53. Источники питания

Микроконтроллеру нужны 3,3 вольта — ровные, без провалов и без помех. Всё, что стоит между розеткой (или батарейкой) и его выводом питания, и есть источник. Раздел про то, из чего он собирается, сколько тепла выделяет каждый вариант, почему конденсатор на 470 мкФ иногда бесполезен и почему длина дорожки до развязывающего конденсатора важнее его номинала.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
rectifier, bridge rectifier	выпрямитель, мостовой выпрямитель
smoothing / bulk capacitor	сглаживающий конденсатор
ripple	пульсации
linear regulator	линейный стабилизатор
low-dropout regulator (LDO)	стабилизатор с малым падением
switching regulator, buck / boost	импульсный преобразователь, понижающий / повышающий
efficiency	коэффициент полезного действия
dropout voltage	минимальный перепад вход-выход
quiescent current (Iq)	собственный ток стабилизатора
thermal resistance (°C/W)	тепловое сопротивление
decoupling / bypass capacitor	развязывающий (блокировочный) конденсатор
inrush current	пусковой ток
isolated / non-isolated	с гальванической развязкой / без
self-discharge	саморазряд

53.1 Из чего состоит источник

Классическая цепочка от сети: трансформатор → выпрямитель → сглаживающий конденсатор → стабилизатор → развязка на плате. Каждое звено решает свою задачу, и на каждом что-то теряется.

Импульсный источник устроен иначе — там преобразование идёт на высокой частоте, — но конец цепочки тот же: стабилизатор и развязка.

53.2 Выпрямитель и сглаживающий конденсатор

От трансформатора на 12 В переменного после моста остаётся 14,8 В на пике: минус два диодных падения (раздел 51.1), потому что ток идёт через два диода сразу.

Дальше конденсатор. Между пиками он в одиночку кормит нагрузку — при частоте сети 50 Гц и двухполупериодном выпрямлении это 10 мс. Отсюда пульсации: ΔU = I · t / C.

470 мкФ на ампере просто не работает: расчётные пульсации больше самого напряжения. Ёмкость пропорциональна току и обратно пропорциональна допустимым пульсациям: при 100 мА хватит 1000 мкФ, а чтобы срезать пульсации вдвое — ёмкость вдвое больше.

⚠️ Считать надо по минимуму, а не по пику. С 10 000 мкФ напряжение гуляет от 14,8 до 13,8 В. Именно 13,8 В — рабочая точка для стабилизатора, и именно из неё считаются его потери.

Симуляция того же выпрямителя даёт 14,7 и 13,9 В: формула I · t / C — оценка сверху, конденсатор начинает подзаряжаться раньше, чем через полные 10 мс.

Ток через диоды много больше тока нагрузки. Конденсатор заряжается короткими импульсами — диод открыт примерно пятую часть времени, значит при 1 А в нагрузке через мост идут импульсы около 5 А. Средний ток остаётся 1 А, но греют импульсы по действующему значению — около 2,2 А (5 × √0,2). Поэтому мост берут с запасом по среднему току в 2–3 раза и проверяют, что импульсы укладываются в допустимый повторяющийся пиковый ток из описания. По той же причине трансформатору для 1 А постоянного тока нужно около 22 В·А, а не 12.

Сеть не постоянна. При отклонении ±10 % выпрямленное напряжение гуляет от 13,1 до 16,5 В — разброс 3,4 В, который стабилизатор обязан переварить с обоих концов.

53.3 Линейный стабилизатор: просто и горячо

Линейный стабилизатор — это управляемое сопротивление: лишнее напряжение он превращает в тепло. Ток входа равен току выхода.

Стабилизатор 13,8 → 5 В при 1 А:

• рассеивает 8,8 Вт;
• коэффициент полезного действия — 36 %;
• в тепло уходит в 1,8 раза больше, чем в нагрузку.

Без радиатора корпус имеет тепловое сопротивление порядка 60 °C/Вт — это перегрев на 526 °C, то есть мгновенное разрушение. Чтобы удержать кристалл ниже 125 °C при 40 °C вокруг, нужен весь тепловой путь от кристалла до воздуха не хуже 9,7 °C/Вт. Из него вычитают «кристалл — корпус» (у корпуса TO-220 — 3…5 °C/Вт, по описанию прибора) и «корпус — радиатор» (прокладка и паста, около 1 °C/Вт). Самому радиатору остаётся 3,7…5,7 °C/Вт — это уже крупная ребристая деталь. Радиатор на 9,7 °C/Вт довёл бы кристалл до 178 °C.

Тот же прибор в других условиях выглядит совсем иначе:

Последняя строка — самое частое применение на плате с микроконтроллером: перепад маленький, ток маленький, коэффициент полезного действия 66 %, зато никаких помех и три детали в обвязке. Линейный стабилизатор хорош именно там.

Два параметра, о которых забывают: минимальный перепад вход-выход (обычному нужно 2 В, стабилизатору с малым падением — 0,2 В; при питании от батареи это решает) и собственный ток, который течёт всегда, даже без нагрузки — для спящего устройства он может оказаться главным потребителем.

53.4 Импульсный преобразователь: сложнее и холоднее

Импульсный не сжигает лишнее, а перекладывает энергию порциями через дроссель (раздел 46.3). При коэффициенте полезного действия 90 % тот же источник 5 В / 1 А теряет 0,56 Вт вместо 8,8 — в 15,8 раза меньше. Перегрев без радиатора — 33 °C, радиатор не нужен вовсе.

Ещё разница, которую часто упускают: ток от источника. Линейный берёт ровно ток нагрузки — 1,00 А. Импульсный при том же входном напряжении берёт 0,40 А, в 2,5 раза меньше: он меняет напряжение, а не сжигает разницу. Для питания от батареи или от слаботочного источника это решающий довод.

Цена — помехи. Преобразователь работает на сотнях килогерц и ровно там шумит: и по питанию, и в эфир. Лечится фильтром на выходе: дроссель 10 мкГн и конденсатор 22 мкФ дают срез около 11 кГц и ослабление примерно в 2170 раз на частоте 500 кГц. Но на самой частоте среза у LC-фильтра резонансный подъём: с керамикой он почти без потерь, и помеха около 11 кГц усилится. Его гасят последовательным сопротивлением (электролит с заметным ESR параллельно керамике или резистор в доли ома) и ставят фильтр после точки, откуда преобразователь берёт обратную связь. Плюс аккуратная разводка: силовой контур преобразователя — как можно короче.

Что выбирать. Перепад большой или ток заметный — импульсный. Перепад маленький, ток небольшой и важна чистота питания (АЦП, аналоговые цепи) — линейный. Часто ставят оба: импульсный делает 5 В из 12, линейный — чистые 3,3 В из 5.

53.5 Развязка: почему 100 нФ у каждого вывода

Микроконтроллер потребляет ток не ровно: при каждом переключении внутри происходит бросок. Пусть 50 мА за 5 нс при допустимой просадке 50 мВ — тогда по формуле C = I·t/ΔU нужно всего 5 нФ. Ставят 100 нФ, с запасом в двадцать раз. Почему?

Потому что дело не в ёмкости, а в индуктивности дорожки. Дорожка даёт около 1 нГн на миллиметр; десять миллиметров от конденсатора до вывода — это 10 нГн и просадка U = L·di/dt = 0,1 В на том же броске, вдвое больше допустимой. Каждый лишний миллиметр — 10 мВ провала.

Отсюда правила, которые выглядят как ритуал, но имеют расчёт под собой:

• конденсатор 100 нФ у каждого вывода питания, физически рядом — миллиметры, не сантиметры;
• переходное отверстие на землю прямо у конденсатора;
• один общий конденсатор 4,7…10 мкФ на всю микросхему — он отвечает за медленные броски, а 100 нФ за быстрые;
• отдельная развязка на аналоговое питание, часто с дросселем или ферритовой бусиной.

53.6 Батарейное питание

Ёмкость типовой литиевой таблетки — 220 мА·ч. Сколько это времени:

Разница между первой и последней строкой — сто раз, и определяется она не электроникой, а тем, сколько устройство спит (раздел 10, раздел 46.5). Средний ток считают по циклу: сон плюс редкие пробуждения.

Эти 220 мА·ч таблетка отдаёт только малым током. Калькулятор потребления CubeMX задаёт для CR2032 ёмкость 225 мА·ч при длительном токе до 3 мА и импульсе до 15 мА. Импульсы — радиопередача, запись во Flash, светодиод — роняют напряжение таблетки на её внутреннем сопротивлении, и тем сильнее, чем ближе конец разряда, вплоть до порога сброса (раздел 61.2). Поэтому импульс берут из конденсатора с малой утечкой параллельно батарее, а она его потом неспешно подзаряжает: импульсу 20 мА длиной 5 мс при просадке 0,2 В нужно C = I · t / ΔU = 500 мкФ.

Есть и потолок: саморазряд около 1 % в год — это 251 нА. Опускаться заметно ниже этого значения бессмысленно, батарея всё равно разрядится сама.

Для батарейного питания важны: стабилизатор с малым собственным током, малый перепад (иначе половина ёмкости уйдёт в тепло) и отсутствие делителей, которые тянут ток постоянно (раздел 50.2).

53.7 Безопасность

Отдельно про источники без трансформатора — гасящий конденсатор прямо от сети. Они дёшевы и компактны, поэтому встречаются в бытовой технике. И у них нет гальванической развязки: вся схема, включая выводы микроконтроллера и любой доступный контакт, находится под потенциалом сети.

Практические следствия:

• отладчик и осциллограф с обычным пробником подключать нельзя — вы соедините сеть с землёй компьютера и прибора. Такие схемы отлаживают, питая от сети через разделительный трансформатор, либо дифференциальным пробником и отладчиком с изоляцией (раздел 54);
• любой доступный снаружи разъём должен быть изолирован (оптрон, трансформатор, радиоканал);
• корпус — только с двойной изоляцией.

Для учебных и большинства промышленных задач такой источник брать не стоит: готовый модуль с развязкой стоит немного и снимает весь класс проблем.

53.8 Грабли

Устройство перезагружается под нагрузкой. Просадка питания: маленький сглаживающий конденсатор, тонкие дорожки или общий источник с силовой частью.

Стабилизатор раскалён. Посчитайте (Uвх − Uвых) × I. Скорее всего, нужен импульсный или радиатор.

Стабилизатор выдаёт меньше номинала. Не хватает перепада вход-выход: при 5 В на входе обычный стабилизатор 5 В не отдаст, нужен с малым падением.

Пульсации на выходе АЦП. Помеха от импульсного преобразователя, общее питание с аналоговой частью, отсутствие развязки.

Мост греется, хотя нагрузка небольшая. Конденсатор заряжается импульсами впятеро больше тока нагрузки; действующий ток моста вдвое с лишним выше среднего.

Батарейка села за неделю вместо года. Средний ток: делитель, подтяжка, светодиод-индикатор, собственный ток стабилизатора, редкий сон.

Плата работает, пока не подключишь отладчик. Признак источника без развязки — остановитесь и проверьте, прежде чем что-то сгорит.

Микроконтроллер сбоит непредсказуемо. Развязка: 100 нФ далеко от вывода или отсутствует вовсе.

53.9 Итоги

• После моста от 12 В переменного остаётся 14,8 В на пике; считать надо по минимуму пульсаций, а не по пику.
• Пульсации ΔU = I·t/C, где t = 10 мс: для 1 В при 1 А нужно 10 000 мкФ; 470 мкФ на таком токе бесполезны.
• Через мост идут импульсы впятеро больше тока нагрузки: средний ток — 1 А, действующий — около 2,2 А; трансформатор нужен на 22 В·А для 1 А постоянного.
• Линейный стабилизатор при перепаде 8,8 В и 1 А рассеивает 8,8 Вт (36 % полезного действия) и требует теплового пути 9,7 °C/Вт — самому радиатору остаётся 3,7…5,7 °C/Вт; при 5 → 3,3 В и 100 мА — 170 мВт и никакого радиатора.
• Импульсный теряет 0,56 Вт вместо 8,8 и берёт от источника 0,40 А вместо 1,00, но шумит на частоте преобразования.
• Развязка: 100 нФ у каждого вывода питания вплотную — решает индуктивность дорожки (1 нГн/мм), а не номинал.
• Батарея 220 мА·ч: 917 суток при 10 мкА, 9 суток при 1 мА; потолок задаёт саморазряд 251 нА.
• Источник без трансформатора не имеет развязки — к нему нельзя подключать ни отладчик, ни осциллограф.

Дальше: раздел 54 «Гальваническая изоляция» — как разорвать электрическую связь, сохранив передачу сигнала.