Zasilanie mikrokontrolera

Autor: Dondu

Zasilanie mikrokontrolera to "temat rzeka". Wielu początkujących elektroników nie docenia tego tematu tracąc godziny, a nawet dni na dochodzeniu kiedy i dlaczego ich układy przestają pracować prawidłowo.

Szukają błędów w programach, przerabiają je, a okazuje się, że wystarczy jeden kondensator 100nF i problemy znikają.

Podstawy wiedzy o kondensatorach: Kondensator


Co powinieneś wiedzieć i czego być świadomy?

• mikrokontrolery mogą działać nieprawidłowo przy złym filtrowaniu zasilania
• powinny mieć dodatkowe filtry zasilania, nawet gdy pracują z baterii
• posiadają wiele wejść zasilających (w szczególności te większe mikrokontrolery)
• często mają rozdzielone zasilanie części cyfrowej od części analogowej mikrokontrolera.
• różne mikrokontrolery (nawet tego samego producenta) mogą mieć różne potrzeby dot. filtrowania zasilania

stasiu2323 [Atmega8][c] - zawieszanie procesora
Dołożyłem kondensator 100nF w pobliżu pinu VCC procesora ... procesor przestał się zawieszać.

Rys. ATmega8 - Napięcia zasilania

Napięcie zasilania
Każdy mikrokontroler ma dokładnie określony poziom napięć zasilających, przy których producent gwarantuje jego poprawną pracę. Czasami mikrokontroler o tym samym typie może być produkowany w 2 wersjach, w które różnią się dopuszczalnymi napięciami zasilania.

Z reguły z napięciami zasilania związane są także maksymalne zakresy częstotliwości taktowania mikrokontrolera.

Najczęściej popełniane błędy nowicjuszy?

• nie filtrują zasilania wcale lub tylko przy stabilizatorze napięcia
• umieszczają filtry zasilania daleko od mikrokontrolera
• nie podłączają wszystkich wejść zasilających "bo układ przecież działa"
• nie podłączają zasilania części analogowej "bo przecież jej nie używam"

Dobre praktyki zasilania mikrokontrolerów

• każdy pin zasilający Vcc(Vdd) powinien być zaopatrzony w kondensator 100nF do masy,  umiejscowiony jak najbliżej mikrokontrolera,
• stabilizator wraz z kondensatorami które znajdziesz w jego datasheet, powinien gwarantować stabilne zasilanie przy największym możliwym poborze mocy przez projektowany układ,
• podłączaj zasilanie części analogowej nawet wtedy, gdy jej nie używasz.

sevotharte Programowy PWM - silnik DC
Problem odnaleziony. Zabrakło kondensatora przy AREF do masy. Teraz silnik śmiga, aż miło. Więc przestroga - dbajmy o filtrację zasilania, ja o niej zapomniałem :-)

---

Mikrokontroler i inne układy scalone

Rys. Kondensatory to podstawa!

Nie oszczędzaj na kondensatorach !

Czytaj datasheet oraz wytyczne producenta mikrokontrolera dot. jego zasilania:

1. niektóre mikrokontrolery wymagają wielu kondensatorów filtrujących (z reguły 100nF) - patrz rysunek po prawej oraz poniżej.
2. dodatkowo warto także przewidzieć jeden lub więcej kondensatorów magazynujących energię - z reguły 10µF.

Odległość kondensatorów od mikrokontrolera
Kondensatory filtrujące powinny być umieszczone jak najbliżej nóżek zasilających.


Popatrzmy jakie zalecenia daje producent mikrokontrolerów STM firma STMicroelectronics w swojej nocie AN2586

Rys. Ogólna zasada dla rodziny STM32F10xxx

Rys. STM32F100xx

Czerwoną strzałką zaznaczyłem istotną informację:
Nx100nF + 1x10µF. Co to oznacza?

N - to liczba par pinów zasilających. Tym zapisem producent mikrokontrolera zapisał zasady, które opisałem czerwonym kolorem wyżej, czyli po jednym kondensatorze 100nF na każdą parę pinów zasilających oraz jeden kondensator magazynujący na każdą grupę pinów zasilania.

Na rysunku po prawej przykład tej zasady dla mikrokontrolerów rodziny STM32F100xx. Kolory odpowiadają zasadzie pokazanej na rysunku powyżej.

RS
Jestem po pierwszych próbach z kondensatorkami 100 nF ... i jestem pozytywnie zaskoczony ich działaniem.

Aby sprawdzić w skrajnych warunkach to rozwiązanie podłączyłem trzy styczniki równolegle, zasilanie na triaki jak i na transformator zasilający elektronikę podpiąłem z jednej fazy i jestem pod wrażeniem.

A jak to jest dla mikrokontrolerów AVR firmy Atmel?
Tak samo - zasady są identyczne. Szczegółowe przykłady znajdziesz w linkach na końcu tego artykułu.

Certino
Poczyniłem następujące zmiany:
... przy atmedze 3 x 100nF ceramiki na każdą parę VCC-GND.
Układ przestał się restartować, zaczął działać stabilnie.

Pozostałe układy scalone
Podobne zasady filtrowania zasilania dotyczą wszystkich innych układów scalonych. Ich prawidłowa praca także zależy od prawidłowego zasilania, więc tak samo jak mikrokontroler są narażone na zakłócenia i tak samo jak on je generują.

UWAGA!!!

Zawsze podłączaj wszystkie piny zasilające mikrokontrolera.

Podobnie w większości innych układów scalonych.

---

Regulatory napięcia

Poniżej przykład stabilizatora zasilania w oparciu o rodzinę 78xx (gdzie xx to napięcie na wyjściu):
L78xx Datasheet (PDF)

Rys. Schemat najpopularniejszej wersji stabilizatora rodziny 78xx

Kondensatory na rysunku to zwykle kondensatory ceramiczne.

Do wyżej pokazanych kondensatorów, powinieneś/możesz przewidzieć dodatkowo kondensatory elektrolityczne lub tantalowe, zarówno na wejściu jak i wyjściu. Ich wielkość jest niestety zależna od Twojego projektu, więc sam musisz je dobrać. Poniżej kilka zasad ich dobierania:

Kondensator na wejściu stabilizatora zwiększaj, gdy źródło napięcia:

• jest podłączone długim przewodem
• jest słabo wydajne, a Twój projekt pobiera znaczny prąd "skokami".

Kondensator na wyjściu stabilizatora zwiększaj, gdy Twój projekt:

• jest podłączony długim przewodem do stabilizatora,
• Twój projekt pobiera znaczny prąd "skokami",
• pracujesz na granicy maksymalnego prądu stabilizatora.

Kondensatory te powinny się mieścić mniej więcej w przedziale 10µF do 470µF.

W bardzo specyficznych i działających na granicy parametrów stabilizatora przypadkach, zastosuj do 1000µF.

Jednakże wtedy lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie mniejszego kondensatora typu Low ESR (mała impedancja).

Jeżeli nie masz kondensatora Low ESR, możesz użyć dwóch zwykłych połączonych równolegle, co spowoduje łączny spadek ESR, tak uzyskanego kondensatora.

Rys. Zamiast jednego dużego daj dwa mniejsze.

Dioda zabezpieczająca regulator napięcia
W przypadku niektórych regulatorów napięcia w sytuacji gdy na wyjściu regulatora podłączony jest duży kondensator magazynujący energię, producenci regulatorów zalecają stosowanie diody zabezpieczającej (D2 na schemacie poniżej).

Jej zadaniem jest rozładowanie kondensatora C1 na wyjściu regulatora, w przypadku zwarcia na jego wejściu. Chroni ona w ten sposób regulator napięcia przed uszkodzeniem, a producenci z tego powodu zalecają ją stosować z reguły od napięć dla regulatorów o napięciu wyjściowym większym od 7V. Nie ma więc potrzeby jest stosowania w przypadku regulatora 7805 (5V), ale...

... przypadku zasilania systemów cyfrowych, dioda ta powoduje także szybsze odcięcie zasilania mikrokontrolera, co w niektórych przypadkach może być istotne, ponieważ bardzo często mikrokontrolery mogą pracować na napięciach niższych niż pozostała część urządzenia, a co w czasie zanikania napięcia może powodować nieprawidłową pracę urządzenia.

Rys. Przykład prawidłowego stosowania regulatora napięcia

Na schemacie jest dodatkowo zamontowana dioda D1. Jej celem jest zabezpieczenie, przed odwrotnym podłączeniem do akumulatora. Warto ją zastosować w przypadku, gdy nie posiadasz złącz przewodu akumulatora, które uniemożliwiają nieprawidłowe podłączenie.

Odległość kondensatorów od stabilizatora
Istotnym jest, by wszystkie omówione wyżej kondensatory filtrujące pracę stabilizatora, były umiejscowione jak najbliżej jego pinów.

UWAGA!!
79xx to nie to samo, co rodzina 78xx 
79xx służą do stabilizacji napięć ujemnych np. -5V, -12V, itp


Obudowa może zmylić

Pomyłki się zdarzają nie tylko początkującym, choć zapewne im częściej:

PJimi
Faktycznie - stabilizator był zamontowany odwrotnie.

Zanim podłączysz zasilanie dokładnie sprawdzaj podłączenie regulatora napięcia, by nie mieć takich niespodzianek i strat :-)

Ale to nie jedyne miejsce możliwych problemów. Drugim niebezpieczeństwem jest budowanie układów "na pamięć" stosując różne regulatory napięcia:

Rys. Przykład regulatorów napięcia 5V (od lewej 78L05, 7805, LM1117-5.0)

Jak widzisz przyjmowanie, że jest jeden standard wyprowadzeń dla wszystkich typów stabilizatorów napięcia, jest ryzykowny :-)

UWAGA! Zawsze sprawdzaj 

pinologię (wyprowadzenia) w datasheet.

---

Lekceważyć czy nie?

Aaa, po co to wszystko, przecież układ mi działa ...

mayekk
Układ prosty jak barszcz, jednak coś jest nie tak. Przemierzyłem, szukałem, poddaje się :/
...
Robiłem już podobne układy na innych uC do sterowania silnikami krokowymi pod +24V i nie było problemu.

... a jednak fizyki nie da się oszukać, tylko po co tracić czas i nerwy, podczas gdy wystarczy wydać niewiele groszy, które zapewnią Ci spokój i bezawaryjną pracę: Lekceważyć, czy nie? 

Przykład totalnie złego schematu

Myślę, że nie ma co opisywać - jeżeli znajdziesz tam choć jeden kondensator daj mi znać :-)
Ja sprawdzałem lupą - nie ma żadnego.

Rys. "Kwiatek" znaleziony na forum, przysłuży się innym jako negatywny przykład  :-)

Przeczytaj także

• Kondensator - podstawy i praktyka
• Regulatory napięcia LDO
• Minimalne podłączanie pinów
• ADC - Dokładność vs podłączanie 
• Zakłócenia w pracy mikrokontrolerów