Overview on power supply management

Dans ce post je vais vous montrer les bases pour gérer et contrôler le voltage dans un circuit électronique. J'ai pu retrouver deux méthodes type pour y arriver et au lieu de trop rentrer dans les détails (ce que je ferais pour chaque méthode dans d'autres posts) je préfère donner une vue d'ensemble à travers une petite vidéo.

Normalement il faudrait dans a peu près tout les cas utiliser des bypass capacitors pour isoler et réduire le bruit de l'alimentation et pour gérer les pics de demandes des différents micro-contrôleurs. Je ne le fais pas ici, car je pense qu'il faudrait vraiment entrer dans les détails, notamment sur le choix de la valeur des capacitors. 

La première méthode utilise des régulateurs de tension. Dans la vidéo, je montre l'utilisation d'un régulateur d'ampérage qui fait perdre 0,5V (LM2937) ainsi que l'utilisation d'un régulateur de tension fixe à 5V (L7805). Cette méthode est largement utiliser puisqu'elle permet d'obtenir un ampérage assez élevé en sortie : le LM2937 peut laisser passer du 500mA; le L7805 du 1,5A.

Figure 1 : Les deux régulateurs en fonctionnement. A droite le L7805, a gauche le LM2937.

Figure 2 : Schéma résultat du fonctionnement d'un régulateur L7805 grâce au logiciel icircuit.

Datasheets : 

Low dropout regulator : LM2937

5V Fixed low dropout regulator : L7805

La deuxième méthode est basé sur le "voltage diviseur" grâce à deux résistances en série. Dans la vidéo, j'ai utilisé deux résistances de 10kOhm chacune. Le problème de cette méthode est que l'ampérage utilisable à la fin peut être très réduite (ici environ 450uA)

Figure 3 : Connection des résistances en série pour réduire le voltage de l'alimentation.

Figure 4 : Schéma résultat du voltage diviseur grâce au logiciel icircuit. La résistance de 1GOhm permet d'empêcher le courant de passer dans la deuxième partie du circuit.

La formule de calcul de VOUT en fonction de VIN, R1 et R2 est plutôt simple : 

- Tout d'abord on sait que U = R.I, donc VIN = I1.R1 + I2.R2

- Dans notre cas I1 = I2 = I = VIN / (R1 + R2)

Ce que l'on veut c'est VOUT :

- VOUT entre R1 et R2 est égale à VOUT = I.R2

- De ce fait, VOUT = (R2.VOUT) / (R1+R2)

Dans notre setup, VIN = 9V et R1 = R2 = 10kOhm, soit : 

- VOUT = (10000.9) / (10000+10000) = 90000 / 20000 = 4,5 V  

4 ports Hub USB teardown

Aujourd'hui je me suis intéressé au désassemblage d'un Hub USB de 4 ports pour un peut mieux comprendre les éléments nécessaire pour ce type de périphérique.

  

Ce qui est intéressant c'est qu'avec un seul microprocesseur, on est capable de gérer les 4 ports (la miniaturisation des éléments électronique a du bon). 

La carte propose donc un bloc d'alimentation assez basique où l'entrée est en générale à 5V (port USB mini ou prise jack). Le régulateur permet de fixer le voltage à 3.3V requis pour le micro-contrôleur. Entre la prise jack et le régulateur il y a un petit fusible réarmable pour protéger la carte et quelque bypass capacitors autour des ports downstream. 

Le micro-contrôleur dispose d'une architecture RISK-like de 8-bit gérant 4 port en USB 2.0 High-Speed (HS), Full-Speed (FS) et Low-Speed (LS) pour le downstream et 1 port upstream FS et HS. Une boucle à phase asservie (PLL) avec un multiplicateur de 40 est intégré et également connecté à l'oscillateur de 12 MHz afin d'atteindre la vitesse nominale du HS (près de 480 Mb/s).  

   

Figure 1 : Image de la carte annotée

Datasheet :

Fixed 3.3V Positive Low dropout Regulator : IRU 1117-33
4-ports USB2.0 Hub : GL850A

Présentation et analyse de la carte Arduino Uno Rev. 3

Le site officiel du constructeur de la carte est disponible a cette adresse: http://arduino.cc/

Voici une présentation des éléments électronique qui compose l'Arduino Uno Rev. 3. Une description des fonctionnalités est disponible ici.

Les schémas de la carte (board et schematic) peuvent être récupérés ici et lu avec le logiciel Eagle (licence gratuite avec contraintes). Pour info, le fichier PSD de la figure 3.

Figure 1: Board annotée de la carte Arduino Uno Rev. 3

Figure 2 : Schématic annotée de la carte Arduino Uno Rev. 3 

Datasheets :

P-MOSFET : FDN340P
5V Low Dropout Regulator : NCP1117ST50T3G
3,3V Low Dropout Regulator : LP2985-33DBVR
Resettable Polyfuse : MF-NSMF050-2
Operational Amplifier : LMV358IDGKR
Power Supply : DC21MMX
USB Microcontroller : ATMEGA16U2-MU
Main Microcontroller : ATMEGA328P-PU

Alimentation :

Il existe trois modes d'alimentation: 

• USB à travers les entrées USBVCC et USBGND. L'USB fournit une tension de 5V à 500 mA
• Un transformateur AC-DC de 7 à 20V par l'entrée DC21MMX. 
• Les entrées VIN et GND accessible sur les Pins de la carte.

L'entrée USBVCC est suivie d'un fusible réarmable afin de protéger la carte de possible surtensions. Si il y a surtension, le circuit est coupé tant que la valeur de la tension dépasse un seuil.

Les micro-contrôleurs USB et DIP28 ont besoin d'un régulateur de tension de 5V. Afin d'assurer le bon fonctionnement des régulateurs, la tension en entrée doit être dans une limite de 1 à 2V par rapport à la sortie désiré. Une Pin à 3,3V est disponible et est fournit à travers un régulateur de tension 3,3V.

Figure 3 : Schéma de connection d'un régulateur afin d'obtenir une tension fixe en sortie.

Ces deux régulateurs ont besoin de capacitors (PC1, PC2, C2, C3) afin de lisser le voltage de sortie (voir Figure 3). A l'entrée du régulateur, le capacitor va gérer la stabilité en entrée du courant si le régulateur est trop loin de la source d'alimentation. En sortie, le capacitor assure la stabilité du courant en sortie. Des capacitors (C6, C7, C8) aux entrées des micro-contrôleurs sont aussi nécessaire pour gérer les pics de demandes et garantir le niveau de tensions (un pic de demande peut apparaître par exemple au démarrage).

Quand l'USB et une entrée VIN sont branché, le P-MOSFET permet de sélectionner la source d'alimentation qui fournira la carte. Le P-MOSFET est composé de 3 interfaces: le Source (S), le Drain (D), et la Gate (G). le courant circule de D vers S quand G est actionné. Dans notre cas G est actionné quand le voltage entre G et S, VGS<=-1.5V (VG-VS<=-1.5). Un tutoriel sur le P-MOSFET est disponible ici.

La Gate est fournit par un voltage réduit de la VIN (à travers deux résistances RN1A et RN1B) et d'une entrée 3,3V en entrée de l'amplificateur opérationnel. Si VIN est fournit, le 3,3V est aussi fournit. Une petite expérience avec un VIN a 9V montre que :

• USBVCC=5V et VIN=9V : G=5V, S=5V, D=5V (VGS=0V)
• USBVCC=5V et VIN=0V : G=0V, S=5V, D=5V (VGS=-5V)
• USBVCC=0V et VIN=9V : G=5V, S=5V, D=0V (VGS=0V)