Questi dispositivi raggiungono un nuovo livello di integrazione in quanto, alle possibilità di applicazioni di segnale già offerte dai dispositivi PSoC, aggiungono anche le nuove sezioni di potenza e la possibilità di lavorare con alimentazione esterna da 7 a 36 V
Scopo del presente articolo è esaminare in dettaglio la nuova famiglia di System on Chip Cypress espressamente destinata ad applicazioni di potenza.
Il primo di questi componenti è CY8CLED04D0X che al suo interno integra un dispositivo PSoC della famiglia CY8C24xxx, quattro regolatori di corrente isteretici, quattro Mosfet da 1 A, quattro amplificatori differenziali per misure di corrente, quattro driver per Mosfet esterni (se quelli interni non fossero sufficienti), quattro unità PWM/SSDM a 16 bit, comparatori e DAC per monitorare e testare i segnali lungo gli anelli di corrente e un regolatore switching che permette, usando come ingresso una tensione tra 7 e 36 V, di generare la tensione di 5 V che alimenta la logica interna ed eventuali dispositivi esterni con un consumo massimo di 250 mA.
Fig. 1 – Schema a blocchi di un dispositivo PowerPSoC
Facendo riferimento allo schema a blocchi di figura 1 si possono esaminare le tre macroaree in cui è suddiviso il componente.
PSoC: il dispositivo contenuto nel CY8CLED04D0X è in pratica un CY8C24x94 con l’aggiunta di quattro blocchi digitali configurabili (che portano il totale a otto) ma senza interfaccia USB. Questo PSoC permette di gestire un’applicazione in maniera completamente indipendente dalla parte di potenza, inserire protocolli di comunicazione anche avanzati come ad es. DALI, DMX e RDM (i primi due forniti da Cypress) nel caso di applicazioni lighting, creare interfacce uomo macchina di tipo capacitivo grazie alla tecnologia Capsense di Cypress e leggere e condizionare segnali analogici grazie ai blocchi configurabili di cui è dotato.
Sezione di potenza: il cuore della sezione di potenza sono i quattro regolatori isteretici con controllo completamente digitale. All’interno di ogni regolatore vi sono due DAC dedicati nei quali PSoC scrive i valori che rappresentano le due soglie, inferiore e superiore, del ripple della corrente da controllare.
La massima frequenza di commutazione dei dispositivi è di 2 MHz, grazie a ciò la dimensione degli induttori associati a ogni canale risulta molto contenuta.
In figura 2 è raffigurato uno schema di massima dell’anello analogico e principio di funzionamento del regolatore isteretico.
Fig. 2 – Schema dell’anello analogico e principio di funzionamento del regolatore isteretico
Per ogni regolatore il segnale di feedback viene fornito da un Current Sense Amplifier (CSA) differenziale che legge la tensione generata dalla corrente che attraversa una resistenza di sensing.
L’amplificatore differenziale effettua la lettura high side della corrente e permette di svincolare lo shunt dalla massa della scheda migliorando la precisione del sistema.
Il segnale del CSA oltre a entrare nel regolatore può essere fornito a un terminale di uno dei sei comparatori diagnostici (100nS è la velocità) e confrontato con quello di un DAC (sempre gestito da PSoC) sull’altro terminale. Nel caso in cui la corrente superi la soglia la commutazione del comparatore la relativa uscita può essere usata per arrestare il controllore isteretico attraverso l’ingresso “trip”.
Ogni regolatore può pilotare il carico mediante un mosfet interno, i cui valori massimi in uscita sono rispettivamente di 1 A per la corrente e 36 V per la tensione, oppure usando un Mosfet esterno, pilotato da un’uscita digitale dedicata, qualora corrente o tensione eccedano i valori specificati.
La modulazione della corrente su ogni regolatore viene gestita da uno dei quattro generatori PWM/SSDM (Spread Spectrum Density Modulator ) dedicati a 16bit controllati da PSoC.
È possibile sincronizzare tra loro più driver (e MOS) pilotandoli da uno stesso canale PWM/SSDM come pure sincronizzare le uscite di più Power PSoC con un unico segnale digitale.
Nella figura 3 è visibile lo spettro delle frequenze generate usando un normale PWM mentre nella figura 4 quello di un SSDM. Si può notare che il PWM genera un picco a 10 db sulla portante (6 kHz) e picchi intorno a 0db per le armoniche successive mentre nel caso di comando con SSDM il segnale è distribuito e la sua intensità non supera mai i livello di -55db. Questo è uno dei vantaggi offerti dalla tecnologia SSDM di Cypress. Per l’uso dell’SSDM si può fare riferimento alla nota applicativa AN47372.
Fig. 3 – Spettro delle frequenze generate usando un normale PWM
Fig. 4 – Spettro delle frequenze di un SSDM
Regolatore switching: quello integrato in Power PSoc è un regolatore da 250 mA. La sua tensione d’ingresso è nel range 7 – 36 V e la sua uscita a 5 V può alimentare sia l’elettronica interna che eventuali circuiti esterni.
Settori d’applicazione
L’applicazione principale di questo dispositivo è il controllo di sistemi d’illuminazione a LED. Con i vari componenti con cui Cypress prevede di ampliare la famiglia si possono gestire da uno a quattro canali indipendenti (quindi applicazioni a singolo colore o di color mixing da due a quattro colori). Il fatto che tutti i dispositivi abbiano lo stesso core PSoC e che vengano aggiunti gli stadi di potenza permette di realizzare un disegno modulare e ripetibile da uno a quattro canali. L’alto livello integrazione e la dimensione ridotta degli induttori richiesti permette di ottenere un progetto molto compatto che ben si adatta alle esigenze di progetto delle moderne sorgenti luminose. La presenza di un core integrato aggiunge la flessibilità di poter gestire interfacce di comando e bus di comunicazione oggi importanti in molte applicazioni.
Dal punto di vista della comunicazione, laddove la lampada faccia parte di un bus tipo DALI o DMX Cypress mette a disposizione le librerie per la loro gestione. PSoC integra altre opzioni di connettività come UART, SPI e I2C mentre con l’aggiunta di un componente esterno (sempre realizzato da Cypress) è possibile creare anche connessioni wireless a 2.4GHz o connessioni di tipo Power Line.
L’utilizzo di PSoC permette di gestire le interfacce uomo macchina per varie applicazioni come ad esempio lampade da tavolo o per cromoterapia. Con questo PSoC è anche possibile implementare le interfacce Capsense di Cypress e ottenere risultati di notevole effetto dal punto di vista del design.
Grazie alla sezione analogica di PSoC è consentito il collegamento di vari tipi di sensore come ad esempio quelli necessari a una stazione barometrica (umidità, temperatura, luminosità, pressione) creando un prodotto estremamente integrato.
Nella figura 5 viene proposto uno schema esemplificato di una lampada RGGB. Grazie alla possibilità di Power PSoC di lavorare direttamente alla una tensione di 36 V il progetto deve prevedere il solo alimentatore AC/DC e può gestire stringhe da uno a otto LED per canale.
Fig. 5 – schema esemplificativo di una lampada RGGB
In figura 6 è rappresentato un semplice schema di controllo per un motore che integra il sensore di Hall per la velocità della ventola e PTC o NTC per la temperatura. Questo schema permette la gestione intelligente del raffreddamento proporzionando la velocità e quindi l’energia usata alla necessità di raffreddamento effettiva.
Inoltre l’uso del controllo SSDM sui motori può ridurre notevolmente le emissioni di rumore sia elettrico che acustico.
Un ultimo interessante campo di applicazione è quello relativo ai sistemi di alimentazione, in considerazione del fatto che è possibile gestire configurazioni buck, boost, buck-boost e sepic. Ad esempio è possibile costruire sistemi in grado di caricare una batteria da una sorgente fotovoltaica.
Fig. 6 – Semplice schema di controllo per un motore che integra il sensore di hall per la velocità della ventola e PTC o NTC per la temperatura
Nella figura 7 è visibile la demo board di Cypress CY3268 in cui le dimensioni dell’area di PPSoC e induttanze sono 3,5 x 2,5 cm. È un design estremamente compatto che mostra la possibilità d’integrazione.
Fig. 7 – Demo board di Cypress CY3268
Tool di sviluppo
Ora uno sguardo al tool di sviluppo ideato per la gestione del sistema: si tratta del collaudato PSoC Designer 5.0 (PD 5.0) che viene utilizzato per lo sviluppo su tutti i dispositivi della famiglia PSoC1. In questo caso la pagina principale di progetto vede l’aggiunta dei diagrammi sinottici utili a gestire le periferiche di potenza.
La figura 8 mostra la schermata principale per il progetto dell’applicazione.
La finestra è divisa in varie aree che possono essere attivate o nascoste dal progettista.
1) Nell’angolo in alto a sinistra vi sono le “Global Resources” ovvero l’insieme delle risorse generali del dispositivo come: tensione d’alimentazione, frequenza di lavoro, divisori dei clock…
2) Nell’angolo in alto a destra vi è il “Workspace Explorer” che permette di tenere sotto controllo il progetto potendo vedere sia gli user modules (periferiche) installati sia i moduli sw del progetto.
3) Nella parte centrale a sinistra vi è la finestra “Properties” dove, selezionando uno user module, si possono vedere e modificare le sue proprietà.
4) Nell’angolo in basso a destra vi è la finestra “User Modules” (UM) nella quale troviamo la libreria degli user modules utilizzabili sul dispositivo scelto per il progetto.
5) Nell’angolo in basso a sinistra vi è la finestra “Pinout” dove sono riassunte e possono essere modificate le caratteristiche dei pin del dispositivo.
6) Nella parte centrale dello schermo nel diagramma sinottico è riassunta l’architettura hw del dispositivo. In quest’area che inizialmente presenta solo celle vuote (di colore bianco/grigio) il progettista posiziona gli user modules di cui ha bisogno per il disegno.
Quest’ultima area può essere a sua volta divisa in tre sotto aree:
a. La parte superiore contiene i blocchi per gestire le funzioni digitali come counter, timer, uart, SPI.
b. La parte inferiore a sinistra contiene i blocchi analogici che possono essere usati per ADC, DAC, filtri e altre funzioni complesse.
c. La parte inferiore a destra è quella per la potenza.
Nel diagramma della figura 8 in particolare si può osservare che sono stati posizionati due UM riconoscibili dai colori differenti.
Fig. 8 – Schermata principale di PSoC Designer
Quello in viola (3 blocchi digitali + 1 blocco analogico) è una unità Capsense per gestire una interfaccia di tipo capacitivo (bottoni o slider)
Quello in azzurro e il regolatore buck completo che comprende un CSA, un regolatore isteretico e un Mosfet.
Per l’impostazione dei parametri di funzionamento degli UM gli stessi devono essere selezionati con il tasto sinistro del mouse. Così facendo nella finestra “Properties” vengono elencati tutti i parametri che devono essere settati per il funzionamento della periferica.
Per quanto riguarda il regolatore buck esiste un ulteriore aiuto. Se nel “Workspace explorer” si seleziona il FLBUCK con il tasto destro appare un menu la cui ultima voce è “FLBUCK wizard”. Selezionando questa voce appare un wizard dove basta inserire alcuni dati per ottenere un dimensionamento del circuito di potenza e i valori di alcuni parametri che poi verranno trasferiti direttamente nella finestra delle proprietà alla chiusura del wizard.
Nella figura 9 viene proposta la foto del progetto con una delle pagine del wizard aperta dove si può vedere lo schema di principio della parte di potenza con i dimensionamenti dei componenti passivi.
Fig. 9 – Foto del progetto con una delle pagine del wizard aperta: si può osservare lo schema di principio della parte di potenza con i dimensionamenti dei componenti passivi
In definitiva il nuovo Power PSoC CY8CLED04D è il primo componente di una nuova famiglia il cui scopo è quello di ottimizzare, integrare e facilitare al massimo il disegno di prodotti legati ad applicazioni di potenza. Dalle applicazioni di lighting si può spaziare ad altri sistemi di potenza (ad es. caricabatterie, motori DC e stepper). Il tool di sviluppo è disegnato per facilitare al massimo il lavoro dei progettisti riducendo al minimo il tempo di apprendimento richiesto sia per l’uso di PSoC che per il disegno dell’applicazione di potenza.