ISHOD
- Prezentovanje radnih napona mikroprocesora
Arhitektura mikroprocesorskih sistema
42-43 – Radni napon mikroprocesora
Napajanje mikroprocesorskih sistema
Za rad mikroprocesorskih sistema koriste se jednosmerni izvori za napajanje koji obezbeđuju napone i jednosmerne struje potrebne za rad mikroprocesora i ostalih komponenti mikroprocesorskog sistema. Za prenosne elektronske uređaje kao izvori za napajanje koriste se baterije i akumulatori, dok se za stacionarne uređaje jednosmerno napajanje obezbeđuje iz
komercijalne mreže naizmeničnog napona. Mikroprocesori, kao i druga digitalna integrisana kola, zahtevaju stabilan izvor napajanja koji će obezbediti zahtevani napon koji neće zavisiti
kako ni od veličine potrošača tako ni od varijacija napona mreže ili baterije. Napon napajanja digitalnih integrisanih kola se specificira od strane proizvođača. Standardno se koristi naponi napajanja od 5V, sa dozvoljenim varijacijama između 4.75V i 5.25V. Prekoračenje gornje granice napona napajanja može dovesti do trajnog oštećenja kola, dok napajanje naponom koji je manji od minimalno dozvoljenog može usloviti pogrešan rad kola. Osim napona napajanja od 5V, u sve široj upotorebi je i napon od 3.3V. Napajanje malim naponom obezbeđuje manju potrošnju energije kola, što je naročito bitno kod prenosnih uređaja koji se napajaju baterijom. Pojedine familije digitalnih integrisanih kola izrađenih u CMOS tehnologiji mogu se napajati naponom iz šireg opsega, npr. 2.7-6V. Pri tome, postoji direktna veza između napona kojim se kolo napaja i maksimalne dozvoljene taktne učestalosti.
Na primer, kod mikrokontrolera koji se pri naponu napajana od 5V može 24 taktovati maksimalnom frekvencijom od 20MHz, pri smanjenom naponu napajanja od 2.7V
frekvencija taktnog signala ne sme biti veća od 4MHz.
Svako jednosmerno napajanje koje se dobija iz mreže naizmeničnog napona zahteva četiri koraka (Sl. 23):
- Tranformacija – uz pomoć tranformatora napon se smanjuje na određenu vrednost.
- Usmeravanje – naizmenični napon se pretvara u jednosmerni. Za tu namenu koriste se poluprovodničke diode vezane u most tako da propuštaju pozitivne, a preusmeravaju negativne poluperiode naizmeničnog napona. Dobijeni napon je talasastog oblika.
- Filtriranje – obavlja se sa ciljem da se smanji talasnost jednosmernog napona.
Filterska mreža može sadržati samo jedan kondenzator dovoljno velike kapacitivnosti, kao na Sl. 23, ali može biti i složenije topologije sačinjena od više kondenzatora i
kalema. Na izlazu filtra dobija se gotovo ravan napon.
Stabilizacija – obavlja se sa ciljem da se napon stabilizira na određeni željeni nivo. Za stabilizaciju se koriste elektronska kola koja se zovu stabilizatori napona. Stabilizacija jednosmernih napona Stabilizacija predstavlja najbitniji deo izvora za napajanje, jer direktno utiče na kvalitet napona napajanja i ukupnu potrošnju sistema. U upotrebi su dva tipa stabilizatorskih kola:
- linearni regulatori napona i
- prekidački regulatori napona
Linearni regulatori napona
Linearni regulatori napona generišu stabilan jednosmerni izlazni napon na bazi manje stabilnog ulaznog jednosmernog napona. U normalnom radnom režimu, linearni regulator
obezbeđuje konstantan izlazni napon nezavisno od varijacija ulaznog napona i/ili izlazne struje (tj. struje opterećenja). Takođe, linearni regulator eliminiše kratkotrajne pikove koji se
eventualno javljaju u ulaznom naponu. Linearni regulatori su dostupni u obliku diskretnih elektronskih komponenti, koja osim osnovne funkcije stabilizacije napona obezbeđuju i temperatursku stabilizaciju, zaštitu od preoterećenje i kratkog spoja na izlazu.
Postoje dve vrste linearnih regulatora: fiksni i promenljivi.
Fiksni regulatori (Sl. 24(a)) su deklarisani za određeni napon. Tako, postoje fiksni regulatori za 5V, 9V, 12V i td.
Kod promenljivih regulatora izlazni, stabilisani napon se može podešavati u određenim granicama.
Na Sl. 24(b) je prikazano stabilizatorsko kolo koje koristi promenljivi linearni regulator.
Vrednost izlaznog napona je određena odnosom otpora R1 i R2. 25 Danas su na tržištu dostupne brojne varijante linearnih regulatora. Najčešće korišćena serija linearnih regulatora je LM78XX za fiksnu i LM317 za promenljivu regulaciju.
Linearni regulatori ispoljavaju svojstvo stabilizacije samo ako je pad napona između ulaza i izlaza regulatora veći od neke određene vrednosti, tipično 2-3V. Na primer, da bi se dobio
stabilan napon od Us=5V, ulazni nestabilisani napon mora biti Uul>7.5V. Pošto su regulator i potrošač vezani na red (otuda i naziv redna stabilizacija), celokupna struja potrošača, Ip,
protiče i kroz regulator, tako da je ukupna snaga sistema jednaka Ps=Uul*Ip, a ne samo Us*Ip.
To praktično znači da se na samom regulatoru javlja značajna disipacija snage od Pr=(UulUs)*Ip. Efikasnost regulatora se definiše kao odnos snage potrošača i ukupne snage, što iznosi
E=Uul/Us.
Za navedeni primer, Uul=7.5V i Us=5V, efikasnost je E=66.6%, što znači da cena koja se plaća za stabilizaciju napona iznosi čak 33.3% ukupne potrošnje sistema. Mala efikasnost je glavni nedostatak linearnih regulatora, koji naročito dolazi do izražaja kod sistema sa baterijskim napajanjem. Zato se kod sistema sa baterijskim napajanjem koristi jedna posebna vrsta linearnih regulatora koji se zovu regulator sa malim odstupanjem (LDO – Low Dropout). Ovi regulatori su tako konstruisani da tolerišu malu razliku između ulaznog i izlaznog napona, tipično 0.5-1V. Međutim, u odnosu na klasične linearne regulatore, LDO regulatori su manje stabilni i zahtevaju veći broj dodatnih eksternih komponenti.
Prekidački regulatori napona
Prekidački regulatori napona (ili DC/DC konvertori) su stabilizatorska kola visoke efikasnosti. Osnovni princip rada DC/DC konvertora je da se ulazni jednosmerni napon
analognim prekidačima pretvori u promenenjivi napon koji će biti pogodan za tranformaciju pomoću magnetnog elemenata (kalemovi i transformatori).
Postoji više različitih tipova DC-DC konvertora koji se razlikuju po konstrukciji i osobinama. Međutim, bazični princip rada svih DC-DC konvertora je u suštini isti. Pojednostavljena blok
šema DC-DC konvertora prikazana je na Sl. 25.
Za razliku od linarnih regulatora, kod kojih se energija iz izvora za napajanje neprekidno prenosi na potrošač, kod prekidačkih regulatora energija se prenosi u diskretnim jedinicima. Kao što se može videti sa Sl. 25, kod DC-DC konvertora, naizmenično se odvijaju dva procesa: najpre se iz izvora za napanje uzima određeni iznos energije i privremeno smešta u kalem u vidu magnetskog polja (prekidač P1 je zatvoren, a prekidač P2 otvoren), a zatim se energija nagomilana u kalemu prebacuje u izlazni kondenzator koji napaja potrošač (prekidač P1 je otvoren, a prekidač P2 zatvoren). Prekidačima upravlja impulsno-širinski modulator (PWM) koji generiše binarni signal konstantne periode T sa promenljivim trajanjem impulsa D*T, 0<D<1 (Sl. 25(c)). Takođe, kod praktičnih realizacija, prekidač P2 se realizuje pomoću diode. Naime, sve dok je prekidač P1 zatvoren napon na anodi diode je 0V i dioda D1 ne vodi (odgovara otvorenom prekidaču P2). U trenutku otvaranja prekidača P1, a zbog tendencije nagle promene struje kroz kalem, napon na kalemu naglo raste, što uslovljava da dioda D1 provede (odgovara zatvorenom prekidaču P2).
U toku prve faze, kada je prekidač P1 zatvoren, napon na kalemu je konstantan i iznosi Vin, a struja kroz kalem linearno raste. Priraštaj struje u toku prve faze iznosi:
∆I1=Vin*D*T / L
U toku druge faze, kada je prekidač P1 otvoren, napon na kalemu je Vout-Vin, a struja kroz kalem linearno opada. Pad struje u toku druge faze iznosi:
∆I2=(Vout-Vin)*(1-D)*T / L
Prilikom proračuna kola treba uzeti u obzir činjenicu da struja kroz kalem ne može trenutno da se promeni. To znači da će u ustaljenom stanju apsolutne vrednost promene struje kroz kalem u toku obe faze biti identične:
∆I1=∆I2
Odakle sledi:
Vout=Vin/(1-D)
Dakle izlazni napon je veći od ulaznog, i njegova vrednost se može podešavati parametrom D (Duty Ratio). Zadatak impulsno širinskog modulatora je da nadgleda izlazni napon i podešava parametar D tako da izlazni napon uvek ima željenu vrednost. Ako se otpornost potrošača smanji, povećava se struja pražnjenja kondenzatora, potrošač počinje da preuzima veći iznos energije iz kondenzatora i napon na kondenzatoru pada. PWM detektuje pad izlaznog napona i povećava faktor D. Pošto prekidač P1 ostaje duže vremena zatvoren iznos energije koja se prenosi na kondenzator biće veća, što dovodi do povećanja izlaznog napona. Slično, ako se otpornost potrošača poveća, smanjuje se iznos energije koji se predaje potrošaču, a izlazni napon počinje da raste. PWM reaguje tako što smanjuje D, što ima za posledicu smanjenje izlaznog napona. Opisana konfiguracija DC-DC konvertora odgovara tzv. stepup konvertoru, s obzirom da omogućava konverziju nižeg ulaznog u viši izlazni napon.
Na Sl. 26 je prikazana principijena šema tzv. step-down DC-DC konvertora.
Osnovna osobina step-down konvertora je da omogućava transformaciju višeg ulaznog jednosmernog napona u niži izlazni jednosmerni napon. U prvoj fazi, za vreme dok je prekidač P1 zatvoren (Sl. 26(a)) struja I1 teče iz izvora napajanja, prolazi kroz kalem do kondenzatora i potrošača. Struja I1 raste sa protokom vremena, a u kalemu se gomila energija. U drugoj fazi (Sl. 26(b)), prekidač P1 je otvoren, a P2 zatvoren. Iako je sada izvor isključen i ne daje struju, potrošač nastavlja da se napaja strujom I2 koju daje kalem koji se rasterećuje nagomilane energije. Struja I2 opada sa protokom vremena. S obzirom da struja kroz kalem ne može trenutno da se promeni, priraštaj struje kroz kalem u toku prve faze mora biti jednak iznosu za koji se struja kalem smanji u toku druge faze.
Ako je trajanje prve faze D*T, tada je priraštaj struje:
∆I1 = (Vin-Vout)*D*T/L
Trajanje druge faze je (1-D)*T, a za to vreme napon na kalemu je Vout tako da pad struje u toku ove faze iznosi:
∆I2 = Vout*(1-D)*T/L
Iz uslova ∆I1 = ∆I2 nalazimo:
Vout=D*Vin
Kao i kod step-up konvertora, faktor D direktno utiče na vrednost izlaznog napona. Ovo omogućava da se ugradnjom u kolo impulsno-širinskog modulatora kao na Sl. 26 omogući stabilizacija izlaznog napona. Integrisana kola koja upravljaju radom konvertora, danas prave brojni proizvođači poluprovodnickih komponenti. Na Sl. 27 je prikazan jedan step-up konvertor firme Texas Instrumens. Integrisano kolo objedinjuje impulsno-širinski modulator, oscilator, i prekidački tranzistor. Za konstrukciju kompletnog DC-DC konvertora neophodno je ugraditi kalem, prekidačku diodu i izlazni kondenzator.
Resetovanje mikroprocesora
Mikroprocesorski sistemi se napajaju regulisanim i naponski stabilisanim izvorom napajanja koji obezbeđuje da napon napajanja mikroprocesora bude u propisanom opsegu. Međutim, i pored toga, u izvesnim okolnostima mogu se javiti varijacije u naponu napajanja što može imati za posledicu neregularan rad sistema. Varijacije napona napajanja mogu biti posledica otkaza izvora napajanja, kada dolazi do potpunog prestanka napajanja, smanjenja napona ili pojave dužih intervala u prekidu napajanja ili mogu biti prouzrokovane naglom promenom opterećenja izvora napajanja, kada dolazi do krakotrajnih gličeva u naponu napajanja. Takođe, pri svakom uključenu izvora napajanja, napon napajana ne uspostavlja se trenutno, već je za dostizanje konačne vrednosti uvek potrebno neko vreme u toku koga napon raste i to ne uvek linearno. Slično, pri isključenu naponskog izvora, napon napajanja ne pada trenutno na 0V, već se postepeno smanjuje. Bez obzira na uzrok, uvek kada napon napajanja padne ispod propisane minimalne vrednosti (ispod Vccmin), ponašanje mikroprocesora se više ne može predvideti. Najčešće posledice izlaganja mikroprocesora smanjenom naponu napajanja su: pogrešno izvršenje programa, nekontrolisana promena stanja izlaznih portova i neželjeni upis u internu ili eksternu memoriju. Pri opadanju napona napajanja ne isključuju se sva interna kola mikroprocesora u usto vreme. Tipično, najpre dolazi do isključenja internog RAM-a i registara koji počinju da gubi memorisani sadržaj. Usled toga, na primer, sadržaj programskog brojača može biti promenjen što dovodi do nekontrolisanih programskih skokova i izvršenja instrukcija izvan programskog redosleda. Instrukcije koje se tom prilikom izvrše mogu da promene stanje izlaznih portova što može da izazove akcije kod drugih kola koja su spregnuta sa mikroprocesorom, a koja su još uvek u radnom režimu.
Na primer, EEPROM memorije su karkteristične po tome da mogu reagovati na signale upisa/brisanja i pri veoma niskom naponu napajanja (1.2V). Ukoliko u toku perioda nekontrolisanog rada mikroprocesora dođe do aktiviranja signala upisa u EEPROM, sadržaj EEPROM-a može biti promenjen.
Ponašanje mikroprocesora, čak i kada je napon napajanja ispod donje granice radnog opsega, može se kontrolisati aktiviranjem reset ulaza. Aktiviranjem reset signala, mikroprocesor se postavlja u definisano početno stanje (npr. resetuju se programski brojač, akumulator i statusni registri, izlazni portovi se postavljaju u definisano stanje i td.). Za sve vreme dok je reset signal aktivan rad mikroprocesora je blokiran, a mikroporcesor ostaje u početnom stanju sve dok se reset signal ne deaktivira. Nakon deaktiviranja reset signala, mikroprocesor počinje da izvršava program. Da bi se obezbedio pouzdani rad mikroprocesora, reset signal mora biti aktivan za sve vreme dok se napon napajanja nalazi izvan dozvoljenog radnog opsega.
Uobičajena praksa je da se reset signal generiše RC kolom koje je direktno povezano sa izvorom napajanja (Sl. 29). RC kolo unosi kašnjenje tako da po uključenju napajanja, reset signal ostaje aktivan i neko vreme nakon što je napon napajanja dostigao konačnu vrednost. Naime, u trenutku uključenja napajanja kondenzator C je prazan, napon na reset ulazu mikroprocesora je 0V, što znači da je reset ulaz aktivan. Vremenom, kako se kondenzator puni, napon na njemu raste. U trenutku kada napon na kondenzatoru dostigne napon praga reset ulaza VT reset se deaktivira i mikroporcesor počinje sa radom. Brzina porasta napona na kondenzatoru zavisi od vrednosti vremenske konstante RC. Što je proizvod RC veći to će napon sporije da raste, a reset ulaz će biti duže vremena aktivan. Potrebno trajanje reset signala zavisi od mikroprocesora, a mora biti dovoljno dugo kako bi se obezbedilo da se oscilator, koji takođe počinje sa radom, stabilizuje, a zatim i obave sve interne aktivnosti u mikroprocesoru koje ga postavljaju u iniciajalno stanje. Opisano rešenje je zadovoljavajuće za najveći broj primena. Međutim, kod sistema kod kojih se ne može tolerisati nekontrolisano ponašanje mikroprocesora, potrebno je preduzeti dodatne mere zaštite od varijacija napona napajanja.
Pouzdano resetovanje mikroprocesora se postiže ako se reset signal generiše korišćenjem tzv. reset kola. Reset kolo je specijalizovano integrisano kolo koje prati promene napona napajanja i aktivira reset signal uvek kada napon napajanja padne ispod donje granične vrednosti radnog opsega. Reset signal se deaktivira tek nakon nekog fiksnog vremena Td pošto je pri porastu napona napajanja dostignuta vrednost donje granice radnog opsega (Sl. 30). Vreme Td tipično iznosi 100-150ms i uvedeno je kako bi se obezbedilo da u trenutku puštanja mikroprocesora u rad napon napajanja bude u potpunosti stabilizovan.
Na Sl. 31 prikazana je pojednostavljena unutrašnja struktura reset kola.
Centralni deo reset kola je naponski komparator koji poredi napon napajanja (Vcc) i interno generisani referentni napon, koji je podešen tako da odgovara donjoj graničnoj vrednosti napona napajanja mikroprocesora. Kolo za kašnjenje može biti realizovano u obliku RC kola, koje kasni premene signala sa izlaza komparatora,a čija je vremenska konstanta podešena na vreme Td. Uvek kada napon napajanja postane manji od referentnog napona, na izlazu komparatora se postavlja nizak naponski nivo koji se trenutno prenosi na izlaz reset kola (odgovara aktivnom reset signalu). Sa druge strane, visok naponski nivo na izlazu komparatora koji se postavlja u trenutku kada napona napajanja postane veći od referentnog napona, ne uslovljava trentuno deaktiviranje reset signala, već se to dešava tek nakon vremena Td koje je potrebno da se naponska promena na ulazu kola za kašnjenje prenese na njegov izlaz.
Reset kolo predstavlja efikasnu tehniku zaštite mikroprocesorskog sistema od neregularnog rada mikroprocesora pri smanjenom naponu napajanja. Međutim, u mnogim slučajevima
poželjno je obaviti neke kontrolisane aktivnosti koje će postaviti sistem, kao celinu, u bezbedno stanje, pre nego što napajanje u potpunosti otkaže. Zamislimo, na primer, mikroprocesorski sistem koji broji proizvode na pokretnoj traci. Broj izbrojanih proizvoda se čuva u internoj memoriji mikroprocesora i prikazuje na displeju. Ukoliko dođe do prekida napajanja mikroprocesor će biti resetovan, a informacija o broju proizvoda izgubljena. Kada se napajanje ponovo uspostavi na displeju će biti prikazana nula. Da bi se informacija o broju proizvoda sačuvala i nakon prestanka napajanja, neophodno je da bude upisana u permanentnu memoriju. Međutim, rešenje kod koga se nova vrednost broja proizvoda upisuje u permanentnu memoriju (npr. tipa EEPROM) uvek kada se na pokretnoj traci detektuje novi proizvod nije dobro. Broj upisa u EEPROM je ograničen (npr. na 10.000), a kada se ovaj broj prekorači može doći do trajnog fizičkog oštećenja EEPROM-a. Optimalno rešenje je ono kod koga se informacija o broju proizvoda čuva u internoj RAM memoriji mikroprocesora, a prebacuje u EEPROM neposredno pre nestanka napajanja. Nakon resetovanja, mikroprocesor čita EEPROM i prebacuje zatečenu vrednost broja proizvoda iz EEPROM-a u interni RAM. Da bi ovakvo rešenje bilo moguće neophodno je detektovati trenutak nestanka napajanja.
Monitor napajanja
Za detekciju prestanka napajanja koristi se kolo koje se zove monitor napajanja. Ovo kolo nadgleda ulazni napon napajanja i aktivira signal alarma u trenutku kada ulazni napon padne
ispod zadate granične vrednosti (Sl. 32). Čak i kada se izvor napajanja isključi, sistem nastavlja sa radom jer se se napaja elekticitetom koji je nagomilan na oblogama ulaznog kondenzatora Cul. Vremenom, kondenzator Cul se prazni, a ulazni napon smanjuje. Brzina smanjenja ulaznog napona zavisi od kapacitivnosti ulaznog kondenzatora i struje potrošnje sistema. Što je kapacitivnost ulaznog kondenzatora veća i struja potrošnje manja, to će proteći više vremena do trenutka konačnog prekida rada sistema. U trenutku kada ulazni napon padne ispod minimalnog napona regulacije, stabilizatorsko kolo se iključuje, a napon napajanja Vcc brzo opada. Granični napon monitora napajanja (Va) podešen je na vrednost koja je veća od minimalnog napona regulacije. U trenutku kada je uslov Vul=Va ispunjen, monitor napajanja aktivira signal alarma koji prekida rad mikroprocesora.
U odgovarajućem prekidnom potprogramu mikroprocesor obavlja aktivnosti koje su neophodne da bi se sistem postavio u bezbedno stanja (npr. upisuje kritične podatke u EEPROM, zatvara ventile, zaustavlja motore i sl.). Za obavljanje ovih aktivnosti mikroprocesor ima na raspolaganju ograničeno vreme Ta posle koga, zbog pada napona napajanja Vcc ispod minimalne dozvoljene vrednosti, reset kolo generiše signal reset koji konačno zaustavlja rad mikroprocesora.
U slučajevima kada se sistem napaja mrežnim naponom, detekcija nestanka napajanje može se ostvariti direktnim nadgledanjem ulaznog naizmeničnog napona (Sl. 33). Monitor
napajanja, u ovom slučaju, sadrži detekor prolaska kroz nulu i retrigerabilni monostabilni multivibrator (MMV). Uvek kada ulazni naizmenični napon prođe kroz nulu, detektor prolaska kroz nulu generiše kratkotrajni impuls. U normalnom režimu rada frekvencija ovih impulsa iznosi 100Hz, što odgovara periodi od 10ms. Impulsi okidaju monostabilni multivabrator čija je vremenska konstanta podešena na vreme koje je tek nešto veće od 10ms, npr. 11ms. Sve dok je mrežno napajanje uključeno, monostabilni multivibrator ne uspeva da izađe iz kvazistabilnog stanja i na njegovom izlaz prisutnan visok naponski nivo. Kada se mrežno napajanje isključi, prekida se povorka okidnih impusla i 11ms nakon poslednjeg okidnog impulsa, MMV se vraća u stabilno stanja, na njegovom izlazu se uspostavlja nizak naponski nivo što inicira prekid mikroprocesora.
E-škola 
You must be logged in to post a comment.