Выбор источника питания

Выбор источника питания для встроенной системы напоминает заказ блюда из китайского меню: «Одно из колонки A, другое — из колонки B и третье — из колонки C». Разница только в том, что колонки названы не «закуски», «первые блюда» и «основное блюдо», а «основной источник», «подзаряжаемый» и «резервный».

Выбор основного источника питания для встроенной системы занимает немало времени. Для большинства встроенных устройств основной источник — сеть 220 В. Второй вариант — перезаряжаемая батарея, например литий-ионная (Li-ion). Растущее число сетевых приложений позволяет подавать основное питание непосредственно через сеть (например, используя USB). Количество встраиваемых систем, работающих на простых не перезаряжаемых батареях, очень быстро уменьшается.

Использование подзарядки говорит о том, что источник должен обеспечивать непрерывное питание системы. Многие устройства, от которых требуется высокая надежность, такие как системы наблюдения за состоянием пациента, имеют встроенные источники бесперебойного питания (ИБП). Система питания любого транспортного средства содержит основную батарею, заряжаемую от генератора при работе двигателя.

Резервные источники питания подключаются при отказе всех других источников. Как правило, такие источники рассчитаны на обеспечение работы минимально необходимого числа функций, таких как сохранение содержимого энергонезависимой памяти мобильных устройств при замене батареи. Большинство персональных компьютеров, например, имеет не перезаряжаемую литиевую батарею (в отличие от заряжаемой литий-ионной), для сохранения BIOS при отключении компьютера от сети питания.

Выбор подходящего источника питания для каждой категории целиком зависит от характеристик приложения. Например, беспроводные датчики, установленные в удаленных или труднодоступных местах, являются одним из немногих примеров, где долговечные, но не перезаряжаемые литиевые батареи являются лучшим выбором. Жаркие климатические условия ограничивают использование литий-ионных батарей, так как высокая температура очень сильно сокращает срок их службы.

Питание от батареи

Приложения, для которых лучшим решением является батарейное питание, делятся на три категории: с низкой потребляемой мощностью, с высокой потребляемой мощностью и с резервным питанием. Удаленные беспроводные датчики требуют минимального энергопотребления. Гибридные транспортные средства потребляют много электроэнергии, но аккумулятор должен быть основным источником питания по другим причинам. Медицинская аппаратура контроля является примером, когда для обеспечения высокой надежности системы устанавливаются резервные батареи, хотя основным источником остается электросеть.

При наличии ограничений по мощности разработчик системы должен включать в нее такие возможности, которые сводят потребляемую мощность к минимуму и увеличивают эффективность ее использования.

Рис. В типовой схеме сетевого линейного источника питания встраиваемой системы используются серийные трансформаторы и выпрямители. RC-фильтр устраняет оставшиеся пульсации напряжения. Недорогая ИС линейного регулятора стабилизирует выходное напряжение. Добавление делителя в обратную связь выводит напряжение на нужный уровень. Показана схема источника питания на 15 В с одним выходом и плавающим заземлением, и биполярного источника питания ±15 В

Выбор надлежащих устройств и видов схем — первый шаг к уменьшению потребляемой мощности. Например, тактовая частота микропроцессора оказывает очень сильное влияние, при этом энергопотребление одного и того же процессора растет нелинейно с ростом частоты. Точно так же «более широкие» микропроцессоры (32-разрядный по сравнению с 16-разрядным) требуют больше мощности, чем «узкие». Некоторые виды схем по своей сути более эффективны, чем другие. Например, импульсные источники питания намного эффективнее линейных. Разумеется, работа напрямую от батареи более экономична. Таким образом, лучшее решение для снижения энергопотребления — снижение тактовой частоты, уменьшение разрядности процессора и использование более эффективных видов схем, подходящих для процесса.

Рис. Импульсный блок питания обеспечивает регулирование постоянного напряжения с гораздо большей эффективностью, чем линейный блок питания. Недостаток — более сложная схема

Следующая после оптимизации схемы наиболее эффективная стратегия уменьшения потребляемой мощности связана с добавлением режима ожидания и сторожевого таймера. В режиме ожидания все второстепенные функции отключаются на длительный срок, и питание подается только на отдельную схему синхронизации. Назначение таймера — включить систему при вспышке активности.

Рис. Широтно-импульсный модулятор главный элемент каждого импульсного источника питания, использует технологию цифровой коммутации для управления выходным напряжение с минимальными диссипативными потерями

В задачах, требующих большой мощности, батареи сравнительно редко применяются в качестве основного источника питания. Проблема не в том, что аккумуляторы не в состоянии обеспечить большие токи, а в том, что они не могут делать это достаточно долго. Обычно инженеры выбирают батареи для основного источника питания в случае, когда другого выбора у них просто нет.

Например, мне часто приходилось создавать небольшие приборы для кратковременных экспериментов. Несколько лет назад я разработал генератор очень низкой частоты на базе сдвоенного ОУ a741 для проверки в дорожных условиях цифрового запоминающего осциллографа. Предполагаемое время работы не превышало двух часов, а у меня не было подходящего настольного источника питания.

У меня была пара батарей на 9 В и кассеты для их крепления. Итак, я припаял положительный вывод одной кассеты к отрицательному выводу другой и подключил оба вывода к общему проводу схемы. После этого я припаял свободный положительный контакт к положительной клемме ОУ, свободный отрицательный контакт кассеты — к отрицательной клемме. Выходное напряжение блока ±9 В находилось в рабочем диапазоне операционного усилителя, и вся схема практически ничего не стоила.

Более распространенным применением аккумуляторной батареи в качестве основного источника питания является двигатель транспортного средства, когда требуется несколько источников энергии. В гибридных и полностью электрифицированных транспортных средствах обычно устанавливаются работающие от батареи электрические приводные двигатели и дополнительный источник для подзарядки батарей.

Относительно новый элемент таких систем — суперконденсаторы. Стандартные батареи аккумулируют энергию, используя химические связи, и высвобождают ее посредством химических реакций. Максимальный выходной ток батареи в основном ограничивается скоростью протекания этих реакций. В отличие от этого суперконденсаторы накапливают энергию в виде электрического поля, и их пиковый ток ограничен только нагревом обкладок и внутренних проводников. Они также выдерживают больше циклов зарядки/разрядки.

Встроенные системы, использующие аккумуляторы для резервирования, содержат внутренний источник бесперебойного питания (ИБП). Я уже упоминал медицинское оборудование для наблюдения за состоянием пациента, в котором данная технология применяется для поддержания непрерывной работы при исчезновении питания. Это также позволяет обеспечивать непрерывное наблюдение при перемещении пациента: персонал просто вынимает вилку и монитор перемещается вместе с пациентом без выключения. Оборудование работает в основном от аккумуляторной батареи, в то время как сеть обеспечивает ее подзаряд небольшим током.

Питание от сети

Практически вся бытовая техника питается от сети 220 В. Поскольку использование встроенных систем управления в этих приборах растет, число систем, работающих непосредственно от сети, также выросло.

В отличие от стандартных релейных систем управления заменяющие их микропроцессорные системы не работают от переменного напряжения частотой 50 Гц. В них используется высокостабильное напряжение сравнительно низкого уровня (в большинстве случаев 5 В).

Существуют два основных класса схем источников питания, осуществляющих преобразование сетевого переменного напряжения в низкоуровневое постоянное: линейные и импульсные.

Схемы линейных источников питания начинаются с трансформатора, снижающего сетевое напряжение до необходимого уровня. Затем мостовой выпрямитель преобразует низковольтный переменный ток в пульсирующий постоянный. В фильтрующей части схемы для снижения пульсаций устанавливается большой электролитический конденсатор, за которым следует относительно низкоомный резистор.

В этой точке схемы мы получаем постоянное напряжение, которое зависит от напряжения сети, коэффициента трансформации, потребляемого тока и сопротивления. На это напряжение накладываются пульсации частотой 50 Гц, амплитуда которых зависит как от постоянной времени фильтра, так и от тока нагрузки. Другими словами, выходной ток и напряжение принимают какое угодно значение, только не то, что нужно!

Для улучшения качества постоянного тока разработчики источников питания добавляют линейный регулятор. Линейный регулятор представляет собой линейный усилитель мощности, запитываемый с выхода фильтра и усиливающий небольшое опорное напряжение до необходимого уровня. Элементы обратной связи позволяют изменять результирующее выходное напряжение или регулировать выходной ток.

Линейные источники питания очень неэффективны, т.к. рассеивают практически столько же энергии, сколько выдают. Очень часто этих потерь, зачастую очень дорогих, можно избежать, используя импульсный источник питания.

Импульсный источник питания имеет такие же трансформатор, выпрямитель и фильтр, как и линейный источник питания. Улучшения достигаются за счет замены линейного регулятора импульсным. Вместо использования линейного усилителя, где транзисторы никогда полностью не включаются или не выключаются, транзисторы в широтно-импульсном модуляторе попеременно переводятся в состояние насыщения (фактически короткого замыкания) и в состояние отсечки (бесконечного сопротивления). В том или ином состоянии рассеяние мощности минимально.

Рис. Программируемые источники питания поставляются в компактном, относительно недорогом корпусе промышленного исполнения

ШИМ выдает последовательность импульсов переменной скважности. Система обратной связи изменяет коэффициент заполнения импульсной последовательности для поддержания точного значения выходного напряжения на заданной нагрузке. Регенерирующий фильтр (фактически большая индуктивность) усредняет ток для сглаживания импульсов.

Спроектировать и создать импульсный источник питания достаточно сложно. К счастью, есть производители, выпускающие эти устройства в больших количествах по очень низкой цене, поэтому вряд ли вам придется разрабатывать его самому для своего приложения. В настоящее время разработчики встроенных систем рассматривают источники питания как черные ящики, берущие некачественное входное питание и выдающие «чистое» постоянное напряжение. Просто откройте каталог, выберете нужный блок питания по необходимому напряжению и току и закажите его. Самая сложная часть — выделить место в вашей системе для монтажа.

Питание системы

Часто питание для работы встраиваемых систем подается не от сети или аккумуляторов. Электропитание автомобиля, например, поступает от вращаемого двигателем генератора и регулятора напряжения, которые обеспечивают напряжение 12 В и сравнительно большой ток. Поезда, корабли, автомобили, космические корабли, ветряки и солнечные электростанции имеют отдельные источники питания. В большинстве случаев эти источники выдают несколько напряжений стандартного уровня, имеющих высокое качество.

Для работы встраиваемых электронных систем в такой ситуации разработчикам обычно приходится изменять напряжение и регулировать выход источника. Единственно возможный вариант — преобразователь DC-DC.

Преобразователь DC-DC использует подаваемое на него постоянное напряжение для генерации прямоугольных импульсов. Трансформатор повышает или понижает это переменное напряжение до необходимого уровня. После этого двухполупериодный мостовой выпрямитель восстанавливает постоянный ток и поскольку коэффициент заполнения равен 100%, на выходе выпрямителя получается относительно чистое постоянное напряжение с высокочастотными фильтруемыми помехами. Если необходима дальнейшая подстройка, импульсный регулятор выполняет эту задачу достаточно эффективно.

Другие системы позволяют передать требуемое электроникой питание по умолчанию. Так, в частности, устройства, подключенные к порту USB, получают питание 5 В через кабельUSB. Аналогично, пункт 33 стандарта Ethernet IEEE 802.3-2005 (IEEE 802.3af, часто называемый как «питание через Ehternet») рекомендует передавать постоянное напряжения 48 В по двум из четырех пар кабеля CAT-3 или CAT-5e для питания оборудования. В стандарте также оговаривается и максимальная величина тока — 400 мА.

Комбинирование и подбор доступных источников питания для использования в качестве основного, подзаряжаемого и резервного дает разработчикам встраиваемых систем большую свободу выбора. Выбор лучшей схемы — результат сравнения возможностей каждой из схем питания с требованиями вашей задачи.