Capítulo 4. Convertidor Digital Analógico de Alta Tensión: HVDAC

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José Manuel Martín Quintana
hace 6 años
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1 Capítulo 4. Convertidor Digital Analógico de Alta Tensión: HVDAC 1 Introducción El HVDAC o convertidor digital analógico de alta tensión será el dispositivo más importante tras el microcontrolador. Desde los inicios del proyecto se buscó un convertidor que fuera capaz de suministrar a la salida un voltaje lo suficientemente alto. La búsqueda de este dispositivo no ha sido fácil, pero una vez encontrado tampoco han existido problemas de decisión, ya que tras consultar varios catálogos de compañías y buscar en la web se encontró que tan solo Goal Semiconductor, Inc. fabricaba un integrado con un convertidor que permitiera una referencia de tensión lo adecuadamente alta y cuyo funcionamiento fuera lo bastante sencillo para ser dirigido por un microcontrolador. Se trata de un dispositivo nuevo, y por lo que se ha podido llegar a saber, único en el mercado, de ahí que no se haya tenido que discernir entre múltiples opciones como ocurriera, por ejemplo, con el PIC. El dispositivo en cuestión es el HVDAC 200-4, que posee cuatro salidas independientes y al que se le introducen los datos a través de un protocolo serie. Prácticamente todo lo que se ha introducido en la placa está para el manejo de este chip. 2 Características básicas del HVDAC 200 Se trata de un convertidor digital analógico con un rango de funcionamiento entre 0 y 200 voltios. La corriente de salida es programable con 9 bits de resolución y con un máximo de 5mA y además posee 5 bits de offset también programables. La tensión de salida se establece o bien mediante una resistencia externa, o bien utilizando una resistencia interna del propio chip de 600KΩ. También posee un sensor interno de temperatura para el apagado automático como elemento de seguridad. Las aplicaciones más comunes para las que puede resultar útil este dispositivo son: Controladores de potencia inteligentes. Controladores ópticos. Manejadores de MEM s, que es precisamente el fin para el que se ha realizado este proyecto. Manejadores de transductores piezoeléctricos. Cualquier otra relacionada con el ámbito industrial, médico, o de automoción. Por último, puntualizar que tiene una interfaz serie, pero no compatible con RS232, es decir, que simplemente posee un protocolo serie para el cual utiliza tres líneas que más adelante explicaremos de forma más detallada. Vemos un diagrama funcional donde se ven las cuatro salidas programables independientes:

2 Figura 21. Diagrama de bloques del HVDAC 3 Asignación de los pines y su función La empresa que comercializa este dispositivo sólo lo fabrica con el encapsulado PLCC. Veamos un esquema de los pines y a continuación se explicará la utilidad de cada uno de ellos. Figura 22. Esquema de los pines

3 IVout0-IVout3: salidas analógicas del DAC totalmente independientes y programables por separado. Rout0-Rout3: salidas analógicas que vienen directamente de la IVout correspondiente tras pasar por la resistencia interna. Para cuando se utiliza baja corriente. VDDH: referencia de alta tensión del dispositivo, el valor de esta tensión debe estar comprendido entre 20 y 200V. LOADIN: entrada que indica al dispositivo que ya han entrado todos los datos por DATAIN y que puede almacenarlos. CLKIN: entrada de reloj del sistema. DATAIN: entrada de los datos para el DAC. RESET: entrada que resetea la interfaz digital y apaga el interfaz analógico. SHUTDOWN: salida que indica que el dispositivo se apaga por sobrepaso de la temperatura máxima. VTEMPCAP: Para conectar una capacidad de 100nF que se conectará a tierra. TSEN: entrada que habilita el sensor de temperatura cuando está a uno lógico. CURRANGE: entrada para seleccionar el rango de corriente de salida, que puede ser de 0 500µA o de 0 5mA. VREF: tensión de referencia que necesita el DAC. VDDA: alimentación de la sección analógica. VSSA: tierra de la sección analógica. VDDD: alimentación de la sección digital. VSSD: tierra de la sección digital. TSREF: tensión de referencia para el sensor de temperatura. COMP: resistencia de compensación conectada a tierra cuando RINTEXT se programa para que funcione en modo externo. RINTEXT: entrada para seleccionar si la resistencia de la fuente de corriente es externa o se utiliza la resistencia interna de 96KΩ del propio chip. DATAOUT, CLKOUT y LOADOUT: salidas conectadas directamente a DATAIN, CLKIN y LOADIN respectivamente.

4 4 Trazado digital El sistema para la introducción de los datos en el HVDAC se realiza, como se dijo anteriormente, mediante una comunicación serie, utilizando los pines de entrada CLKIN, DATAIN y LOADIN. Existen tres tipos de tramas, la primera para elegir cuáles de las cuatro salidas estarán activas, la siguiente son los 5 bits que definen el offset de la salida y por último los 9 bits de datos que necesita el DAC. En la gráfica siguiente se ve cómo funciona este protocolo para los tres tipos de tramas, el cual ha tenido que ser implementado mediante software utilizando salidas de propósito general del microcontrolador. Figura 23. Protocolo para el envío de datos Vemos cómo CLKIN es simplemente el reloj que gobierna la comunicación, cómo DATAIN introduce los datos, los cuales deben estar estables cuando en el reloj se produce un flanco de subida, y cómo LOADIN debe dar un pulso cuando se haya terminado de enviar una trama, sea ésta de la clase que sea. Queda por aclarar, por un lado, qué son los registros FNC0 y FNC1, y por otro CH0 y CH1. FNC0 y FNC1 simplemente sirven para indicar al HVDAC qué tipo de trama estamos introduciendo, es decir, si la trama va dirigida a apagar o encender los DAC s, o se está introduciendo datos o el offset en uno de los convertidores. La siguiente tabla muestra la configuración de estos dos bits: FNC1 FNC0 Función 0 0 Datos del DAC 0 1 Datos del Offset 1 x Control On/Off Tabla 2. Bits FNC0 y FNC1, indican el tipo de trama

5 Los bits CH0 y CH1, que sólo son utilizados en las 2 primeros tipos de tramas, sirven para indicar al HVDAC a qué salida van dirigidos los datos, ya sean los 9 bits, o los 5 bits de offset. Este caso también se aclara con una tabla: CH1 CH0 Canal elegido 0 0 Canal Canal Canal Canal 3 Tabla 3. Bits CH0 y CH1, indican el canal al que va la trama 5 Trazado del DAC En este apartado vemos cómo el DAC fija la tensión que deseamos. Debido a que la etapa de salida se basa en una fuente de intensidad, el voltaje externo se fija mediante una resistencia externa que se deberá colocar a la salida. A continuación vemos las ecuaciones que fijan la corriente de salida, siendo el voltaje de salida, según la Ley de Ohm, el producto de esa intensidad por la resistencia externa que se coloque (R LOAD ). 1 VREF IVOUT = DACDATA + DACOFFSET CURRANGE 32 R REF [ ] [ 10 9 ] VOUT = IOUT RLOAD R REF es la resistencia interna de 96KΩ o una resistencia externa si así se ha elegido mediante RINTEXT. V REF es la tensión aplicada en la entrada VREF y CURRANGE es el rango de corriente elegido mediante la entrada digital CURRANGE. V REF debe tener un valor entre 0.2 y 3 v, de modo que si se elige 3 v tenemos a la salida el máximo del rango de corriente que el integrado puede proporcionar. CURRANGE será establecido a valor 0 para así disponer de un rango entre 0 y 5 ma. Hay que tener en cuenta que el producto de la intensidad de salida por la resistencia RLOAD no debe nunca superar el valor de la tensión de referencia VDDH porque de este modo tendremos saturación. 6 Sensor de temperatura para apagado automático El sistema de apagado automático asegura la integridad del HVDAC cuando se produzca un calentamiento excesivo. Se trata de un sensor que apaga el dispositivo en el caso de que se supere una temperatura máxima, que puede ser fijada mediante la entrada TSREF. Anotar que la entrada de RESET provoca este mismo efecto de apagado de la circuitería de salida cuando se activa. Se muestra una gráfica en la página siguiente que representa la temperatura umbral frente al valor del voltaje de TSREF.

6 Figura 24. Temperatura de apagado frente a voltaje de referencia 7 Secuencia de apagado encendido Con el propósito de no dañar el HVDAC es muy importante respetar la siguiente secuencia que nos proporciona el fabricante tanto para la puesta en marcha como para el apagado del dispositivo. Figura 25. Secuencia para el encendido y apagado del HVDAC

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