Berechnung der Werte für den PWM-Step-Up-Spannungswandler --------------------------------------------------------- U_in = 5 V U_out = -24 V max I_out = 25 mA max Schaltfrequenz ~ 100 kHz wg. ohmschem Widerstand der Spule wird mit folgenden Werten gerechnet: U_in = 4.5 V U_out = -24 V max -18 V typ -16 V min _________________________________________________________ 1 Phase = 30 Zeitscheiben = 24 Ticks I_in + 4.5 Ticks I_out + 1.5 Ticks I = 0 Puffer Die Strommenge für I_out muss in 4.5/30 einer Phase geladen werden => Iø = 25mA * 30 / 4.5 = 166.7 mA Da der Stromverlauf vom Max auf 0 dreieckförmig abnimmt: => I_max = Iø * 2 = 333.3 mA für I_in und I_out 1 Phase @ 100kHz = 10 µs Ladezeit = 10µs *24/30 = 8 µs Gewünschte Spule: L = 4.5 V / (333.3mA/8µs) = 108 µH R = 0.5V / 333.3 mA = 1.5 Ω _______________________________________________________ Spule aus Fundus: L = 100 µH R = 0.6 Ω I = 370 mA V_loss = 0.6Ω * 330 mA = 0.2 V P = U * I = 0.2V * (0.33mA/2) = 17mW 1 Phase = 30 Zeitscheiben = 24 Ticks I_in + 4.8 Ticks I_out + 1.2 Ticks I = 0 Puffer Die Strommenge für I_out muss in 4.8/30 einer Phase geladen werden => Iø = 25mA * 30 / 4.8 = 156.25 mA Da der Stromverlauf vom Max auf 0 dreieckförmig abnimmt: => I_max = Iø * 2 = 312.5 mA für I_in und I_out Ladezeit: L = U / (dI/t) = U / dI * t t = L/U*dI t = 100e-6/4.8*312.5e-3 = 6.5 µs max Entladezeit: t = L/U*dI t = 100e-6/24*312.5e-3 = 1.3 µs min t = 100e-6/16*312.5e-3 = 2.0 µs max (im Betrieb, during ramp-up länger!) Dauer einer Phase: t = 6.5 µs + 2 µs t = 8.5 µs Frequenz: f = 1/8.5µs = 117.5 kHz _______________________________________________________ Spannungsregulierung Der PWM wird auf nominell 117.5 kHz eingestellt. Eine Phase unterteilt sich in t_in Ladezeit: Strom steigt t_out Entladezeit: Strom fällt t_off Es fließt kein Strom Die Ladezeit t_in kann reguliert werden Die Entladezeit t_out kann nicht reguliert und nicht gemessen werden t_out ist aber mit max. 2.0 µs abgeschätzt Es ist wichtig, dass der in die Spule geladene Strom in t_out vollständig abgebaut wird und kein Reststrom verbleibt, wenn die nächste Ladezeit beginnt. Dieser würde sich nämlich aufaddieren. Zur Spannungsregelung wird die Ausgangsspannung permanent mit einem ADC gemessen. Dies ist aber sehr langsam. (~1000/s) Entsprechend wird die Zeit für t_on variiert. t_out+t_off wird konstant auf 2µs gehalten. Regelbereich: Maximale Last: 24V, 25mA: t_in = 6.5µs (wie oben berechnet) f = 117.5kHz I_max = 312.5mA Minimale Last: 16V, 10mA: (aber Achtung: I_out=0mA => t_in=0) t_in = L / U_in * dI dI = 2 * I_out * (U_out+U_in) / U_in t_in = L / U_in * 2 * I_out * (U_out+U_in) / U_in t_in = 100e-6 / 4.8 * 2 * 10e-3 * (16+4.8) / 4.8 t_in = 1.8µs f = 263kHz I_max = 2 * I_out * (U_in+U_out) / U_in note: I_max == dI I_max = 2 * 10e-3 * (4.8+16) / 4.8 I_max = 87mA Iø = 43.5mA Typische Last: 18V, 20mA: t_in = 100e-6 / 4.8 * 2 * 20e-3 * (18+4.8) / 4.8 t_in = 4.0µs f = 167kHz I_max = 2 * I_out * (U_in+U_out) / U_in I_max = 2 * 20e-3 * (4.8+18) / 4.8 I_max = 190mA Iø = 95mA __________________________________________________________ Glättungskondensator(en): 1. Da die LCD-Spannung nicht ausgeschaltet werden kann, muss sie nach Abschalten der 5V-Logikspannung sehr schnell abbauen, um eine Beschädigung des Displays zu vermeiden. t_max = 0.25s dU = 20V Iø = 10mA I_max = 2 * Iø = 10mA C = I*t/dU C_max = 10e-3 *0.25 / 20 C_max = 125µF 2. Im Verlauf von t_out+t_off soll die Spannung um max. 0.1V abbauen: C = I*t/dU C = 25mA*6.5µs/0.1V C = 25*6.5/0.1 C_min = 1.625µF 3. Im Verlauf von t_in soll die Spannung um max. 0.1V steigen: C = I*t/dU C = (312.5mA/2-10mA)*2µs/0.1V C = (312.5e-3/2-10e-3)*2e-6/0.1 C_min = 3µF 4. Zwischen 2 ADC-Messungen soll die Spannung um max. 0.1V driften: C = I*t/dU C = (25mA-10mA)*1ms/0.1V 1000 samples/s C = (25e-3-10e-3)*1e-3/0.1 C_min = 150µF C = (25mA-10mA)*1s/15000/0.1V max. Konversionsrate = 15kSps C = (25e-3-10e-3)/15e3/0.1 C_min = 10µF