Беспроводной измеритель на основе маломощного ПНЧ для проверки индуктивных источников питания

Питание портативных телеметрических систем для долгосрочного мониторинга требует решения интересных инженерных задач. Батареи не подходят для некоторых критически важных приложений, и в таких случаях для передачи как энергии, так и данных разработчики обычно используют беспроводные индуктивные линии связи. Индуктивная связь реализуется с помощью радиочастотного передатчика, управляющего фиксированной первичной катушкой, и слабосвязанной вторичной катушки, которая подает питание на переносное устройство. Для инженеров-разработчиков измерение передаваемой мощности имеет большое значение, поскольку мощность накладывает ограничения на количество схем, которые можно включить в портативные системы. К сожалению, классическое испытательное оборудование плохо подходит для решения этой задачи. Стандартные пробники напряжения улавливают шумы, наводимые первичной обмоткой, а в некоторых случаях портативные схемы заключены в небольшие герметичные корпуса, исключающие подключение кабеля или пробника.

Схема на Рисунке 1 снижает влияние шумов, поскольку ее ПНЧ (преобразователь напряжение-частота) формирует выходной сигнал фазоимпульсной модуляции (ФИМ) V_OUT, который интегрирует, или усредняет, шумы. Кроме того, в конструкции используется «модуляция нагрузки», позволяющая отказаться от проводных соединений. Когда сигнал ФИМ подается на MOSFET коммутатор Q₁, он подключает параллельно вторичной обмотке L_S дополнительную нагрузочную цепь, состоящую из диода D₁ и последовательной комбинации R_SF и R_SV. Приемник модуляции нагрузки подключается к первичной катушке и восстанавливает сигнал ФИМ. При использовании компонентов поверхностного монтажа схему ПНЧ можно собрать на плате площадью всего 238 мм².

Рисунок 1.	Маломощный ПНЧ и модулятор нагрузки измеряют мощность, генерируемую источником питания беспроводной телеметрии.

Для понимания работы схемы предположим, что синусоидальное магнитное поле частотой 125 кГц индуцирует во вторичной катушке L_S напряжение примерно от 4 до 16 В. Для повышения эффективности передачи мощности элементы L_S и C_S образуют колебательный контур, настроенный на частоту 125 кГц и имеющий нагруженную добротность Q_L, равную приблизительно 8. Диод Шоттки D₂ выпрямляет наведенное в L_S напряжение, а конденсатор C₁ обеспечивает фильтрацию нижних частот. Результирующее постоянное напряжение V_X питает LDO регулятор IC₁, который подает постоянное напряжение 3 В на ПНЧ IC₂ и резисторы нагрузки R_LF и R_LV. Подстроечный потенциометр R_LV регулирует выходной ток в диапазоне от 2.5 до 13.5 мА.

Суммарный ток, потребляемый LDO регулятором и ПНЧ, составляет несколько десятков микроампер и ничтожно мал по сравнению с выходным током. Следовательно, ток I_IN приблизительно равен I_L. Выходную мощность постоянного тока, которую вырабатывает индуктивный источник питания, выражает формула (1):

(1)

Эта формула показывает, что выходной ток постоянен и, следовательно, выходная мощность постоянного тока P_X пропорциональна постоянному напряжению V_X. После установки известного начального значения выходного тока с помощью подстроечного потенциометра R_LV можно проверить выходную мощность индуктивного источника питания, измерив передаваемое постоянное напряжение, которое оцифровывает ПНЧ. Для минимизации потребляемой мощности, количества компонентов и площади печатной платы классический интегратор на операционном усилителе – типичный входной каскад ПНЧ – заменен простой пассивной интегрирующей цепочкой, состоящей из элементов R_C, R_D и C₅.

ПНЧ генерирует пилообразное напряжение постоянной амплитуды, крутизна нарастания которого пропорциональна напряжению V_C на интегрирующем конденсаторе C₅. Когда напряжение на конденсаторе достигает верхнего порога, коммутатор Q₂ быстро разряжает конденсатор до уровня нижнего порога. В результате образуется автоколебательная схема, частота колебаний которой пропорциональна входному напряжению V_X. Цепь положительной обратной связи R₁, R₂ и C₃ неинвертирующего триггера Шмитта на компараторе IC₂ и делитель напряжения питания R₃, R₄ и C₄ определяют напряжения верхнего и нижнего порогов, которые вычисляют по формулам (2) и (3), соответственно:

(2)

(3)

Формула (3) показывает, что для сброса интегрируемого напряжения почти до 0 В сопротивление резистора R₁ должно быть немного меньше, чем сопротивление R₂. Используя резисторы с сопротивлениями из стандартного ряда E12, и учитывая ограничения по рассеиваемой мощности, выбираем значение 8.2 МОм для R₁ и 10 МОм для R₂. Подстановка этих значений в формулы (2) и (3) дает, соответственно:

(4)

Чтобы понять принцип работы ПНЧ, предположим, что в начальный момент конденсатор C₅ полностью разряжен. Следовательно, уровень напряжения V_OUT на выходе компаратора IC₂ низкий, и MOSFET коммутаторы Q₁ и Q₂ выключены. В этих условиях ток, идущий через резисторы R_C и R_D, начинает заряжать конденсатор C₅ с постоянной времени τ_C = (R_C + R_D) × C₅, и напряжение на нем стремится к уровню V_X. Когда в момент времени t_X напряжение на конденсаторе C₅ достигает верхнего порога триггера Шмитта, выходное напряжение компаратора V_OUT повышается до V_DD и включает MOSFET коммутаторы Q₁ и Q₂. Коммутатор Q₂ разряжает конденсатор C₅ через резистор R_D с постоянной времени τ_D ≈ R_D × C₅. Одновременно Q₁ формирует импульс модуляции нагрузки.

При V_C = V_TL выходное напряжение компаратора падает до нуля, восстанавливается исходное состояние, и последовательность действий повторяется. Как показывает осциллограмма 1 на Рисунке 2, схема ведет себя как автоколебательный генератор, в котором напряжение на конденсаторе C₅ нарастает и спадает между пороговыми напряжениями триггера Шмитта. Учитывая, что постоянная времени разряда τ_D значительно меньше постоянной времени заряда τ_C, время разряда t_ON намного меньше времени интегрирования t_X. Как показывает осциллограмма 2 на Рисунке 2, на выходе компаратора формируется сигнал ФИМ с относительно короткими импульсами длительностью около 320 мкс.

Рисунок 2.	Осциллограммы показывают напряжение на конденсаторе C5 (вверху) и выходное напряжение VOUT компаратора IC2 (внизу) при номинальном входном напряжении 12 В.

Интервалы времени t_X и t_ON рассчитываются по формулам (5) и (6), соответственно:

(5)

(6)

Эти формулы полезны для проектирования ПНЧ на Рисунке 1, но дают мало информации об общей передаточной функции схемы. Для упрощения расчетов можно использовать следующие приближения. Поскольку t_X >> t_ON, выходная частота ФИМ f_X ≈ 1/t_X. При нормальной работе напряжение V_X достигает относительно высоких значений по сравнению с пороговыми напряжениями триггера Шмитта, поэтому характеристику заряда конденсатора C₅ можно линеаризовать, представив ее прямой с постоянным наклоном:

(7)

Согласно формуле (4), напряжения верхнего и нижнего порогов триггера Шмитта составляют, соответственно, V_TH ≈ V_DD и V_TL ≈ 0 В. При использовании этих приближений выражение для выходной частоты ФИМ упрощается до:

(8)

Формула (8) показывает, что схема на Рисунке 1 реализует преобразование напряжения в частоту, что экспериментально подтверждается Рисунком 3. Потребляемая ПНЧ мощность невелика; например, при постоянном напряжении 12 В потребляемый ПНЧ ток составляет около 36 мкА.

Рисунок 3.	Измеренная передаточная функция ПНЧ демонстрирует превосходную линейность в широком диапазоне наведенных в катушку входных напряжений.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments LMC7211
2. Datasheet Fairchild FDV301N
3. Datasheet Diodes BAT54A