Подсистема питания в микроконтроллере

Для питания любого МК требуются, как минимум, два провода: положительный («плюс», «Power supply») и отрицательный («минус», «Ground reference»). Обозначают их в даташитах и на схемах следующими сокращениями (Рис. 2.8):

  • Vcc (Voltage Collector-to-Collector) или VDD (Voltage Drain-to-Drain);
  • GND (GrouND) или Vss (Voltage Source-to-Source).

Подсистема питания

Внутреннее сопротивление МК обозначается переменным резистором Rx. Почему переменным? Потому, что ток потребления МК варьируется по мере исполнения программы. Зависит он также от режима работы, напряжения питания, температуры, тактовой частоты, нагрузки на выходные линии. В «спящем» режиме ток составляет единицы микроампер, в рабочем — десятки миллиампер, в максимально нагруженном — 0.1 ...0.3 А. Конкретные значения приводятся в даташите.

Таблица 2.4. Варианты обозначения выводов питания МК

Вывод МК

Назначение

Пары условных обозначений в даташитах

Питание

Положительный, «плюс»

DD

Vcc

Vcc -

Кю

Общий

Отрицательный, «минус»

 

GND

^ss

GND

Несколько замечаний о принятых в международной инженерной практике условностях [2-3]. Напряжение на выводе биполярного транзистора по отношению к общему проводу GND обозначается буквой «V» (англ. «Voltage») и одним из подстрочных индексов: «В» (англ. «Base», база), «С» (англ. «Collector», коллектор), «Е» (англ. «Emitter», эмиттер). К примеру, Vc — это напряжение на коллекторе относительно GND. Напряжение между двумя выводами транзистора обозначается двойным индексом: VCE — это напряжение между коллектором и эмиттером.

Индекс, образованный двумя одинаковыми буквами указывает на источник питания: Vcc — положительный, VEE — отрицательный контакт. Образно можно представить себе транзистор проводимости п—р—п, у которого коллектор соединяется с питанием (С-С), а эмиттер с «массой» (Е-Е). Транзисторы проводимости р—п—р в эту стройную теорию не помещаются, сказывается тот факт, что они изначально по технологическим причинам были меньше распространены.

Для полевых ^-канальных транзисторов существуют аналогичные названия, соответственно, VDD (плюс питания, напряжение «сток — сток», «Drain-to-Drain») и Vss (минус питания, напряжение «исток — исток», «Source-to-Source»).

Поскольку современные МК состоят из полевых транзисторов, то логично было бы их выводы питания обозначить парой «^dd'^ss^» а не «^cc'GND», как у микросхем ТТЛ-логики. Однако, здесь начинается самое интересное (Табл. 2.4). Единообразие отсутствует даже в М К одной фирмы и одного семейства.

Пример 1. Микросхема Z86L33 фирмы Zilog, выполненная в корпусе с 28 выводами, имеет название цепей питания «^dq-^ss»' а та же микросхема в корпусе с 40 выводами — «KCC-GND».

Пример 2. В семействе ATmega фирмы Atmel принято обозначение «KCC-GND» (далее в книге как основное), а в семействе ARM той же фирмы «Kdd-GND».

Пример 3. МК К1816ВЕ49 имеет два вывода питания, один из них Vcc является основным, а другой VDD служит для подключения резервной батареи.

Наверное, дальше всех в казуистике названий продвинулась микросхема TMS320F фирмы Texas Instruments, имеющая вывод общего провода с «двойной фамилией» KSS1AGND.

Тем, кто часто работаете разными семействами МК, пригодится простое мнемоническое правило — поскольку за буквой «С» латинского алфавита сразу следует буква «D», значит Vcc и VDD относятся к одной и той же цепи, т.е. к питанию. Вывод GND ни с чем не спутаешь, это «земля», «общий провод». Остаётся обозначение Vss, которое методом исключения приравнивается к GND.

Кстати, слово «вывод» (англ. «pin» — булавка) употребляется в электронике для микросхем, транзисторов, конденсаторов, диодов, резисторов, оптопар, катушек индуктивности. Слово «контакт» — для разъёмов, переключателей, джамперов, реле, перемычек, а вот сленговые названия «ноги, ножки» более характерны человеку, нежели электронному изделию.

Подсистема питания

Подсистема питания

Подсистема питания

Организация питания в МК

Двухпроводное питание современным МК досталось по наследству от «прадедушек» i8048/i8051. Сейчас оно в основном применяется в малогабаритных МК с числом выводов 6... 18, например, в Atmel ATtiny, Microchip PIC10/12. Мера вынужденная, т.к. свободных выводов катастрофически не хватает.

С развитием технологии в состав М К стали вводить аналоговые узлы АЦП/ЦАП, которые весьма чувствительны к помехам. Произошёл естественный переход на трёх- (Рис. 2.9), четырёх- (Рис. 2.10, а...в) и многопроводные (Рис. 2.11, а, б) схемы питания.

Добавление цепей AVCC (Analog УСС) и AGND (Analog GND) позволяет развязать между собой аналоговые и цифровые части микросхемы, уменьшить импульсные помехи, повысить инструментальную точность каналов АЦП и ЦАП.

Переменные резисторы ЯА и RD отличаются между собой по сопротивлениям. Во времени они тоже изменяются по разным законам. Например, в рабочем режиме «цифровой» ток значительно больше «аналогового». Следовательно, RA больше, чем Rd. В ждущем режиме ситуация может измениться с точностью до наоборот.

Подсистема питания

Подсистема питания

Резисторы Rg, Ry — это омические сопротивления, непосредственно измеренные тестером между выводами микросхем. Их наличие или отсутствие не поддаётся логическому предсказанию и обычно не указывается в даташитах. Например, в одном и том же семействе Atmel ATmega у микросхем ATmega8 и ATmega 16 питание выполняется, соответственно, по схемам, изображённым на Рис. 2.10, в и Рис. 2.10, б.

В каждом конкретном случае разобщённость внутренних цепей надо проверять экспериментально, не надеясь на знаменитый славянский «авось». Абсолютные значения сопротивлений резисторов RG, Rw у разных фирм отличаются, что связано с особенностями технологии изготовления.

Многопроводные схемы особенно характерны для 16- и 32-битных МК, у которых питание разделяется на несколько потоков. А именно: ядро процессора, периферийные буферы, аналоговая часть, система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), генераторный блок и т.д. Названия цепей встречаются самые экзотические: VDDA2, KDD18, KDDC0RE, К33, DVCC, VDDAKSS4, DVSS, KSSA. Рекордсменом в этой области можно считать М К семейства Atmel АТ91 САР, где в одном корпусе насчитывается 12 неповторяющихся названий выводов питания и 8 вариаций названий общего провода. Каждая из силовых цепей в свою очередь продублирована несколькими одноимёнными выводами с разных сторон четырёхгранного корпуса, что позволяет равномернее распределить токовую нагрузку.

Фильтрация помех

Если посмотреть на осциллограмму тока потребления МК, то в ней можно заметить низкочастотную (НЧ) и высокочастотную (ВЧ) составляющие. Как следствие, колебания тока приводят к появлению НЧ- и ВЧ-помех на зажимах питания. Для их ослабления используют стандартные решения в виде связки конденсаторов (Рис. 2.12, Рис. 2.13), 1С- и ДС-фильтров (Рис. 2.14, Рис. 2.15).

Неполярные конденсаторы С1, СЗ ослабляют ВЧ-помехи. Их наличие обязательно возле любого МК, причём максимально близко от выводов питания (не более 50 мм). Конденсаторы должны быть керамические, например, К10-17 или поверхностно монтируемые чип-коденсаторы ходовых размеров 0603... 1206.

Базовый номинал ёмкости 0.1 мкФ выбран условно, как легко запоминающийся. Устройство будет нормально функционировать и при 0.068 мкФ, и при 0.15...0.22 мкФ. Иногда параллельно конденсатору С1 ставят ещё одну неполярную ёмкость 1000 пФ, которая снижает уровень радиоизлучений. Обычно такой способ применяют в профессиональной аппаратуре, чтобы войти в допуск при проверках изделия на электромагнитную совместимость и радиопомехи.

Подсистема питания

Подсистема питания

Полярный конденсатор С2 желательно использовать танталовый (а не алюминиевый), поскольку он лучше подавляет импульсные помехи. При выборе ёмкости можно руководствоваться эмпирическим правилом, которое заимствовано из многолетней практики применения сетевых источников питания — 1000 мкФ на каждый ампер тока нагрузки. К примеру, если цифровая часть МК потребляет ток 10...30 мА, то достаточно поставить конденсатор С2 ёмкостью 10...30 мкФ с рабочим напряжением не менее 6.3 В. Знатоки рекомендуют выбирать более высоковольтные конденсаторы с напряжением 10... 16 В, поскольку повышается надёжность в эксплуатации и, главное, снижается внутренний импеданс, что позволяет лучше фильтровать помехи.

Конденсатор С2 обязателен при батарейном питании в качестве накопителя энергии, а также при значительных колебаниях и скачках напряжения. В некоторых случаях его функцию выполняет конденсатор фильтра сетевого выпрямителя или стабилизатора напряжения. Как вариант, конденсатор С2 может физически размещаться вблизи других цифровых микросхем и косвенно воздействовать на цепь питания МК.

Катушка индуктивности L1 развязывает цифровую и аналоговую части по высокой частоте. Если её не ставить, то может ухудшиться точность измерения АЦП и стабильность порога срабатывания аналогового компаратора. Как ни парадоксально, но значительную часть помех по питанию создают внутренние цифровые узлы МК, поэтому 1С- и /?С-фильтры защищают контроллер от ... самого себя. Номинал индуктивности L1 не особо критичен и может варьироваться в широких пределах.

Ферритовая «бусинка» FBI (Ferrite Bead) представляет собой проводник, пропущенный через ферритовое кольцо или цилиндр. Этот элемент способствует снижению высокочастотных излучений, которые можно зафиксировать лишь специальными измерительными радиоприёмниками в экранированной «безэхо-вой» камере. Такие испытания обязательны при сертификации продукции.

В любительской практике фильтр FBI ставится редко, разве что в связной спортивной аппаратуре, где помехи от МК могут существенно повлиять на качество принимаемого радиосигнала и значительно ухудшить чувствительность.

Таблица 2.5. Пределы изменения напряжения питания МК

Диапазон питания

Разброс [%]

Напряжение питания [6]

Узкий

±5; ±10; ±15

2.7...3.6; 3.0...3.6; 4.5...5.5; 4.75...5.25

Широкий

±35; ±40; ±45

1.8...5.5; 1.8...6.5; 2.0...5.5; 2.7...5.5

Диапазон питания

Различают узко- и широкодиапазонные МК (Табл. 2.5). Классификационным признаком служат допустимые пределы рабочего питания, при которых изготовитель ещё гарантирует технические параметры согласно даташиту. «Низковольтные» варианты МК отличаются добавлением буквы «L» (Low) или «V» (Very low) в названии. Например, узкий диапазон — 4.5...5.5 В (ATmegal28, PIC16F628A), широкий диапазон - 2.7...5.5 В (ATmegal28L), 2...5.5 В (PIC16LF628A).

Традиционно в любительских разработках используют питание 5 В, хотя в последнее время всё чаще переходят на диапазон 2.7...3.6 В. Судя по форумам в Интернете, МК с узким и широким диапазоном питания изготавливаются по одному и тому же технологическому процессу, но вследствие естественного разброса параметров, разбраковываются на группы «хуже — лучше». Это не означает, что МК с диапазоном 4.5...5.5 В не будет работать при пониженном до 3 В питании. Будет! Однако нельзя гарантировать его устойчивый запуск при крайних значениях температуры, тактовой частоты и нагрузок.

Общее правило — когда требуется максимальное быстродействие, то повышают напряжение питания и выбирают узкодиапазонный МК, когда требуется минимальный ток потребления — наоборот.

Подводя итоги обзора подсистемы питания, предлагается для идеализированного МК выбрать следующие усреднённые характеристики:

  • напряжение питания 2.7...5.5 В (широкий диапазон);
  • ток потребления 3... 15 мА при комнатной температуре, средней тактовой частоте и напряжении питания 3...5 В;
  • нагрузка по всем выходам МК должна быть такой, чтобы максимальный ток, протекающий через вывод питания, не превышал 100 мА;
  • обозначение силовых выводов Vcc, GND, как в AVR-контроллерах;
  • базовая схема организации питания соответствует Рис. 2.8;
  • аналоговые цепи AVCC, AGND в идеализированном МК имеются, но для упрощения графики на электрических схемах не показываются, хотя питание к ним подводится по аналогии с Рис. 2.13, Рис. 2.14, Рис. 2.15.

Практические рекомендации

Как показывает печальный опыт электронщиков, М К весьма «нежные» устройства по отношению к броскам питания и не любят перегрузок напряжения, даже кратковременных. Если имеется вероятность попадания на микросхему в аварийном режиме уровней более 5.5...7 В (для каждого МК в даташите по-разному), то необходимо ставить элементы защиты — стабилитроны, сапрессоры.

Частая ошибка увлечённых экспериментаторов заключается в установке МК в панельку «задом-наперёд», противоположной стороной. Получается, что вместо плюса питания может подаваться минус, линии портов могут соединяться с об

щим проводом и т.д. Подавляющее большинство МК такие опыты выдерживают с достоинством и без разрушения. Здесь важно следить за длительностью воздействия неблагоприятных факторов, чем меньше время, тем лучше. Подача питания обратной полярности вызывает температурный разогрев корпуса МК, но если вовремя снять напряжение, то микросхема, как правило, остаётся целой.

Нумерация выводов питания МК не стандартизована, в отличие от серийных микросхем ТТЛ- и КМОП-логики. Известное правило: «Старший по номеру вывод — это Ксс, а вдвое меньший по номеру вывод — это GND» распространяется лишь на некоторые типы МК (в частности, Atmel ATmega8515), и то, для совместимости с цоколёвкой микросхем с ядром MCS-51. Лучшим вариантом с точки зрения помехоустойчивости и частотных свойств является размещение выводов подсистемы питания в центре корпуса (например, Atmel ATmega8535). При этом сокращается путь тока от источника питания к процессорному ядру и снижается индуктивность выводов. На низких тактовых частотах это не стол ь существенно, а на высоких — приносит ощутимую пользу.

Если корпус микросхемы четырёхгранный, то «земляных» выводов GND, как правило, много и они дублируют друг друга со всех четырёх сторон. Таким нехитрым способом повышается суммарная максимальная токовая нагрузка на линии портов МКдо 200...400 мА без перегрева кристалла.

При разработке топологии печатной платы следует придерживаться общих рекомендаций по проектированию аналого-цифровых устройств:

  • проводники, по которым распространяются аналоговые сигналы, должны быть как можно короче по длине и располагаться подальше от быстродействующих цифровых трактов;
  • аналоговые и цифровые части питания должны соединяться в одной единственной точке, желательно прямо на выводах общего электролитического конденсатора фильтра;
  • на печатной плате рекомендуется предусматривать две области сплошной металлизации, отдельно для аналоговой и отдельно для цифровой «земли», над которыми размещаются только «свои» радиоэлементы;
  • если выводы GND и AGND соединяются электрически внутри микросхемы, этот момент можно использовать при разводке печатной платы в качестве бесплатной перемычки (но только для цифрового режима и низкой токовой нагрузки);
  • если аналоговый компаратор, АЦП и ЦАП не используются, то всё равно для повышения помехоустойчивости рекомендуется соединять между собой цепи/4Ксси Усс, GND и AGND любым доступным способом. Исключение из правила — это миниатюрные устройства с батарейным питанием, где отключение аналоговой части может существенно сэкономить энергию.

Источник:  Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. (Выпуск 1)

1 2327 Микроконтроллеры
микроконтроллер питание
кэшбек