Питание микроконтроллера. Как избежать ошибок.

Сегодня поговорим о важности качественного питания микроконтроллеров. Многие новички в области электроники недооценивают эту тему, тратя часы или даже дни на выяснение того, когда и почему их схема перестала работать должным образом. Ищут ошибки в программах, переписывают код… А получается, что иногда всего одного конденсатора 100 нФ хватает и проблемы исчезают.

Важные моменты по питанию микроконтроллеров:

• микроконтроллеры могут неправильно работать из-за плохой фильтрации питания
• должны иметь дополнительные фильтры по питанию, даже при работе от батарей
• они могут иметь много входов питания (особенно большие микроконтроллеры)
• они часто имеют отдельное питание цифровой части и аналоговой части микроконтроллера.
• разные микроконтроллеры (даже от одного производителя) могут иметь разные потребности в фильтрации питания

Напряжение питания

Каждый микроконтроллер имеет точно определенный уровень напряжения питания, при котором производитель гарантирует его правильную работу. Иногда микроконтроллер одного типа может быть изготовлен в 2-х вариантах, различающихся допустимыми напряжениями питания.

Как правило, максимальный диапазон тактовой частоты микроконтроллера также связаны с напряжениями питания.

Самые распространенные ошибки новичков:

• они вообще не фильтруют линию питания или ставят фильтры только по выходу стабилизатора напряжения
• они размещают силовые фильтры подальше от микроконтроллера
• они не подключают все вводы питания «потому что схема и так работает»
• они не подключают питания к аналоговой части «потому что я аналоговой частью не пользуюсь»

Хорошая практика для питания микроконтроллеров:

• каждый вывод питания Vcc (Vdd) должен быть оборудован конденсатором емкостью 100 нФ на землю, расположенным как можно ближе к микроконтроллеру
• стабилизатор с конденсаторами, номиналы которых вы найдете в его техническом описании, должны гарантировать стабильное питание с максимально возможным энергопотреблением разработанной системой
• подключите питание к аналоговой части, даже если вы ее не используете.

Микроконтроллер и другие интегральные схемы

Не экономьте на конденсаторах!

Ознакомьтесь с таблицей данных и инструкциями производителя микроконтроллера относительно источника питания:

• для некоторых микроконтроллеров требуется несколько конденсаторов фильтра (обычно 100 нФ ) — см. рисунки ниже.
• также стоит предусмотреть один или несколько конденсаторов накопления энергии — обычно 10 мкФ.

Расстояние между конденсаторами и микроконтроллером. Конденсаторы фильтра следует размещать как можно ближе к выводам питания.

Давайте посмотрим на рекомендации производителя микроконтроллеров STM, компании STMicroelectronics в его заметке AN2586.

Красной стрелкой отмечена важная информация:

Nx100nF + 1×10μF

Что это значит? N — количество пар выводов питания микроконтроллера. С помощью этой записи производитель микроконтроллера указал на правила, которые я описал красным выше, то есть один конденсатор емкостью 100 нФ для каждой пары выводов питания и один накопительный конденсатор для каждой группы выводов питания.

На следующем рисунке показан пример этого принципа для семейства микроконтроллеров STM32F100xx. Цвета соответствуют принципу, показанному на картинке выше.
Аналогично и с микроконтроллерами Atmel AVR.

Другие интегральные схемы

Аналогичные принципы фильтрации питания применимы ко всем другим интегральным схемам. Их правильная работа также зависит от правильного источника питания, поэтому они, как и микроконтроллер, подвержены помехам.

ВНИМАНИЕ!!!
Всегда подключайте все выводы питания микроконтроллера. То же самое и с большинством других микросхем.

Стабилизаторы напряжения

Ниже приведен пример стабилизатора питания на базе семейства 78xx (где xx — выходное напряжение):

Конденсаторы, изображенные на рисунке, обычно ставят керамические.

Для вышеупомянутых конденсаторов вы должны / можете дополнительно поставить электролитические или танталовые конденсаторы как на входе, так и на выходе. Их емкость зависит от вашего проекта, поэтому подбирать их придется самостоятельно. Ниже приведены некоторые правила их выбора :

• увеличьте емкость конденсатора на входе стабилизатора, когда источник напряжения
• подключен длинным проводом является слабо эффективным, а ваше устройство скачкообразно потребляет значительный ток
• устройство работает на пределе максимального тока стабилизатора

Емкость этих конденсаторов должна быть примерно в диапазоне от 10 мкФ до 470 мкФ. В очень особых случаях при работе на пределе параметров стабилизатора используйте до 1000 мкФ.

При этом лучше использовать конденсатор меньшей емкости, но с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (Low ESR).

Если у вас нет конденсатора с низким ESR, вы можете использовать два обычных, подключенных параллельно, что приведет к падению общего ESR конденсатора.

Защитный диод регулятора напряжения

Для некоторых регуляторов напряжения, когда к выходу регулятора подключен большой накопительный конденсатор, производители регуляторов рекомендуют использовать защитный диод (D2 на схеме ниже).

Его задача — разрядить конденсатор С1 на выходе регулятора в случае короткого замыкания. Таким образом, он защищает регулятор напряжения от повреждений. Производители рекомендуют использовать его, как правило, для регуляторов с выходным напряжением более 7 В. Так что нет необходимости использовать его с регулятором 7805 (5 В), но…

… в случае питания цифровых систем этот диод также быстрее отключает питание микроконтроллера, что в некоторых случаях может быть важно, потому что очень часто микроконтроллеры могут работать при напряжениях ниже, чем остальная часть устройства, и что во время спада напряжения может вызвать сбой устройства.

На схеме также есть диод D1. Его назначение — защита от обратного подключения к аккумулятору. Его стоит использовать, когда у вас нет такого разъема на кабеле аккумулятора, предотвращающих неправильное подключение.

Расстояние между конденсаторами и стабилизатором. Важно, чтобы все конденсаторы, фильтрующие работу стабилизатора, рассмотренного выше, располагались как можно ближе к его выводам.

ВНИМАНИЕ!!!
79xx — это не то же самое, что семейство 78xx
79xx используются для стабилизации отрицательных напряжений, например -5 В, -12 В и т. д.

Корпус стабилизатора может сбивать с толку. Ошибки случаются не только у новичков, но, у них значительно чаще.

Перед тем, как подключить блок питания, внимательно проверьте распиновку регулятора напряжения. Это позволит избежать неожиданностей и потерь.

Но это не единственное место возможных проблем. Вторая опасность — строить схемы «по памяти» с использованием разных регуляторов напряжения:

Как видите, предполагать, что есть один стандарт распиновки для всех типов стабилизаторов является рискованной 🙂

Игнорировать или нет?

Ой, зачем все это, у меня схема и так работает…

… и все же физику обмануть невозможно. Ну, зачем тратить время и нервы, когда достаточно потратить несколько рублей, которые обеспечат вам душевное спокойствие и бесперебойную работу.

Пример совершенно неправильной схемы

Думаю, описывать здесь нечего — если вы найдете хотя бы один конденсатор, дайте мне знать 🙂
Я проверил с увеличительным стеклом — их нет.