Jak praví klasik, moudrost nepřichází vždy s věkem, někdy věk přichází sám. Roky strávené vývojem nicméně člověka většinou „poznamenají“, takže o dobré nápady nebývá nouze a „dětskými nemocemi“ to již také dávno netrpí. Jenže právo dělat chyby, jak se zdá, dostali pouze vyvolení, na rozdíl od zbytku světa, který musí pracovat neomylně a výsledky své tvůrčí vývojářské činnosti, při které zapojí obě hemisféry, předkládat ještě před termínem.

Obr. 1: Bezplatný on-line nástroj eDesignSuite od STMicroelectronics se neomezil pouze na návrh napájecích zdrojů, třebaže tvoří jeho stěžejní část

Doba se však mění a s ní i nástroje, které při své práci používáme. Pryč jsou časy, kdy se ještě vyplatilo hledat vadnou součástku kdesi na desce. Dnes se mění rovnou moduly, v lepším případě dokonce celá zařízení, protože to prý vychází levněji, a jiné budou i pracovní postupy před uvedením nového modelu na trh. Strašák dostal jméno, které mu nad námi dává prakticky neomezenou moc – „time to market“, zkráceně TTM, a vše, co ho zkrátí, se v byznysu počítá. Zpoždění mezi zplozením myšlenky a možností zakoupit si její líbivé zhmotnění v obchodě minimalizujeme chytře.

Od antén až po zdroje. Pro každého něco

Bude vaše zařízení poháněno spínaným zdrojem (SMPS) nebo si jen potřebujete na vše řádně posvítit výkonnými LED? V obou případech dostanete na výběr ze dvou variant – DC/DC nebo AC/DC. Nebo se v návrhu našel prostor pro baterii, kterou je třeba nabíjet (Battery Charger)? A pokud ano, měli bychom si na vstupu představit Slunce (Solar Battery Charger)? Což pak teprve aktivní filtry (Active Analog Filter) nebo, končíme – li u prvního písmena abecedy, takové antény (Antenna Design)?

Obr. 2: K nástroji se dostaneme různými způsoby, tradiční cestou z hlavní nabídky...

Osm různých skupin návrhů, ale jen jeden užitečný vývojový nástroj – tak přesně to je sada eDesignSuite s podtitulem The smart way to design your application, kterou pro nás již v minulosti připravila společnost STMicroelectronics (obr. 1). Zapomeneme teď na chvíli na oblíbenou rodinu mikrokontrolérů STM32 (na HW.cz čtěte též STM32 F0 sází na propojitelnost, Baterie jsou na jedno použití. Nové STM32L0 však nikoli nebo Nové MCU STM32 L1: více paměti a menší spotřeba na 110 nm, příp. STM32 Design Challenge: připojte je k síti a vyhrajte – slavnostní vyhlášení v Mnichově bude již v listopadu) a představíme si známého výrobce v poněkud jiném světle. V rámci svého pojetí podpory vývoje (Support) se totiž rozhodl uvolnit docela sympatické prostředky (Resources), za které se neplatí a nebude je nutné ani nikam instalovat. Tak to přece máme rádi, nebo snad ne?

Něco za něco

Takovou vsuvku bychom si nejraději odpustili, ale prostě nemůžeme. Rozmazleni společností Analog Devices, která se rozhodla přístup ke svým nástrojům nepodmiňovat za každou cenu registrací (na HW serveru viz také seriál článků Analog Devices: svět není jenom digitální), se nyní i proti své vůli na chvíli zastavujeme a prozrazujeme o sobě vybrané údaje (obr. 4). Není jich skutečně mnoho, pouze takové nutné „zlo“ – zažili jsme už mnohem horší výslech –, ale vzhledem k „vyššímu levelu“, který na nás čeká – nejedná se přece o žádnou on-line kalkulačku –, to ST nakonec stejně odpouštíme. Dost možná jsme již registrováni z minulosti, příp. si uvědomíme výhody takové ztráty anonymity, kupříkladu při následném objednávání bezplatných vzorků integrovaných obvodů, tzv. eSamples, apod. Obchod s gigantem, který je mezi polovodiči dlouhodobě „pojmem“, byl právě uzavřen.

Obr. 3: …ale často na nás v jedné ze svých podob jen tak „vykoukne“ už během procházení webu ST

Řeknete si spousta povyku pro nic, a možná máte v dnešní době, kdy na sebe na sociálních sítích zlodějům prozrazujeme nejen co, ale také kdy, pravdu. Na druhou stranu se však opakovaně setkáváme s lidmi, které představa v minulosti vyplněných dotazníků na desítkách webů vyloženě děsí. Každý se ale rozhoduje svobodně, dosud nerozhodnutí čtou dále. A my dodáváme: dobrá volba!

Všechny cesty vedou na start

První cesta k poněkud modernizované formě vývoje vede přes nabídku Support – Resources – eDesignSuite (obr. 2) a zmiňovali jsme ji již výše. Za druhé se nám otevírá přímý a zabezpečený link (obr. 5) a do třetice všeho dobrého a ještě lepšího s návrhem začínáme rovnou ve speciálních boxech na produktových či aplikačních stránkách výrobce (obr. 3). Nepotřebujeme se po nocích prokousávat aplikačními a kdoví jakými jinými „notesy“, studovat v cizím jazyce desítky stran nekonečných datasheetů, konzultovat nejasnosti s technickou podporou a s tváří ustaraného vítěze pak už jen systematicky rozkreslovat schéma zapojení, občas se nepřítomně zahledět z okna ven, něco přitom zabrblat a tu a tam i spočítat. Jde to i jinak, a my jdeme na to.

Obr. 4: Za používání vývojového nástroje se platí něčím jiným než penězi, žádná hrůza to ale není. Další účet již ale bude vystaven za konkrétní polovodiče s logem ST

Chtělo by se říct, že se profese vývojáře začíná otřásat v samotných základech, ale tak snadné to zase nebude. Zdravý úsudek a cit pro věc aplikace nenahradí, jinak toho ale ve své aktuální verzi 7.1.1 zvládá opravdu hodně (výchozí 1.3.4 se třeba datuje k červnu 2009). Společnost STMicroelectronics se sice stále zříká jakékoli odpovědnosti (tzv. Disclaimer), navozujíce přitom pocit jakoby si nebyla příliš jistá v kramflecích, my si však z toho hlavu zase tolik dělat nebudeme a pro klid duše nakonec stejně „zbastlíme“ krásný prototyp, za který se již necháme obratem pochválit.

Power Conversion – jeden příklad za všechny

Dost bylo řečí. Spouštíme eDesignSuite a z nabídky Power Conversion, LED Lighting, Signal Conditioning a RF Design vybíráme hned tu první. Míjíme nabídku Battery Charger i Photovoltaic a klikáme na Power Supply. Máme totiž za úkol navrhnout během několika málo minut síťový (AC/DC) napájecí zdroj. Zde už začíná být situace o poznání zábavnější, ostatně zhodnoťte sami. Musíme se kvalifikovaně rozhodnout mezi jednou ze čtyř voleb: PFC Pre-regulation, PWM Controllers, Non isolated a logicky pak též Isolated. Volíme poslední variantu a z FF a QR Flyback potvrzujeme topologii kvazi – rezonanční (obr. 5). Pevný kmitočet si necháme na někdy jindy.

Obr. 5: Bez základních znalostí se při návrhu zdroje prostě neobejdeme

To už se nám ale otevírá okno s nabídkou vhodných integrovaných obvodů a my jsme požádáni o nadefinování vstupních a výstupních hodnot. Po rozkliknutí jedné z předpřipravených nabídek napětí, 230 V / 50 Hz, systém laskavě doplnil minimálních 185 V a maximálních 265 V. Souhlasíme s tvůrci a obratem na výstup posíláme 5 V. Zatěžovat jej budeme max. proudem 1 A, což po vynásobení odpovídá 5 W. Z doplňkových vlastností (Brown out, Line feedforward, Overcurrent Protection, Overvoltage Protection, Regulation: Primary side, Programmable frequency modulation, PWM Controller, …) ještě žádáme nadproudovou ochranu a dále tak zužujeme počet vhodných integrovaných obvodů (obr. 6).

Obr. 6: Volbou doplňkových funkcí, které však mohou hrát důležitou roli, snižujeme počet integrovaných „uchazečů“

U každého z nich vidíme základní vlastnosti, pouzdro, spínací kmitočet, můžeme se podívat na jeho domovskou stránku a také rovnou z aplikace stáhnout aktuální datasheet. Náš pohled padl na 16vývodový L6566B, se kterým teď spojíme celé naše další fungování. Program konečně vykreslil schéma (obr. 7) a nás nechává kliknout na Start Design.

Obr. 7: V této fázi se nám již poprvé začíná rýsovat výsledné schéma zapojení

V okně Converter Specifications vidíme, a případně též můžeme změnit, základní charakteristiky zdroje. Nechybí zde např. kmitočtový rozsah síťového napětí, spínací frekvence obvodu, zvlnění, předpokládaná účinnost nebo též max. teplota okolí. Autoři aplikace nezapomněli ani na jednoduchou nápovědu, která nás neustále provází, ale přitom vůbec neobtěžuje (obr. 8). Pokoušíme štěstí a potvrzujeme automatický návrh, k tomu „zákaznickému“ se v případě potřeby vrátíme kdykoli později a upřesníme, co bude třeba.

Obr. 8: V průběhu návrhu se nám dostává stručné, ale výstižné nápovědy v různých podobách

Co jsme to vlastně spáchali

Přiznávám, že kompletní návrh funkčního spínaného zdroje s rozumnou účinností, stabilním výstupem a rušením „tak akorát“, byť přitom užijeme integrovaného obvodu, může zavánět alchymií. Systém nás však neponechává na pochybách a hodlá vše názorně vykreslovat (obr. 9).

Obr. 9: Aplikace překvapí příjemným prostředím, které si rychle oblíbíte

V prvé řadě zde vidíme přehledně vypsány všechny základní vlastnosti (Converter Specifications) spolu s možností jejich změny. Nás však bude spíše zajímat sekce Actuals, ve které si táhlem se skutečně jemným krokem navolíme libovolné vstupní napětí Vin a výstupní výkon Pout z dříve nadefinovaného rozsahu. Změnu budeme zároveň sledovat na některé z právě vykreslovaných charakteristik – spínací frekvence v závislosti na výstupním výkonu, účinnost jako funkce výstupního výkonu a konečně též magnituda v dB a fáze ve stupních v závislosti na kmitočtu (Bodeho diagram). Jednotlivé charakteristiky můžeme zvětšit (obr. 10) a tažením kurzoru dále sledovat vypočítané údaje, kdekoli si zamaneme.

Obr. 10: Informace jsou dostupné v každém bodě charakteristiky, kterou si pro lepší přístup necháme ještě zvětšit

STMicroelectronics pochválíme nejen za velmi pěkné a svižné animace (nikde se nic neseká a ani během samotných výpočtů nedáváme vařit na kafe), ale vyzvedneme též pro nás nesmírně cennou tabulku ztrát, která vše negativní rovnou a s přesností na dvě desetinná místa přiřazuje konkrétním viníkům – transformátoru, výstupu, tranzistoru MOSFET, vstupní části, integrovanému obvodu, pomocné síti (Clamper) a zbytku rozptýlenému někde mezi piny.

Obr. 11: Celá třetina ztrát nám při stanoveném podpětí padla na výstupní Schottkyho diodu...

Po rozkliknutí a zvětšení se dozvídáme další pravdu např. o EMI filtru nebo usměrňovacích diodách a jejich podílu na celkovém úspěchu či „hřejivějším“ neúspěchu. Kruhový graf je více než názorný (obr. 11), tato část se ST skutečně povedla.

Obr. 12: ...možná s tím ještě něco uděláme

Zásah shůry vítán

Pro veškeré nadšení bychom málem zapomněli na to hlavní, čímž není nic jiného než výsledné schéma zapojení s hodnotami součástek (obr. 13). Je natolik názorné a přehledné, že už snad přehlednější být ani nemůže. A hlavně není vůbec konečné, tedy pokud si to budeme přát. Některé velikosti odporů či kapacit sice neovlivníme, a stejně tak např. nehneme s vybranými typy diod, stále tu však existuje dostatečný prostor pro vlastní rukopis (obr. 12). Troufnete si na něj?

Obr. 13: A to je ono, očekávané schéma kvazi – rezonančního spínaného zdroje spolu s přesnými hodnotami součástek

Není totiž nic jednoduššího, než si na aktivní modré popisky kliknout a uskutečnit žádanou změnu, případně použijeme též zkřížený symbol šroubováku a klíče, který nás dále, a to i s nepřetržitou nápovědou, nasměruje. V Design Wizardu tomu postupně, a v tomto konkrétním případě, odpovídají položky jako Input Stage Design, Flyback Parameters Specifications, užitečný Transformer Design, MOSFET and Clamper Selection, Output Stage Design, Device Settings, ale též Compensation, zohledňující třeba stabilitu. Celého průvodce vyvoláme též kliknutím na tzv. „jemnůstky“, Design Refinements (obr. 14 a 15).

Možností zde existuje skutečně nespočet, ale jejich podrobný rozbor smysl tohoto článku podle všeho netvoří. Čtenáře chce spíše nasměrovat k solidnímu nástroji, který mu umožní nejen „beztrestně“ experimentovat, ale především v krátkém čase generovat smysluplná a plně funkční zapojení, přesně dle zadání.

Obr. 14: Návrat zpět k „ručnímu“ návrhu vyžaduje přinejmenším prahovou úroveň odvahy...

Pro pořádek se ještě sluší zmínit vyčerpávající soupisku materiálu BOM a několik možností uložení aktuálního projektu, včetně exportu pro účely další simulace (PSpice). Jak jsme již ale psali v úvodu, bylo by pošetilé domnívat se, že nástroj zvládá pouze zdroje, jakkoli se tak na první pohled tváří, ale o tom zase někdy jindy...

I schéma může být cíl

Bude – li na pomyslný špalek za návrh desky plošného spoje pokládat svou hlavu kolega odvedle, naše mise pomalu končí. V opačném případě toho ještě můžeme hodně pokazit, ale taky zachránit. Článek vývojářům představil možnosti současného trendu návrhu zapojení s elektronickými součástkami v on-line aplikaci eDesignSuite od známé firmy, STMicroelectronics. Budeme přesto v koutku duše pochybovat a zdroj si pro jistotu ještě jednou zapojíme a odměříme, tentokrát a přinejmenším na nepájivém poli, lépe pak s krásně „vylitou“ zemí. Důvěřujeme, ale prověřujeme. A pokud jde o vinuté díly, několik tipů naleznete hned v úvodu letošní reportáže Prošli jsme se po AMPERu. V Brně již počtvrté.

Obr. 15: ...ale odvážní se přece odjakživa kamarádí se štěstím

eDesignSuite (domovská stránka, kdo rád video průvodce, kliká sem) mění zažité postupy a stereotypy. Nechceme tím ale tvrdit, že od této chvíle již s dokumentací od výrobce pracovat nemusíte, ani že vývoj spínaných zdrojů s klidem svěříme do rukou vystudovanému… (to abych někoho neurazil, obor si doplní každý sám – existuje jich mnoho). Odpovědnosti se tak sice nezbavíme, nicméně s ušetřeným časem už přece nějak naložit umíme. Vždyť my během vývoje na nic klikat konec konců ani nemusíme, ale nebyli bychom tak trochu sami proti sobě?

Pokračujeme zase příště.

Připraveno s využitím materiálů dostupných na stránkách www.st.com, náhledy: eDesignSuite