Institutionen för systemteknik

Transkript

1 Institutionen för systemteknik Department of Electrical Engineering Examensarbete Konstruktion av strömförsörjningsmodul till testsytem Examensarbete utfört i Datorteknik vid Tekniska högskolan vid Linköpings universitet av Marija Vidlid LiTH-ISY-EX-ET--5/0432--SE Linköping 205 Department of Electrical Engineering Linköpings universitet SE Linköping, Sweden Linköpings tekniska högskola Linköpings universitet Linköping

2

3 Konstruktion av strömförsörjningsmodul till testsytem Examensarbete utfört i Datorteknik vid Tekniska högskolan vid Linköpings universitet av Marija Vidlid LiTH-ISY-EX-ET--5/0432--SE Handledare: Examinator: Mikael Gustavsson Flextronics Michael Josefsson isy, Linköpings universitet Linköping, 7 maj 205

4

5 Avdelning, Institution Division, Department Avdelningen för elektroniksystem Department of Electrical Engineering SE Linköping Datum Date Språk Language Svenska/Swedish Engelska/English Rapporttyp Report category Licentiatavhandling Examensarbete C-uppsats D-uppsats Övrig rapport ISBN ISRN LiTH-ISY-EX-ET--5/0432--SE Serietitel och serienummer Title of series, numbering ISSN URL för elektronisk version Titel Title Konstruktion av strömförsörjningsmodul till testsytem Design of a power supply module for a test system Författare Author Marija Vidlid Sammanfattning Abstract Detta examensarbete är utfört vid den tekniska högskolan vid Linköping Universitet på programmet högskoleingenjör elektronik. Uppdragsgivaren, Flextronics, är ett företag som utvecklar generell testutrustning inom elektronikproduktion. Den testutrustning som finns behöver uppdateras och examensarbetet går ut på att bygga en ny strömförsörjningsmodul till denna. Den största skillnaden mot tidigare system är att den nya strömförsörjningsmodulen ska klara av högre uteffekt. Eftersom den nya testutrustningen redan är påbörjad finns några krav att ta hänsyn till och ett av dem är att det ska finnas en mikrokontroller i strömförsörjningsmodulen. Mikrokontrollern kan ha funktioner som är användbara såsom inbyggda DAC:ar och ADC:er och designen har gjorts om så att dessa kan utnyttjas och till och med sköta regleringen. Efter en del databladsläsande och simulerande utvecklades en lösning som har med två regulatorer vilka styrs av mikrokontrollern. Denna lösning har också konstruerats och utvärderats. Nyckelord Keywords power supply, strömförsörjning

6

7 Sammanfattning Detta examensarbete är utfört vid den tekniska högskolan vid Linköping Universitet på programmet högskoleingenjör elektronik. Uppdragsgivaren, Flextronics, är ett företag som utvecklar generell testutrustning inom elektronikproduktion. Den testutrustning som finns behöver uppdateras och examensarbetet går ut på att bygga en ny strömförsörjningsmodul till denna. Den största skillnaden mot tidigare system är att den nya strömförsörjningsmodulen ska klara av högre uteffekt. Eftersom den nya testutrustningen redan är påbörjad finns några krav att ta hänsyn till och ett av dem är att det ska finnas en mikrokontroller i strömförsörjningsmodulen. Mikrokontrollern kan ha funktioner som är användbara såsom inbyggda DAC:ar och ADC:er och designen har gjorts om så att dessa kan utnyttjas och till och med sköta regleringen. Efter en del databladsläsande och simulerande utvecklades en lösning som har med två regulatorer vilka styrs av mikrokontrollern. Denna lösning har också konstruerats och utvärderats. iii

8

9 Tack Ett stort tack vill jag ge till handledaren Mikael Gustavsson som jag har lärt mig mycket från. Arbetet hade inte gått utan dig Micke! Ett tack vill jag också ge till Doris som har handmonterat de första korten. Jag vill också tacka alla kollegor på företaget som har bidragit till en fin och trevlig stämning, framförallt till Adam som har välkomnat och ofta agerat bollplank. Tack vill jag också ge till mina båda föräldrar och mina båda syskon för uppmuntran. Sist vill jag tacka min man för korrekturläsning och allt stöd. Linköping, maj 205 Marija Vidlid v

10

11 Innehåll Notation ix Introduktion. Bakgrund Tidigare arbete Frågeställningar Metod Avgränsningar Teori 5 2. Reglerteknik P-regulator PI-regulator PID-regulator Effektelektronik Linjär regulator Switchad regulator Grundläggande kretsar Strömspegel Instrumentförstärkare Design 5 3. Kravspecifikation Översikt Kretsschema Den switchade regulatorn Den linjära regulatorn MCU:n Mjukvara Verifiering 2 4. Testning Spänningssättning via USB vii

12 viii Innehåll 4..2 Spänningstest Lasttest Modifikationer Lysdiod och ERASE Den switchade regulatorns spänningsdelning Den switchade regulatorns kondensatorer Diskussion Befintlig design Fördelar och nackdelar Ny design Styrning av regulatorerna Resultat 3 A Kravspecifikationer 35 B Kretsschema 37 C Switchade regulatorn 45 D Linjära regulatorn 47 E Verifiering 49 Litteraturförteckning 5

13 Notation Förkortningar Förkortning ADC BJT CDC CLI CM CMRR DAC DM DC IC JTAG LDO LP LED MCU PCB PID PSU PWM PWR USB Betydelse Analog to digital converter Bipolar junction transistor (Bipolär transistor) Communication device class Command line interface Common mode Common mode rejection ratio Digital to analog converter Differential mode Direct current Integrated circuit Joint test action group (programming and debugging interface) Low-dropout regulator Low pass Light-emitting diode Microcontroller unit Printed circuit board Proportional, integral, differential (regulator) Power supply (strömförsörjning) Pulse width modulation Power Universal serial bus ix

14

15 Introduktion Rapporten är uppdelad i sex huvuddelar: introduktion, teori, design, verifiering, diskussion och resultat. För att enklare sätta sig in i arbetet kommer ett teoretiskt kapitel efter introduktionen. Där beskrivs den mesta teoretiska bakgrunden för att kunna förstå designutvecklingen och slutsatserna. I designdelen finns kravspecifikationer och kretsscheman beskrivet och sammanfattat. För att veta att de viktigaste kraven är uppfyllda finns ett kapitel om verifieringen. Under arbetets gång går det många turer mellan testning och design för att till slut kunna hitta en slutsats. I diskussionsdelen jämförs olika lösningar och några tankegångar tas upp. Till slut sammanfattas slutsatserna i resultatdelen.. Bakgrund Uppdragsgivaren är ett företag som utvecklar generell testutrustning inom elektronikproduktion. Den testutrustning som finns behöver uppdateras och ska klara av högre spänningar och kosta mindre. En del av det nya testsystemet är redan påbörjat. Nu behövs en modul som ska hantera strömförsörjningen, och det är denna modul som är examensarbetets inriktning. Det finns en lösning i det nuvarande testsystemet för denna modul som ska analyseras och uppdateras mot den nya kravspecifikationen. Det finns också färdigbyggda kretsar som sköter hela eller stora delar av strömförsörjningen som kan undersökas. Målet med detta arbete är att konstruera en strömförsörjningsmodul som klarar de nya kraven..2 Tidigare arbete Arbetet med det nya testsystemet har redan påbörjats och om detta kan läsas i [9]. Ett blockschema på hela testsystemet är taget från den rapporten och finns i

16 2 Introduktion figur.. Tanken med det nya systemet är att dela upp det nuvarande testystemet i mindre block eller mindre moduler. Sen kan dessa moduler användas var för sig eller byggas ihop och då ersätta det nuvarande systemet. USB Testplattform Dioder och fixtur USB I/O & Analog USB (5 V) 24 V 2 V 5 V Sensormodul (I2C, SPI, kommunikation) I2C SPI/Analog I/O Fixtursensorer PC Bakplan med USB 5 V 24 V Motorkontroll DUT USB- Hub USB 5 V 24 V USB 5 V Programmerbar power supply DUT Komm. I2C, CAN, SPI Inställningsbar jumper för direkt-usb 0-24 V Interface USB, etc USB 5 V Instrumentswitch Mätnoder 5 V från PSU (även 2/24 V) 5 V 2 V 24 V Specialiserade Mätinstrument 220 V Intern power supply Figur.: Figuren visar blockschema för hela testsystemet och är taget från [9]. Den modul som ska utvecklas i detta examensarbete heter Programmerbar power supply och ligger mitt i blockschemat..3 Frågeställningar Det finns tre problemformuleringar för detta examensarbete. För att inleda arbetet blir det naturligt att undersöka det som finns. Så den första problemformuleringen är: Hur ser det nuvarande testsystemet ut? Detta praktiska arbete är väldigt rättfram och nästa steg är att undersöka vad som saknas i det nuvarande testsystemet. Eftersom en första revision är målet med designen blir andra problemformuleringen: Vilka krav ställs på den första revisionen? Den sista problemformuleringen utvärderar resultatet: Varför valdes den konstruktionslösning som valdes?

17 .4 Metod 3.4 Metod Arbetet är att bygga ett kretskort som ska uppfylla vissa krav. Dessa krav fastställs i en kravspecifikation i början av arbetet. Eftersom det redan finns ett färdigbyggt system blir nästa steg att analysera det systemet och se vad som saknas. De delar som saknas ska komma med i det nya testsystemet och designen av det nya testsystemet tar sin början. Först ska en massa designval göras, och till hjälp finns simuleringsprogram. När val av design har gjorts ska ett kretsschema ritas och därefter ska en PCB-layout göras. Sedan beställs korten och verifiering av korten kan påbörjas. Sist görs en utvärdering av hur det har gått. I figur.2 går det att se metoden för examensarbetet. Kravspecifikation Design Analys av nuvarande system Vad saknas i det nuvarande systemet och varför Simulera Välja design LTSpice simulerar kretsar Bygga Simulera Rita kretsschema Göra PCB-layout Beställa OrCAD används för att rita kretsschema PADS används för att CAD:a kretsen Atmel Studio 6.2 används för mjukvaran Verifiera Testa kortet Utvärdera resultatet Oscilloskop Mäta flera spänningar samtidigt Multimeter Mäta spänningar Mäta motståndsvärden Figur.2: Figuren visar examensarbetets metod. Den vänstra spalten visar vilken del av arbetet som utförs i vilken ordning och den högra visar de verktyg som har använts..5 Avgränsningar Examensarbetet är begränsat till att designa hårdvaran med kravspecifikationen som mall. Det som inte ingår i examensarbetet är att skriva hela mjukvaran. Bara så mycket mjukvara ska skrivas så att det går att sätta några olika utspänningar. Det ingår inte heller i examensarbetet att utvärdera alla krav utan bara det som visar att designen fungerar. Designen räknas som fungerande då några olika utspänningar kan sättas.

18

19 2Teori Detta kapitel beskriver några teoretiska grunder. Först beskrivs reglerteknik som är grunden till hur spänningsreglering fungerar. Sedan tas några spänningsregulatorer upp i effektelektronikdelen. Sist tas några grundläggande kretsar upp. 2. Reglerteknik Några termer från reglertekniken används i rapporten och källan till dessa finns i [3]. Ett exempel på ett generellt reglersystem finns i figur 2.. Insignal Bör-värde + Är-värde - + System Utsignal Figur 2.: Figuren visar ett generellt reglersystem. Det som är bra att förstå inom reglerteknik är återkopplingen där det finns tre delar som är viktiga, nämligen: Är-värde Detta är vad värdet är och mäts på utgången. 5

20 6 2 Teori Bör-värde Detta är vad värdet borde vara och sätts på ingången. Fel Felet är skillnaden mellan är-värde och bör-värde. En regulators uppgift är att minimera och helst eliminera felet. Det finns olika system inom reglerteknik vars mål är att eliminera felet och några av dessa beskrivs nedan. 2.. P-regulator Den enklaste regulatorn är en linjär regulator som får skillnaden mellan är-värde och bör-värde att gå mot noll. Ekvationen för denna beskrivs med: u(t) = K P e(t) + u 0 (2.) där e(t) = r(t) y(t) (2.2) u(t) = insignal K P = konstant till proportionell reglering e(t) = fel u 0 = insignalnivå som motsvarar en normalnivå r(t) = bör-värde y(t) = är-värde Då felet för P-regulatorn är noll blir u(t) = u 0. Det betyder att utsignalen bara bestäms av normalnivån PI-regulator Denna regulator har både en proportionerlig del och en integrerande del. där t u(t) = u 0 + K P e(t) + K I e(τ)dτ (2.3) 0 u(t) = insignal u 0 = insignalnivå K P = konstant för proportionerlig reglering

21 2.2 Effektelektronik 7 e(t) = fel K I = konstant för integrerande reglering PI-regulatorn reglerar systemet så att det även eliminerar påverkan av störningar. Den integrerande delen tar hänsyn till vad felet har varit tidigare. Eftersom regulatorn också tittar bakåt i tiden förlitar den sig på gammal information. Då det önskade värdet närmar sig kan denna regulator därför först svänga förbi värdet och sedan svänga tillbaka igen innan den ställer in sig på rätt värde PID-regulator Det finns också PID-regulator där D-delen står för deriverande del som tittar framåt i systemet och återkopplar till nuläget. Formeln för en PID-regulator ser ut på följande sätt: där u(t) = insignal u(t) = K P e(t) + K I K P = konstant för proportionerlig reglering e(t) = fel K I = konstant för integrerande reglering K D = konstant för deriverande reglering t 0 d e(τ)dτ + K D e(t) (2.4) dt Eftersom denna regulator dessutom tittar framåt i tiden kan överslängar elimineras. Regulatorn blir däremot långsammare så översläng kontra tid är något som kompromissas om med denna regulator. 2.2 Effektelektronik I sin helhet går examensarbetet ut på att kontrollera elektrisk energi genom att reglera spännings- och strömnivåer med hjälp av en last. All fakta om effektelektronik är tagen från [2]. I detta examensarbete har två sorters spänningsregulatorer använts: linjär och switchad regulator Linjär regulator En linjär regulator fungerar som ett enkelt reglersystem. Den har är-värde, börvärde, återkoppling och felhantering. I figur 2.2 finns ett generellt exempel på en linjär regulator.

22 8 2 Teori + Vin - Felhanterare som påverkar styrsignal Vut Vönskad Last Figur 2.2: Exempel på en linjär regulator. Huvudkomponenten är transistorn som styrs av ett reglersystem. Transistorn är den komponent som varierar utspänningen och den kan ses som ett varierbart motstånd. För att förstå en nackdel med den linjära regulatorn finns ett exempel på hur transistorns effekt fungerar i figur 2.3. Pin = Uin * Iin R + - Put = Uut * Iut = (Uin - I*R)*I Figur 2.3: Figuren visar hur effekten påverkas i en transistor som här symboliseras av ett varierbart motstånd. En nackdel med den linjära regulatorn är att det kan bli stora effektförluster. För att kunna räkna på effektförluster brukar termen verkningsgrad användas. V erkningsgrad = P ut U ut Iut = P in U in Iin (2.5) Så hög verkningsgrad som möjligt är bra eftersom det är effektivare och värmeförlusterna blir mindre. En annan nackdel med den linjära regulatorn är att utspänningen bara kan vara mindre än inspänningen. Den andra typen av regulatorer, switchade regulatorer, kan enkelt göras med högre verkningsgrad och vissa typer kan även ge högre utspänning än inspänning Switchad regulator Den andra typen av spänningsregulator, en switched-mode regulator använder sig av pulsbreddsmodulering, PWM. Det gör precis vad namnet antyder, modulerar bredden på pulsen, där pulsen är en spänning. Switchen som hanterar avoch påperioder på pulsen styr vilken effekt som kommer ut till lasten. Figurer på hur detta fungerar finns i figur 2.4, figur 2.5 och i figur 2.6. Ju längre switchen

23 2.2 Effektelektronik 9 är på, i jämförelse med av, desto högre effekt. Mer om hur PWM används i designen finns i [5]. Tre typer av switchade regulatorer är bra att känna till för detta examensarbete:. Buck Kan bara ge ut lägre utspänning än inspänning. I figur 2.4 förklaras buck. L Buck: Uin D C Rload L Buck då brytaren är på: Uin C Rload L Buck då brytaren är av: D C Rload Figur 2.4: Figuren visar hur en buck-regulator fungerar. Då brytaren är på, laddas magnetfältet i spolen L upp. Då brytaren är av, laddas magnetfältet i L ur och fortsätter då att driva ström.

24 0 2 Teori 2. Boost Kan ge ut en högre utspänning än inspänning. I figur 2.5 förklaras boost. Boost: Uin L D C Rload Boost då brytaren är på: Uin L Boost då brytaren är av: Uin L D C Rload Figur 2.5: Figuren visar hur en boost-regulator fungerar. Då brytaren är på, laddas magnetfältet i spolen L upp. Då brytaren är av, laddas strömmen i L ur vilket get upphov till att spänningen byter polaritet. Detta i sin tur ger upphov till att spänningen över lasten är inspänningen adderat med spänningen över L.

25 2.2 Effektelektronik 3. Buck-boost Kan ge ut både lägre och högre utspänning än inspänning. Denna konverterare kan generera en negativ utspänning relativt inspänningen. I figur 2.6 förklaras buck-boost. Buck-boost: + Uin C Rload - Buck-boost då brytaren är på: + Uin C Rload - Buck-boost då brytaren är av: C Rload Figur 2.6: Figuren visar hur en buck-boost-regulator fungerar. Då brytaren är på, laddas magnetfältet i spolen L upp. Samtidigt laddas kondensatorn C ur. Då brytaren är av, laddas L ur.

26 2 2 Teori 2.3 Grundläggande kretsar Det finns några kretskopplingar som kommer att visa sig vara användbara och dessa beskrivs här Strömspegel En strömspegel består av två transistorer som har samma basemitterspänning. Då transistorerna är identiska blir även kollektorströmmen för båda transistorerna lika och transistorerna kan då användas som en strömgenerator. Ett exempel på strömspegel är en som består av två likadana BJT-transistorer vars bas är ihopkopplad. I figur 2.7 finns exempel på en sådan koppling. Det finns många slags strömspeglar och mer om dessa går att läsa om i[4]. R +E I C I C2 + U BE - Matematisk beskrivning enligt källa nummer : I C2 = (E - U BE )/R Figur 2.7: Figuren visar ett exempel på en strömspegelkoppling taget från [] Instrumentförstärkare Instrumentförstärkaren är en typ av mätförstärkare och har två ingångar. Det finns några ord som är bra att känna till som har med instrumentförstärkaren att göra: CM Common mode Den del av inspänningarna på de två ingångarna som är lika. DM Differential mode Den del av inspänningarna på de två ingångarna som är olika. CMRR Common mode rejection ratio Detta är ett mått på hur mycket av CM som finns i mätningen. Ju högre värde desto bättre.

27 2.3 Grundläggande kretsar 3 Exempel på en instrumentförstärkarkoppling finns i figur 2.8. Exempel på hur den har använts i konstruktion finns i [] och [6] R2 U4 R3 - R4 Uin2 R R R2 Uut - + Uin - + U3 R4 - Matematisk beskrivning enligt källa : Uut = (R4/R3)*(U3-U4) = (R4/R3)*(+2*R2/R)*(Uin-Uin2) Figur 2.8: Figuren visar exempel på en instrumentförstärkarkoppling.

28

29 3Design Det här kapitlet beskriver designen av strömförsörjningsmodulen. Först presenteras kravspecifikationen. Sedan kommer en översikt av den nya strömförsörjningsmodulen. Efter detta presenteras kretsschemat och valet för tre huvudkomponenter beskrivs: switchade regulatorn, linjära regulatorn och MCU:n. Sist presenteras mjukvaran för projektet. För att veta hur design kan gå till är en del inspiration taget från [7] och [8]. 3. Kravspecifikation Eftersom arbetet med det nya testsystemet redan är påbörjat finns redan en del krav att ta hänsyn till. Dessa finns i appendix A. De krav som behövs för bara strömförsörjningsmodulen finns också i appendix A. De viktigaste kraven är: Utspänningen ska gå från 0 till 24V. Utspänningens upplösning ska vara 0.V. Så alla steg från 0.V till 24.0V ska systemet klara av. Detta sätter krav på utspänningens noggrannhet. Inspänning ska vara 2V eller 24V. Eftersom inspänningen både kan vara 2V och 24V innebär det att en buckregulator är utesluten. Om systemet har 2V in ska det alltså klara 24V ut. Modulen ska klara av laster upp till A. Detta sätter krav på hur tåliga regulatorerna ska vara för att ge ut rätt spänning. 5

30 6 3 Design 3.2 Översikt Ett blockschema för modulen finns i figur 3.. Det finns tre insignaler till modulen: USB, IN och Sense. USB är ett krav sedan tidigare för alla moduler i testsystemet. IN är inspänningen till systemet. Sense är till för att försäkra sig om att den mottagna spänningen är den avsedda. Det finns en utsignal från modulen och det är UT. 0-24V är utspänningen, alltså är-värdet för utspänningen och A är maximala värdet för utströmmen. Återkoppling på spänning och strömmar USB IN 2V eller 24V MCU PÅ/AV Spänning Positiv ström Negativ ström DC/DCregulator UT 0-24V A Sense Statusdioder Adress Internspänning Figur 3.: Detta är en förenklad figur på den nya strömförsörjningsmodulen. Som insignal har den USB och IN där IN är 2V eller 24V. Modulen har också en insignal som heter Sense vars funktion är att mäta på mottagarsidans inspänning. Som utsignal har modulen en utspänning som kan variera mellan 0 och 24V och ska klara en last på upp till A. 3.3 Kretsschema I figur 3.2 följer en förenklad bild av kretsschemat. Hela bygget utgår från mikrokontrollern. Spänningsregleringen sker först med en switchad buck-boost och sedan med en linjär regulator. Denna lösning valdes eftersom den switchade behöver en lågpassfiltrering på utsignalen (på grund av switchningen) och den linjära regulatorn har andra funktioner som kan vara av intresse. Blocken i figuren är döpta på engelska för att följa kretsschemats namngivning. Kretsschemat byggdes i OrCAD och hela kretsschemat finns i appendix B. Många av kretsschemats kopplingar är tagna från datablad för komponenterna, men anpassningar har gjorts exempelvis för att kunna ändra spänningsnivåer från MCU:n. Komponenternas namn står under varje komponent i kretsschemat. Det finns tre huvudkomponenter för modulen: den switchade regulatorn, den linjära regulatorn och MCU:n. En närmare beskrivning av dessa följer.

31 3.3 Kretsschema 7 Adress, AD and external pins External signals JTAG, USB, LEDS MCU Set U_RAW Set and measure Set U_LDO Internal voltage level control DC/DC switching regulator U_RAW LDO, DC/DC linear regulator U_LDO Current measurement Sense U_OUT Measures and doesn t affect current Measures and doesn t affect current Instrumentional amplifier To MCU Figur 3.2: Detta är en förenklad bild på kretsschemat som finns i appendix B där blockens namn följer kretsschemats. Hela modulen utgår från MCU:n som är indelad i fyra delar. Den viktigaste delen är Set and measure som sätter bör-värde via två DAC:ar och tar in är-värden via ADC:er. Strömmätning är en viktig del i detta power supply och därför finns strömmätning med.

32 8 3 Design 3.3. Den switchade regulatorn Hur den switchade regulatorn är kopplad finns i figur 3.3. I appendix C finns ett simuleringsfall redovisat för denna regulator. DC/DC switching regulator SW L SW2 C00 00P_25V_X7R 5u C0 00P_25V_X7R TP00 6 BST SW SW2 BST2 5 U_IN Measure_U_IN C05 0N_25V_X7R TP Testpoint TP0 TP R00 k5-p R05 22R-P R02 953k-P 3 Vin 7 PVin C03 0U_35V_X5R 2 RUN U0 #LTC35 4 PVout VC 7 8 FB C02 22U_35V_X5R R0 meg-p R03 C04 0k-P 3300P_25V_X7R Testpoint R04 k5-p U_RAW Measure_U_RAW R06 30k-P 2 9 GND PWM/SYNC PVcc 4 R08 R07 80k6-P 80k6-P C07 R09 22R-P C06 0N_25V_X7R 9 RT Vcc 2 U_25V_X7R R3 35k7-P GND GND PGND PGND PGND PGND TP04 TP Testpoint L0 u Set_U_RAW C4 4U7_25V_X7R R8 k-p Figur 3.3: Figuren visar den switchade regulatorns kopplingar. Regulatorn har två insignaler och det är U_IN och Set_U_RAW. U_IN är regulatorns inspänning och Set_U_RAW är styrsignalen från MCU:n. Regulatorn har tre utsignaler: U_RAW, Measure_U_RAW och Measure_U_IN. U_RAW är regulatorn utspänning, Measure_U_RAW är mätning på utspänningen och Measure U_IN är mätning på inspänningen. Alla mätningar går till MCU:n för att den ska kunna sköta regleringen. Den switchade klarar inte av spänningar ner till 0V enligt datablad. Därför behövs något mer för att klara av att sätta de låga spänningarna.

33 3.3 Kretsschema Den linjära regulatorn Kopplingen för denna visas i figur 3.4. I appendix D finns ett simuleringsfall redovisat för denna regulator. LDO, DC/DC linear regulator TP TP02 Testpoint Measure_current_LDO Measure_temp_LDO C09 0N_25V_X7R Set_U_LDO R6 R0 R U_RAW k-p k-p C0 0N_25V_X7R C2 0U_35V_X5R k-p L02 u U02 3 Imon Ilim 5 Temp 6 IN TP TP05 Testpoint R7 U_25V_X7R C5 #LT308ER OUT OUT SET 47k5-P NC 7 22U_35V_X5R C08 2 C D2 #BCV6 S2 3 k5-p R2 909k-P 00P_25V_X7R R4 22R-P U03 R5 4 D S TP TP03 Testpoint U_LDO Measure_U_LDO C3 0N_25V_X7R Figur 3.4: Figuren visar den linjära regulatorns kopplingar. Regulatorn har två insignaler: U_RAW och Set_U_LDO. U_RAW är regulatorns inspänning och Set_U_LDO är regulatorns styrsignal. Regulatorn har fyra utsignaler: U_LDO, Measure_U_LDO, Measure_temp_LDO och Measure_current_LDO. U_LDO är regulatorns utspänning. Measure_U_LDO är mätning på utspänningen. Measure_temp_LDO är en temperaturmätning på regulatorn och Measure_current_LDO är en strömmätning på regulatorns utström MCU:n Som MCU valdes en mikrokontroller från Atmel, ARM Cortex SAM4SD32 med en frekvenshastighet på maximalt 20MHz. MCU:n är indelad i fyra delar. Nedan beskrivs en av de fyra delarna. Resten av delarna kan läsas mer om i appendix B där hela kretsschemat finns med. MCU:n är vald för att den redan har två DAC:ar som kan sköta styrningen av regulatorerna och för att den har snabba ADC:er. En annan anledning till att den valdes är att det redan fanns kunskap om den på företaget.

34 Microcontroller, set and measure 20 3 Design U00-3 DAC_0 DAC_ AD4 AD3 AD5 AD4 AD6 AD7 AD0 AD AD8 AD3 ADC_PGMM0 PWM_PC3 PWM_PC2 PWM_PC Set_U_LDO Set_U_RAW Measure_current_OUT Measure_U_IN Measure_U_RAW Measure_U_LDO Measure_U_OUT Measure_Pre_U_OUT Measure_current_LDO Measure_temp_LDO Measure_Sense U_OUT_ON U_OUT_Measurement_Enable Pre_U_OUT_Measurement_Enable #ATSAM4SD32CA-AU Figur 3.5: Figuren visar de pinnar som är satta på MCU:n för styrning och mätning av reglersystemet. Set_U_LDO och SET_U_RAW är styrsignaler till regulatorerna. Alla signaler som börjar på Measure i namnet är en mätning som skickas till MCU:n. Det finns sammanlagt nio sådana mätningar. De tre sista signalerna sätter på och av spänningen till lasten och sätter på och av mätningar på utspänningen. MCU:n kan styra de båda regulatorerna och tar in mätningar från dessa. Den vet vad bör-värdet ska vara med hjälp av mjukvara, den mäter är-värde och den kan styra det som orsakar är-värdet. Hela MCU:n kan med hjälp av mjukvara användas som en regulator. 3.4 Mjukvara Eftersom allt ska styras med en MCU så är en del av examensarbetet att börja skriva mjukvaran till systemet. Mjukvaran skrevs i Atmel Studio och programmeringsspråket är C. De tre beståndsdelarna för mjukvaran är: initiering, USB och PSU. Initieringen startar upp systemet, exempelvis DAC:ar och ADC:er. Funktionen USB ska sköta kommunikationen mellan en persondator och MCU:n. PSU är tänkt att sköta regleringen av systemet, genom att ta in ADC-värden och skicka DAC-värden. Eftersom examensarbetets är hårdvaruinriktat har mycket mer arbete lagts på att få hårdvaran att fungera så allt inom mjukvaran har inte blivit färdigt. Den mjukvara som har hunnits med är i stora drag: Styra DAC:ar För att få styrningen till regulatorerna. Läsa in ADC-värden För att kunna göra en regulator av MCU:n. USB Skicka kommandon via USB och kunna styra regulatorerna via en persondator.

35 4 Verifiering All hårdvara ska verifieras så att designen fungerar som tänkt. Det ska också undersökas att kravspecifikationen är uppfylld. I appendix E visas de tester som ska göras för att verifiera designen. Några av dessa utförs inom exjobbets gränser. Dessa behandlas i detta kapitel och kapitlet avslutas med att gå igenom de modifikationer som behövde göras. 4. Testning Tre tester valdes inom examensarbetets gränser och dessa kallas: spänningssättning via USB, spänningstest och lasttest. 4.. Spänningssättning via USB Detta test handlar om att spänningssätta MCU:n via USB och är test nummer i appendix E. MCU:n vill ha en inspänning på 3.3V. Det får den från 3.3V:s regulator. Regulatorn vill ha en inspänning på 5V vilket den får från USB-sladden. Verifieringen för spänningssättning av MCU:n görs alltså genom att koppla in USB-sladden. Sedan mäts de pinnar på MCU:n som borde vara 3.3V med en multimeter Spänningstest Detta test handlar om att spänningssätta kortet och mäta utspänningar vilket är test nummer 2 i appendix E. Verifiering är till för att få en första koll på om den linjära och den switchade regulatorn fungerar. Verifieringen genomförs genom att skicka 2V eller 24V till kortet och sedan mäta DAC-värden och utspänningar från regulatorerna. 2

36 22 4 Verifiering 4..3 Lasttest Detta test handlar om att spänningssätta med last för att se vilka laster kortet klarar och är test nummer 2 och 3 i appendix E. Denna verifiering görs för att testa kortets lastbegränsningar. Mätuppställningen för detta test finns i figur PSU Varierbart effektmotstånd + Probar Strömprob Oscilloskop Figur 4.: Figuren visar mätuppställningen för lastverifieringen av PSU:n. PSU är den färdigmonterade strömförsörjningsmodulen. Oscilloskopet visar vad lasten är med hjälp av en strömprob och vanliga probar användes för att mäta spänningen på olika ställen, speciellt utspänningen från regulatorerna. 4.2 Modifikationer Några modifikationer behövde göras för att kortet skulle fungera och dessa tas nu upp Lysdiod och ERASE Denna modifiering innebar att koppla bort en lysdiod som var på en pinne som inte ska vara hög. Den röda lysdioden, D200 i figur 4.2, är kopplad till MCU:n till pinne 87 eller PB2 som visas i figur 4.3.

37 4.2 Modifikationer 23 USB, JTAG, LEDS J V LED_Red D200 R24 220R-P LED_RED J203 VBUS 2 D- 3 D+ ID 4 GND 5 SHIELD 6 MINI-USB-B VBUS 4 U202 VCC GND IO2 IO #PRTR5V0U2X V R26 26R7-P USB_DDM USB_DDP R28 26R7-P TMS 2 TMS VCC 3 4 TCK GND TCK 5 TDO 6 TD0 GND 7 8 TDI NC TDI 9 0 NRST GND NRST # T4LF LED_Yellow LED_Green LED_Blue LED_Orange D20 D202 D203 D204 R25 220R-P R27 220R-P R29 220R-P R R-P LED_YELLOW LED_GREEN LED_BLUE LED_ORANGE LED_White D205 R R-P LED_WHITE Figur 4.2: Detta är en figur på hur USB, JTAG och LEDS:en är kopplade. Den röda lysdioden D200 finns längst uppe till höger i figuren. Pinne PB2 har ett annat namn också som visas i databladet och det är ERASE. Denna pinnen används för att initiera Flash-minnet och kan också användas som en I/O-pinne. För att användas som en I/O-pinne behöver den sättas låg först. Om den sätts hög från början använder MCU:n den som ERASE. Eftersom 3.3V är kopplat direkt till pinnen så är den hög från början. Lösningen blev att koppla bort R24 i figur 4.2. Microcontroller JTAG, USB, LEDS U00-2 ADVREF #ATSAM4SD32CA-AU USB_DDM USB_DDP 75 PC7_LED_BLUE 8 PA3_LED_ORANGE PB2_LED_RED PC23_LED_WHITE PC24_YELLOW 92 PC25_LED_GREEN PB9 96 PB8 60 NRST 5 PB4_TWD PB6_TMS 79 PB7_TCK PB5_TWCK USB_DDM USB_DDP C206 4U7_25V_X7R LED_BLUE LED_ORANGE LED_RED LED_WHITE LED_YELLOW LED_GREEN 2 Y200 #CX3225SB2000D0FFJCC trt20 PTC 33R-P trt2 PTC 33R-P trt22 PTC 33R-P RT23 PTC 33R-P 3 4 t L mA u C207 00N_25V_X7R 8P_25V_X7R C208 C209 8P_25V_X7R +3.3V C205 00N_25V_X7R TDI TMS TCK TD0 +3.3V R22 47K_DNP P NRST F203 #uclamp3304a Figur 4.3: Detta är en figur på hur USB, JTAG och LEDS:en är kopplade till MCU:n. Pinne 87 eller PB2 är den som är kopplad till den röda LED:en.

38 24 4 Verifiering Den switchade regulatorns spänningsdelning DC switching regulator U_IN Measure_U_IN C05 0N_25V_X7R 5u C00 C0 I figur 4.400P_25V_X7R visas den switchade regulatorn. 00P_25V_X7R Där finns en spänningsdelning mellan motstånden R0, R07 och R08 som styr regulatorns utspänning. TP00 TP R00 k5-p R05 22R-P Testpoint R02 953k-P R06 30k-P C03 0U_35V_X5R BST Vin SW PVin RUN GND 8 SW PWM/SYNC U0 #LTC35 L00 3 SW2 BST2 PVout VC 7 FB PVcc SW C02 22U_35V_X5R R03 0k-P R08 R07 80k6-P 80k6-P C07 R0 meg-p C P_25V_X7R TP0 TP Testpoint R04 k5-p R09 22R-P U_RAW Measure_U_RAW C06 0N_25V_X7R _U_RAW 9 R3 35k7-P RT 5 GND 6 GND PGND 0 PGND PGND 20 Vcc PGND 2 C4 4U7_25V_X7R U_25V_X7R TP TP04 Testpoint Figur 4.4: Figuren visar en inzoomning på den switchade regulatorns L0 spänningsdelning. Motstånden R0, R07 och R08 bildar tillsammans en u spänningsdelning som styr utspänningen till regulatorn. Eftersom utspänningen från regulatorn kunde gå upp till 35V enligt mätningar så hade inte dessa värden satts rätt. Motståndsvärdena skulle sättas så att utspänningen högst kunde vara 27V. Det finns två anledningar till detta. Den ena är att spänningsdelningen beräknades utifrån fel R0-värde. Den andra anledningen är att DAC:en från MCU:n hade antagits gå mellan 0V till 3.3V. Denna går i själva verket från 0.6V till 2.7V. R8 k-p Den switchade regulatorns kondensatorer I figur 4.5 har kondensatorerna C00 och C0 värdet 00 pf. I databladet står det att de ska ha 00 nf. Lösningen är att byta ut kondensatorerna till kondensatorer som har värdet 00 nf. DC/DC switching regulator C00 00P_25V_X7R SW 8 5u L00 3 SW2 C0 00P_25V_X7R U_IN 6 3 C05 0N_25V_X7R TP00 TP R05 22R-P Testpoint R00 R0 k5-p 7 PVin U0 #LTC35 VC 7 meg-p Figur 4.5: Figuren Measure_U_IN visar en detaljbild på den switchade regulatorn. Konden- R02 C03 953k-P 0U_35V_X5R C04 satorerna C00 och C0 har här värdena 00 pf. R06 30k-P BST Vin RUN GND SW PWM/SYNC SW2 BST2 PVout FB PVcc C02 22U_35V_X5R R03 0k-P 3300P_25V_X7R R08 R07 80k6-P 80k6-P C07 TP0 TP Testpoint R04 k5-p R09 22R-P U_RAW Measure_U_RAW C06 0N_25V_X7R 9 RT Vcc 2 U_25V_X7R R3 35k7-P GND GND PGND PGND PGND PGND TP04 TP Testpoint L0 u Set_U_RAW C4 4U7_25V_X7R R8 k-p

39 5 Diskussion I detta kapitel diskuteras några tankegångar som förts från start till slutdesign. Den största skillnaden som ska göras är att en modul ska lyftas ut och bilda ett eget kretskort, en egen byggsten. För att få en bild av hur en styrbar strömförsörjning kan byggas analyserades det nuvarande systemets PSU-del. Kapitlet visar också hur den nya designen blev och hur styrningen av regulatorerna valdes. 5. Befintlig design Den största skillnaden mellan den befintliga designen och hur det nya testsystemet är tänkt är att det nya ska ha självständiga moduler. Det befintliga testsystemet är en allt-i-ett-lösning så först behöver den styrbara strömförsörjningen identifieras i kretsschemat. Det nuvarande systemets power supply ser ut som i figur 5.. En notering för den nuvarande lösningen är att den är byggd med bara diskreta komponenter. Det finns alltså inga IC-kretsar med som dellösning för strömförsörjningen. 25

40 26 5 Diskussion PWM-controller Kompenserat satt värde Effektutgång, transistorer och kylfläns Stömmätning och aktivt LP Spänning ut Aktivt LP + Integrator och förstärkning av felet Spänningsfelet Inspänning + Bör-värde Bör-värde + - Är-värde + Instrumentförstärkare Sense Max positiv ström Förstärkning, likriktare, bara positiva värden Bör-värde Är-värde Förstärkning, likriktare, bara positiva värden + + Är-värde Max negativ ström Bör-värde - Kursivt: In- och utsignaler Grått: funktion på signalen Figur 5.: Detta är en beskrivning utifrån kretsschema för det nuvarande testsystemets lösning. En notering är att strömförsörjningsdesignen är byggd med dikreta komponenter. 5.. Fördelar och nackdelar Fördelen med designen av strömförsörjningen är att den är väl testad och därmed väl fungerande. Det är också en lösning som har allt i ett, vilket minskar kablage då olika tester ska genomföras. Det som talar mest mot att bara kopiera den nuvarande lösningen för strömförsörjningsdesignen är att det nya testsystemet har andra förutsättningar. Framförallt ska det redan finnas en egen MCU på denna modul vilket är värt att undersöka möjligheterna för. 5.2 Ny design Till slut valdes att bygga om designen med inspiration från det nuvarande systemet. Bland annat är instrumentförstärkaren och strömmätaren likadan i den nya designen. Och så är principen densamma att kunna ställa ett bör-värde och systemet reglerar så att är-värdet blir bör-värdet. I figur 5.2 finns grundtanken för den nya designen.

41 5.2 Ny design 27 Spänningsmätning U_IN IN 2/24V Grov spänningsreglering Mikrokontroller U_raw Spänningsmätning U_raw Styr U_raw U_raw_set U_out_set I_set U_IN U_raw U_out U_real I_mon I_real Fin spänningsreglering Styr U_out Spänningsmätning U_out Strömmätning I_real Strömmätning I_mon Spänningsmätning U_real Mikrokontrollern ska: styra utspänningen styra utströmmen läsa av spänningsmätningarna läsa av strömmätningarna U_out Figur 5.2: Detta är principen för den nya designen. Först sker en grov spänningsreglering med en switchad regulator och sedan en finare spänningsreglering men en linjär regulator. Mikrokontrollern är den som tar in mätningar och styr regulatorerna. Namnen på I/O-pinnarna är namnen på signalerna i kretsschemat och namnen på på signalerna i mjukvaran Styrning av regulatorerna De båda regulatorernas utspänning styrs via var sitt motstånd. För att förändra spänningen ut finns det några olika sätt att välja mellan beroende på vilken regulator. Den switchade har en spänningsdelning på feedback-pinnen så ett av motstånden kan styra vilken spänning som kommer ut från regulatorn. Tre val undersöktes här för styrningen: Digitalt motstånd Det finns reglerbara motstånd som kan styras av en MCU och på så sätt ändra spänningsnivån. PWM-styrning Genom att ändra spänningsnivån på och av i hög hastighet fås ett medelvärde beroende av hur länge spänningen är på. Detta sätt kallas pulsbreddsmodulering, PWM.

42 28 5 Diskussion DAC styrning Skickar en analog spänning till styrsignalen. Ett digitalt motstånd är en lösning. Det som utesluter den är kostnaden. Eftersom den MCU som valdes har både DAC och PWM inbyggt blir det billigare att använda något av dem. Eftersom det enklare alternativet av de två är DAC så valdes DAC för att styra den switchade regulatorn. Detta styrsätt förklaras i figur 5.3. Vout Vout Rtop Rtop FB V FB V Rbot Rpar Rbot DAC Enligt datablad: Vout=FB(+Rtop/Rbot) Efter lite uträkningar: Vout=FB+(Rtop/Rbot)+(Rtop/Rpar)-(DAC*Rtop/Rpar) Figur 5.3: Den vänstra spänningsdelningen är den som många switchade regulatorer har för att programmera utspänningen. Är det ena motståndet ett konstant värde kan utspänningen varieras beroende av bara det andra motståndsvärdet. Den högra bilden visar hur det är tänkt att variera utspänningen från en MCU. Spänningsnivån i DAC:en förändrar spänningsfallet över Rpar vilken i sin tur påverkar utspänningen. Den linjära regulatorn har inte ett likadant styrsätt. Internt har den en strömkälla som sänder ut samma ström och motståndet på den pinnen sätter sedan spänningen. Detta syns i figur 5.4.

43 5.2 Ny design 29 Strömkälla Iset Uout Uset=Iset*Rset Rset Figur 5.4: Styrning för den linjära regulatorn. Två alternativ finns för denna styrning: Digitalt motstånd Strömspegelkoppling och DAC Eftersom strömspegeln är billigare används en strömkälla i form av en strömspegelkoppling i kretsschemat för den linjära regulatorn.

44

45 6 Resultat Det nuvarande systemet är uppbyggt med bara diskreta komponenter och är en del av en allt-i-ett-lösning. I kapitel 5. finns beskrivning och funktion för det nuvarande testsystemet. Det finns tre huvudkrav för designen i 3.. Hela kravspecifikationen finns i appendix A. Några anledningar till att designen gjordes om är att MCU:n ska finnas med i modulen vilket förändrar förutsättningarna för designen. I 5.. beskrivs fördelar och nackdelar med det nuvarande systemet. Hela designen behöver verifieras klart enligt appendix E. Något annat som behöver vidareutvecklas för att få systemet användbart är mjukvaran. Det är också där den sista regleringen ska programmeras. Vilken regulator som mjukvaran ska ha och hur den formuleras matematiskt kan bli ett omfattande arbete. 3

46

47 Appendix

48

49 A Kravspecifikationer I tabell A. finns strömförsörjningsmodulens krav och i tabell A.2 finns de krav som ställs på alla moduler i testsystemet. Nr Krav Kommentar Inspänning på 2 V eller 24 V 2 Utspänning mellan 0 V och 24 V 3 Utvärdet på spänningen ska vara inställbart 4 Ska mäta inspänningar på inkommande 2 V eller 24 V 5 Upplösningen på utspänningen ska vara 0. V 6 Utspänningens rippel ska var mindre än 50 mv vid konstant last 7 Utspänningens stig- och falltid ska < 0 ms 8 Positiva utströmmen ska vara inställbar mellan 0 A och A 9 Negativa utströmmen ska vara inställbar mellan - A och 0 A 0 Upplösningen på båda utströmmarna ska vara < 0 ma Ska kunna mäta utspänningen 2 Ska kunna mäta utströmmarna 3 Sense-förmågan ska finnas 4 Ska inte läcka någon ström i avstängt läge Får vara under 00 mv då strömmen ändras mycket exempelvis från 0 till A Tabell A.: Tabellen visar strömförsörjningsmodulens krav. 35

50 36 A Kravspecifikationer Nr Krav Kommentar USB-anslutning mellan mikrokontroller och PC 2 Virtuell COM-port, CDC-profil CDC=Communication Device Class i mjukvara 3 Kommunikation med COMmodul som ligger på PC:n 4 5 V till mikrokontroller från USB-hub 5 Ska innehålla minne som inte försvinner vid en uppdatering av firmware 6 Kortet ska ha en adressering som håller isär olika kort av samma typ 7 Kortslutningssäkra in- och utgångar från modulen 8 2 V och 24 V spänningsmatning för testsystemspänning där Inte intresserad av exakt vilken COMport korten sitter på utan använder adressen som kortet ställts in på Minnet innehåller information om typ av kort och tillverkningsdata Systemet ska kunna köras med båda spänningarna separat eller samtidigt 5 V inte räcker 9 Innehålla bootloader Möjliggör uppdatering av firmware via USB-anslutning 0 Skruvhål för fastsättning Användargränssnitt som har en flik för varje kort och en flik där man kan se vilka USB-portar som finns 2 Statusdioder på varje kort En för USB-matning, en som blinkar vid kommunikation, en som visar om kortet får felaktiga kommandon eller annat felläge 3 Stöd för självtest i hårdvara och firmware Tabell A.2: Tabellen visar vilka krav som alla moduler i det nya testsystemet ska uppfylla.

51 B Kretsschema Detta appendix visar hela kretsschemat. Figur B. - B.7 visar de delar som sätter in- och utspänning. Figur B.8 - B.9 visar de delar som styr JTAG, USB och LED:arna. Figur B.0 - B.3 visar externa signaler och stiftlister. Figur B.4 - B.5 visarmicrocontroller, intern spänningsreglering förset MCU. and measure U00-3 DAC_0 DAC_ AD4 AD3 AD5 AD4 AD6 AD7 AD0 AD AD8 AD3 ADC_PGMM0 PWM_PC3 PWM_PC2 PWM_PC Set_U_LDO Set_U_RAW Measure_current_OUT Measure_U_IN Measure_U_RAW Measure_U_LDO Measure_U_OUT Measure_Pre_U_OUT Measure_current_LDO Measure_temp_LDO Measure_Sense U_OUT_ON U_OUT_Measurement_Enable Pre_U_OUT_Measurement_Enable #ATSAM4SD32CA-AU Figur B.: Figuren visar de pinnar som är satta på MCU:n för styrning och mätning av reglersystemet. Set_U_LDO och SET_U_RAW är styrsignaler till regulatorerna. Alla signaler som börjar på Measure i namnet är en mätning som skickas till MCU:n. Det finns sammanlagt nio sådana mätningar. De tre sista signalerna sätter på och av spänningen till lasten och sätter på och av mätningar på utspänningen. 37

52 38 B Kretsschema DC/DC switching regulator SW L SW2 C00 00P_25V_X7R 5u C0 00P_25V_X7R TP00 6 BST SW SW2 BST2 5 U_IN Measure_U_IN C05 0N_25V_X7R TP Testpoint TP0 TP R00 k5-p R05 22R-P R02 953k-P 3 Vin 7 PVin C03 0U_35V_X5R 2 RUN U0 #LTC35 4 PVout VC 7 8 FB C02 22U_35V_X5R R0 meg-p R03 C04 0k-P 3300P_25V_X7R Testpoint R04 k5-p U_RAW Measure_U_RAW R06 30k-P 2 9 GND PWM/SYNC PVcc 4 R08 R07 80k6-P 80k6-P C07 R09 22R-P C06 0N_25V_X7R 9 RT Vcc 2 U_25V_X7R R3 35k7-P GND GND PGND PGND PGND PGND TP04 TP Testpoint L0 u Set_U_RAW C4 4U7_25V_X7R R8 k-p Figur B.2: Figuren visar den switchade regulatorns kopplingar. Regulatorn har två insignaler och det är U_IN och Set_U_RAW. U_IN är regulatorns inspänning och Set_U_RAW är styrsignalen från MCU:n. Regulatorn har tre utsignaler: U_RAW, Measure_U_RAW och Measure_U_IN. U_RAW är regulatorn utspänning, Measure_U_RAW är mätning på utspänningen och Measure U_IN är mätning på inspänningen. Alla mätningar går till MCU:n för att den ska kunna sköta regleringen.

53 39 LDO, DC/DC linear regulator TP TP02 Testpoint Measure_current_LDO Measure_temp_LDO C09 0N_25V_X7R Set_U_LDO R6 R0 R U_RAW k-p k-p C0 0N_25V_X7R C2 0U_35V_X5R k-p L02 u U02 3 Imon Ilim 5 Temp 6 IN TP TP05 Testpoint R7 U_25V_X7R C5 #LT308ER OUT OUT SET 47k5-P NC 7 22U_35V_X5R C08 2 C D2 #BCV6 S2 3 k5-p R2 909k-P 00P_25V_X7R R4 22R-P U03 R5 4 D S TP TP03 Testpoint U_LDO Measure_U_LDO C3 0N_25V_X7R Figur B.3: Figuren visar den linjära regulatorns kopplingar. Regulatorn har två insignaler: U_RAW och Set_U_LDO. U_RAW är regulatorns inspänning och Set_U_LDO är regulatorns styrsignal. Regulatorn har fyra utsignaler: U_LDO, Measure_U_LDO, Measure_temp_LDO och Measure_current_LDO. U_LDO är regulatorns utspänning. Measure_U_LDO är mätning på utspänningen. Measure_temp_LDO är en temperaturmätning på regulatorn och Measure_current_LDO är en strömmätning på regulatorns utström. Current measurement TP06 Testpoint TP U_LDO R9 0R02-P Pre_U_OUT Measure_current_OUT 0N_25V_X7R C8 R22 00-P R32 4k99-P U05 +IN NC Vout NC #LT605CMS8 -IN 2 V+ 4 V- NC 3 R23 00-P U_LDO Figur B.4: Figuren visar strömmätaren. Denna mäter spänningen över ett lågohmigt motstånd och kan på så sätt räkna ut strömmen.

54 40 B Kretsschema Measures and doesn't affect current Pre_U_OUT U_OUT U_LDO R20 0k-P M00 #BSS84 U_LDO R2 0k-P M0 #BSS84 R25 k-p Pre_U_OUT_Measurement_Enable R3 2k2-P R37 0k-P R26 k5-p Q00 #BC847 R33 22R-P TP07 Testpoint TP Measure_Pre_U_OUT C6 0N_25V_X7R U_OUT_Measurement_Enable 2k2-P R27 k-p R28 k5-p R30 Q0 #BC847 R36 0k-P R34 22R-P TP08 Testpoint TP Measure_U_OUT C7 0N_25V_X7R Figur B.5: Figuren visar två spänningsmätningar som använder strömspeglar för att inte påverka strömmen och ändå kunna mäta spänningen. Instrumentional amplifier R39 meg-0p Sense- Sense+ U07 RG 2 -IN 3 +IN 4 -Vs #LT920CS8 OUTPUT RG 8 +Vs REF R4 k5-p TP TP0 Testpoint U_RAW Measure_Sense R43 22R-P C9 0N_25V_X7R Figur B.6: Figuren visar instrumentförstärkaren. ON/OFF switch Pre_U_OUT U04 #FDS44 U_LDO R24 0k-P R29 k-p PWR_T U06 #FDS44 U_OUT_On R35 2k2-P R38 0k-P Q02 #BC847 TP09 Testpoint TP U_OUT Figur B.7: Figuren visar på- och avknappen som styrs från mikrokontrollern.

55 4 Microcontroller JTAG, USB, LEDS U00-2 ADVREF #ATSAM4SD32CA-AU USB_DDM USB_DDP 75 PC7_LED_BLUE 8 PA3_LED_ORANGE PB2_LED_RED PC23_LED_WHITE PC24_YELLOW 92 PC25_LED_GREEN 94 PB9 PB NRST 5 PB4_TWD PB6_TMS 79 PB7_TCK PB5_TWCK USB_DDM USB_DDP LED_BLUE LED_ORANGE LED_RED LED_WHITE LED_YELLOW LED_GREEN C206 4U7_25V_X7R 2 Y200 #CX3225SB2000D0FFJCC trt20 PTC 33R-P trt2 PTC 33R-P trt22 PTC 33R-P RT23 PTC 33R-P 3 4 t 400mA L200 u C207 00N_25V_X7R 8P_25V_X7R C208 C209 8P_25V_X7R +3.3V C205 00N_25V_X7R TDI TMS TCK TD0 +3.3V R22 47K_DNP P NRST F203 #uclamp3304a Figur B.8: Figuren visar de pinnar som är satta på mikrokontrollern för de funktioner som systemet ska hantera. USB, JTAG, LEDS J V LED_Red D200 R24 220R-P LED_RED J203 VBUS 2 D- 3 D+ ID 4 GND 5 SHIELD 6 MINI-USB-B VBUS 4 U202 VCC GND IO2 IO #PRTR5V0U2X V R26 26R7-P USB_DDM USB_DDP R28 26R7-P TMS 2 TMS VCC 3 4 TCK GND TCK 5 TDO 6 TD0 GND 7 8 TDI NC TDI 9 0 NRST GND NRST # T4LF LED_Yellow LED_Green LED_Blue LED_Orange D20 D202 D203 D204 R25 220R-P R27 220R-P R29 220R-P R R-P LED_YELLOW LED_GREEN LED_BLUE LED_ORANGE LED_White D205 R R-P LED_WHITE Figur B.9: Figuren visar kopplingarna för USB, JTAG och LED:arna.

56 42 B Kretsschema Microcontroller external signals U00-4 AD2 AD AD9 AD0 AD2 PC6 PC4 PC PA3 PC0 PA29 PC9 PA28 PC8 PA27 PC4, ADR PC5, ADR 2 PC6, ADR 3 PC7, ADR 4 #ATSAM4SD32CA-AU AD0_external AD_external AD2_external AD3_external AD4_external Pin Pin2 Pin3 Pin4 Pin5 Pin6 Pin7 Pin8 Pin9 Pin0 ADR ADR2 ADR3 ADR4 Figur B.0: Figuren visar de pinnar som är satta på mikrokontrollern för externa signaler. AD external J200 #M AD0 R200 k5-p AD0_external AD R20 k5-p AD_external AD0 AD 2 AD0 AD R203 22R-P C200 0N_25V_X7R R202 22R-P C20 0N_25V_X7R AD2 AD3 AD AD2 AD3 AD4 AD2 R204 k5-p R206 22R-P AD2_external C202 0N_25V_X7R AD3 R205 k5-p R207 22R-P AD3_external C203 0N_25V_X7R GND 6 Address ADR ADR2 ADR3 ADR4 R20 R2 R22 R23 22K-P 22K-P 22K-P 22K-P U #BPA04SB AD4 R208 k5-p R209 22R-P AD4_external C204 0N_25V_X7R Figur B.: Figuren visar adresskontakten och stiftlist för AD-mätningar.

57 t t t t t 43 External signals J20 PIN connector Pin RT200 PTC 33R-P t Pin Pin 2 2 PTC 33R-P RT20 Pin2 Pin3 RT202 PTC 33R-P t 3 Pin 3 Pin 4 4 PTC 33R-P RT203 Pin4 Pin5 RT204 PTC 33R-P t 5 Pin 5 Pin 6 6 PTC 33R-P RT205 Pin6 Pin7 RT206 PTC 33R-P t 7 Pin 7 Pin 8 8 PTC 33R-P RT207 Pin8 Pin9 RT208 PTC 33R-P t 9 Pin 9 Pin 0 0 PTC 33R-P RT209 Pin0 GND GND 2 F200 #uclamp3304a F20 #uclamp3304a F202 #uclamp3304a Figur B.2: Figuren visar stiftlist och skydd för externa signaler. IN/OUT connectors J00 U_IN Sense+ J0 2 4 Sense- IN+ SENSE+ SENSE- R R42 IN- 0k-P OUT+ OUT- 0k-P #MOLEX2RA #MOLEX4RA U_OUT Figur B.3: Figuren visar kontakterna för in- och utgång på spänning.

58 44 B Kretsschema U00-3 DAC_0 DAC_ AD4 AD3 AD5 AD4 AD6 AD7 AD0 AD AD8 AD3 ADC_PGMM0 PWM_PC3 PWM_PC2 PWM_PC #ATSAM4SD32CA-AU V C20 C23 +.2V C27 C29 C222 C226 C227 4U7_25V_X7R 2U2_25V_X5R 00N_25V_X7R 00N_25V_X7R 00N_25V_X7R 00N_25V_X7R 00N_25V_X7R C2 4U7_25V_X7R C V 00N_25V_X7R C223 00N_25V_X7R C V 470N_25V_X7R C22 00N_25V_X7R C24 00N_25V_X7R C25 00N_25V_X7R C22 00N_25V_X7R C225 00N_25V_X7R +.2V +.2V Figur B.4: Figuren visar de pinnar som är satta på mikrokontrollern för spänningskontroll. Voltage regulator 3.3V VBUS C26 0U_6V_X5R 3 U203 VIN VOUT VOUT GND LM V C220 0U_6V_X5R Figur B.5: Figuren visar 3.3V-regulatorn.