, підключених до Vdd.

Для підключення мікроконтролера до джерела 3V3 ми залишили на друкованій платі таку схему:

Потужність мікроконтролера.

C20 - об'ємний конденсатор частини друкованої плати (площини живлення), де знаходиться мікроконтролер, і для підключення цього джерела живлення мікроконтролера до джерела 3V3 ми залишили два сліди на друкованій платі, резистор/індуктивність R10 і діод D4.

Ми залишаємо діод без пайки, і в R10 ми припаюємо резистор 0 Ом для безпосереднього підключення джерела живлення мікроконтролера до джерела 3V3, і тому він підключається безпосередньо до джерела живлення решти електроніки, підключеної до Vdd, коли Q1 проводить.

0 Ом опір при R10.

У мікроконтролер ми помістили програму, в якій при натисканні кнопки на друкованій платі вмикається електроніка білих ящиків, електроніка, підключена до Vdd за першою схемою.

І ось що відбувається, коли ми тестуємо це:

Перший раз, коли ми натискаємо кнопку на друкованій платі, електроніка праворуч не вмикається, ми бачимо світлодіодний спалах, нам потрібно натиснути кнопку вдруге, щоб увімкнути його. Поведінка кнопок відрізняється від того, що ми запрограмували в мікроконтролері.

Перше, що трапляється, як правило, це подивитися на програму, це нормально, ми правильно налаштували всі регістри і т. Д. Якщо ми не бачимо помилку в коді, наступне - підключити налагоджувач і побачити, що все виконується правильно крок за кроком, перевіряючи значення змінних та регістри мікроконтролера, коли ми виконуємо інструкції. І нарешті, подивіться інструкції асемблера, створені компілятором.

Якщо ми підключимо налагоджувач до цього прикладу, ми побачимо, що програма працює коректно і працює, як очікувалося, і якщо ми читаємо файл збірки, сформований компілятором, все здається правильним, тому це не здається проблемою прошивки.

Якщо ми підключимо осцилограф до виходу джерела живлення 3V3, який безпосередньо живить мікроконтролер та електроніку, яку ми хочемо увімкнути, при натисканні кнопки живлення ми бачимо такий сигнал:

Сигнал на виході джерела живлення при натисканні кнопки.

Ми бачимо, що при натисканні кнопки для ввімкнення електроніки, підключеної до Vdd, на виході джерела 3V3 відбувається падіння напруги, що живить електроніку, яку ми хочемо увімкнути, і мікроконтролер. Електроніка, яку ми хочемо увімкнути, має пік струму запуску (зарядка конденсатора тощо).

Якщо ми більш детально розглянемо пік, то побачимо наступне:

Сигнал на виході джерела живлення при натисканні кнопки.

Вихід джерела, що живить мікроконтролер, падає до 1,52 В. Якщо ми подивимося на таблицю даних мікроконтролера, це говорить нам, що мінімальна напруга мікроконтролера для його роботи становить 1,8 В, отже, на цьому піку ми знаходимось на 85 мікросекунд нижче 1,8 В, що мікроконтролер повинен працювати стабільно.

Протягом тих 85 років, коли мікроконтролер працює нижче мінімальної напруги, усередині нього може бути що завгодно, оскільки регістри його оперативної пам’яті можуть бути пошкоджені, і, отже, ваша програма може робити що завгодно.

Якщо ми активуємо запобіжник мікроконтролера Brown out, коли мікроконтролер бачить напругу нижче порогового значення, він активує сигнал скидання, тому в цьому випадку, якби ми його активували, мікроконтролер скидав би кожен раз, коли ми натискаємо кнопку, щоб увімкнути решту електроніки.

Тепер ми знімаємо 0-омний резистор R10 і припаюємо на його місці діод:

Ми відпаюємо R10 і припаюємо D4.

Таким чином, мікроконтролер підключається до джерела живлення 3В3 через діод, це запобігає тому, що при падінні напруги на виході джерела живлення при включенні решти електроніки конденсатор С20, що знаходиться в блоці живлення мікроконтролера розряджається, забезпечуючи енергією електроніку, яка вмикається в цей момент.

Тепер C20 зберігає заряд для мікроконтролера під час перехідної напруги, оскільки діод запобігає заряду від конденсатора/струму до електроніки, яка ввімкнена.

Якщо змінити опір з 0 Ом на діод і натиснути кнопку, все працює правильно:

Електроніка справа вмикається при першому натисканні кнопки, як очікувалося.

Якщо ми поставимо осцилограф на джерело живлення мікроконтролера, то тепер ми бачимо наступний пік напруги, коли натискаємо кнопку:

Сигнал про живлення мікроконтролера при натисканні кнопки.

Зараз падіння напруги, яке бачить мікроконтролер, коли ми натискаємо кнопку, дуже мало (близько 0,1 В порівняно з попередніми 1,7-1,8 В) і не впливає на його роботу.

Також мікроконтролер бачить напругу 3В замість 3В3 через падіння напруги діода D4, але це на практиці не створить жодних проблем у цій конструкції.

Діод і конденсаторна схема, що використовуються в цьому тесті для захисту живлення мікроконтролера.

У цьому випадку це був простий спосіб відокремити джерело живлення мікроконтролера від решти схеми, якщо ми не хочемо, щоб падіння напруги діода замість діода можна було використовувати інші елементи. На діаграмах ми можемо знайти фільтри в лініях електропередач з конденсаторами та індуктивностями (вони уникають миттєвих змін струму), ферити (їх опір залежить від частоти) і навіть резистори, якщо струм, який проходить через них, дуже малий.

Підсумовуючи: коли в ланцюзі ми маємо різні деталі, в яких можуть бути великі піки струму або напруги, зручно фільтрувати живлення між ними так, щоб вони не впливали один на одного, також додати об'ємні конденсатори в кожен з них, щоб зберегти вони стабільні. його джерело живлення в умовах перехідних процесів струму/напруги (власний чи зовнішній).

Для людей, які починають розробляти свої перші друковані плати, це могло трапитися з ними, і вони думають, що у мене є джерело, що дає 1 А, і для роботи моєї електроніки потрібно менше 0,5 А, тому я можу підключити все безпосередньо до джерела і сподіваюся, все працює правильно.

Для правильного функціонування друкованої плати необхідні не тільки роз'єднувальні, об'ємні та фільтруючі конденсатори, а й для того, щоб уникнути інших проблем з електромагнітною сумісністю, тому силові площини та їх фільтрація є основним аспектом будь-якої конструкції.