Stromversorgung und Power Sequencing

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Die Stromversorgung und das Power-Sequencing des R2T2

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Die Stromversorgung des R2T2

Ein komplexes Projekt wie das des R2T2 erfordert in vielen Bereichen eine etwas aufwendigere Schaltungsentwicklung.
Einer der Kernpunkte neben dem ADC/DAC ist die Stromversorgung der Baugruppe.
Bei vielen Funktionen und modernen IC’s ist die Leistungsfähigkeit direkt von der Rauschfreiheit und
Präzision der Stromversorgung abhängig. Zusätzlich erfordern moderne integrierte Schaltungen oft mehrere Spannungen.
Bei dem Projekt wurde deshalb konsequent vom System der verteilten Stromversorgung gebrauch gemacht.
Das heißt, dass es zwar eine zentrale Stromversorgung bzw. Schaltregler gibt die Grundspannungen zur Verfügung stellen
aber die wichtigsten Komponenten werden jeweils durch separate kleine lineare Spannungsregler versorgt.
Dies hat mehrere Vorteile: Empfindliche Schaltungsteile werden durch spezielle Ultra-Low-Noise Regler versorgt,
die durch die Schaltungstechnische und räumliche Trennung sich nicht gegenseitig beeinflussen und die
Verlustleistung der Regler wird auf das gesamte Board verteilt.

Die DC-Stromversorgung

Die Spannungsversorgung erfolgt über einen stabilen 6-poligen Molex-MiniFit-Stecker an der Rückseite,
wobei ein herkömmlicher Kippschalter die komplette Trennung des Gerätes von der DC-Versorgung ermöglicht.
Die „normale“ und ferngesteuerte Ein/Ausschaltung erfolgt dagegen elektronisch über einen Feldeffekt Transistor.
Bei einem vorwiegend im Remotebetrieb und unbeaufsichtigt arbeitenden Gerät muss die Stromversorgung
besonderen Anforderungen genügen. So wird die Eingangsspannung von DC 13.8V nach einem Gleichtaktfilter
und Sicherung über einen Doppel-FET SQJ940EB geführt und durch den Baustein LTC4365 auf Verpolung,
Unter- und Überspannung (10.5V / 15V) überwacht. Durch den geringen RDS(ON) von 0.02 Ohm ist der
Spannungsabfall über den FET’s praktisch vernachlässigbar.
Der R2T2 soll ja nicht nur am Gerät sondern auch ferngesteuert ein- und ausgeschaltet werden können.
Dies wird durch einen kleinen Mikrocontroller PIC 12HV615 erledigt.
Dieser PIC prüft einen Taster an der Frontplatte sowie den Remote-Schalteingang und schaltet über den
LTC4365 die Stromversorgung frei.
Durch die freie Programmierbarkeit des PIC sind neben einem einfachen Taster vielfältige Remote-Schaltfunktionen
möglich, wie z.B. Wake-Up via seriell usw. Nach dem Schalter-FET SQJ940EB wird der gesamte vom R2T2 aufgenomme
Strom durch ein spezielles Strom-Mess-IC ACS714 geführt, das praktisch ohne Spannungsabfall durch ein
integriertes Hallelement sehr präzise die Stromaufnahme des R2T2 messen kann.
Durch einen Präzisions-Op MAX4230 wird der gemessene Strom von 0 bis +4.3A in ein Analogsignal
von 0 bis 1 Volt konvertiert. Die Versorgungsspannung von nominal 13.8 Volt wird ebenfalls
gewandelt und als Spannungssignal durch das CPU-Modul gemessen.
Alle zu messenden Analogsignale werden differentiell zum ZYNQ-Modul geführt, um Störungen und Masseschleifen
zu vermeiden. Die Digitalisierung der Analogsignale erfolgt mit einer Auflösung von 12 Bit durch den in
den im ZYNQ-SoC integrierten 1 Ms/sec schnellen Analog/Digitalwandler.
Die Anschlüsse für externe CW-Key und -PTT sind über Optokoppler galvanisch getrennt
und die Schaltsignale für eine externe PA über potentialfreie Relais-Kontakte an Steckverbinder
auf der Rückseite des R2T2 geführt.

Der Schaltwandler

Die einzelnen Linearregler erhalten ihre Eingangsspannung vorgeregelt aus einem Mehrfach-Schaltwandler
ADP5052 von Analog Devices. Dieses Schaltregler-IC der neuesten Generation vereint auf einen einzigen
Baustein von nur wenigen mm2 vier komplette Hochleistungs-Schaltregler und einen Analogregler.
Die einzelnen Schaltregler sind unabhängig voneinander und werden durch eine gemeinsame Sequenzer-Logik
so angesteuert, dass die Versorgungsspannungen nacheinander geordnet eingeschaltet werden.
Die Schaltregler erzeugen Roh-Spannungen von 5V bei 3.8A, 3,3V bei 2 A
sowie 2.5V mit 1.2A und 7V bei 0.6A. Der lineare Regler im ADP5052 versorgt ausschließlich
den Haupt-Taktgenerator des R2T2 mit 1.8 Volt 0.2 A.
Durch den hohen Wirkungsgrad des ADP5052 von >90..95% lässt sich der komplette Schaltreglerteil
inklusive der gesamten Filterung auf nur 22 x 40mm Platinenfläche unterbringen und erfordert
nur die Kühlung durch einen passiven „Heatspreader“ unterhalb der Platine.
Durch kompakten Aufbau mit extrem kurzer und großflächiger Leitungsführung und dem Einsatz
hochwertiger MLCC-Filterkondensatoren werden EMV-Probleme und Störstrahlungen auf HF-Ebene minimiert.
Als Besonderheit ist der ZYNQ-SoC in der Lage, softwaregesteuert die Schaltfrequenz der Schaltregler
zu verändern, um ggfs. Artefakte auszublenden.
Die einzelnen Ausgänge der Schaltregler dienen in erster Linie als vorgeregelte Spannungen für die
analogen Low-Noise-Regler der einzelnen Komponenten.
Die vom Schaltregler kommenden 5 V, max 3.8 Ampere versorgen das komplette TE07020 ZYNQ-Processing-Modul,
das wiederum eigene Spannungsregler für die intern verwendeten Versorgungsspannungen besitzt.
Dieses „Distributed Power“ System hat sich bei komplexen Baugruppen sehr bewährt und so sorgen auf der
R2T2-Baugruppe nicht weniger als acht lineare Spannungsregler für optimale Versorgung aller Komponenten mit
jeweils der sauberen und präzisen Spannung, die speziell auf die Notwendigkeiten der jeweiligen Funktionsgruppe
benötigt wird. Einige Spannungen für Komponenten die eine besonders Rausch- und Störarme Versorgung benötigen
werden durch eine doppelte lineare Vorregelung erzeugt.
Für ADC und DAC sowie die I/O-Teile und Audio sind separate Masseflächen geführt um Ausgleichsströme und induzierte Störungen zu minimieren.