Содержание
Оценка потери мощности снаббера
9 января 2018
телекоммуникациисистемы безопасностиавтомобильная электроникасветотехникауправление питаниемуправление двигателеммедицинаавтоматизацияответственные применениялабораторные приборыMaxim Integratedстатья
Рейли Лан, Назарено (Рено), Розетти (Maxim Integrated)
Представьте ситуацию: ваш клиент обеспокоен. Он думает, что резистор, стоящий в цепи снаббера (или демпфера) регулятора напряжения, перегревается, и подозревает, что это вызовет отказы при эксплуатации. Меж тем миллионы изделий уже изготовлены и отгружены. Клиент находится перед вашей дверью и собирается просить о помощи. Что вы можете порекомендовать?
Зачем нужен снаббер?
Рассмотрим теорию использования снаббера. На рисунке 1 показан типовой понижающий преобразователь с RC-цепочкой, выполняющей роль снаббера (SNUBBER). Без снаббера в точке Vx – верхняя точка конденсатора – может возникнуть «звон» (высокочастотные колебания, мешающие нормальной работе DC/DC-преобразователя, прим.
переводчика). Это может случиться в течение определенного времени, когда второй транзистор включается, не дождавшись полного выключения первого. В течение этого периода времени выходной контур (OUTPUT LOOP) закорочен только паразитными последовательными индуктивностями и параллельными емкостями транзисторов.
Рис. 1. Понижающий DC/DC-преобразователь c RC-снаббером
Теоретически амплитуда звона может в два раза превышать входное напряжение. Плохая трассировка печатной платы также может стать источником звона в цепи. Звон вызывает электромагнитные помехи (EMI) – как излученные, так и наведенные, – которые могут привести к превышению токами и напряжениями транзисторов их предельных пороговых значений, что может вызвать отказ всей схемы. Цепь RC-снаббера уменьшает звон до безопасных величин за счет рассеивания мощности его паразитных колебаний на резисторе.
Отладка
Вернемся к исходной ситуации. Вы посещаете лабораторию клиента и смотрите на переполненную печатную плату с установленным регулятором напряжения.
{2}\times f,$$
где f – частота источника напряжения прямоугольной формы.
Важно отметить, что основное предположение формулы состоит в том, что входное напряжение демпфера представляет собой прямоугольную волну с абсолютно вертикальными нарастающими и спадающими фронтами (ступенчатая функция переходной характеристики). Насколько верна эта гипотеза в нашем случае?
Конечное время нарастания и спадания фронта импульса
Измерение напряжения на входе демпфера (точка Vх на рисунке 1) показывает, что нарастание и спад происходят достаточно быстро. Напряжение поднимается до 19,5 В и опускается до 0 В за 10 нс. Имеет ли это существенное значение? Возвращаясь к расчету, мы повторяем те же вычисления, что и выше, но на этот раз – учитывая время нарастания (рисунок 3).
Рис. 3. Нарастание и спадение сигнала
Уравнения ниже описывают энергию Er1 и Er2, связанную со временем нарастания Тr и ТON соответственно:
$$E_{r1}=CV^{2}\times \frac{\tau}{T_{r}}\times \left(T_{r}-\frac{3}{2}\tau+2\tau e^{-\frac{T_{r}}{\tau}}-\frac{\tau}{2}e^{-\frac{2T_{r}}{\tau}} \right)$$
$$V_{r1}=\frac{V}{T_{r}}\times \left[T_{r}-\tau \times (1-e^{-\frac{T_{r}}{\tau}})\right]$$
$$E_{r2}=\frac{CV_{r2}^2}{2}$$
$$V_{r2}=V-V_{r1}$$
Аналогичный набор уравнений получен для спадающего фронта:
$$E_{f1}=CV^{2}\times \frac{\tau}{T_{f}}\times \left(T_{f}-\frac{3}{2}\tau+2\tau e^{-\frac{T_{f}}{\tau}}-\frac{\tau}{2}e^{-\frac{2T_{f}}{\tau}} \right)$$
$$V_{f1}=\frac{V}{T_{f}}\times \left[T_{f}-\tau \times (1-e^{-\frac{T_{f}}{\tau}})\right]$$
$$E_{f2}=\frac{CV_{f2}^2}{2}$$
$$V_{f2}=V-V_{f1}$$
Общая средняя мощность рассеяния представляет собой сумму четырех энергий, умноженную на частоту источника напряжения.
{´´}\simeq \frac{1}{3}$$
Проверка с помощью Simplis
Описанное выше – это вычисления мощности рассеивания и, в целом, общеинженерный вариант подхода к проблеме. Для этого потребовалось вспомнить курсы физики и математики в применении к электрическим схемам. С помощью компьютера вы можете легко смоделировать схему в программе Simplis и получить ответ простым способом.
На рисунке 4 показаны графики мощности, напряжения и тока для случая ступенчатой функции, моделируемой в Simplis.
Рис. 4. Моделирование снаббера в Simplis для ступенчатой функции на входе
Обратите внимание, что пиковая рассеиваемая мощность в этом случае составляет 81 Вт, что говорит о неблагоприятной ситуации в пике.
Метки (R1) (Y2) в середине рисунка 4 указывают, что средняя рассеиваемая мощность составляет 129,28876 мВт, что хорошо согласуется с предыдущим расчетом.
На рисунке 5 показаны формы мощности, напряжения и тока для моделируемого в Simplis второго случая (с реальным временем нарастания и спада).
Рис. 5. Моделирование снаббера в Simplis для входного напряжения с медленно изменяющимися фронтами
Обратите внимание, что пиковая рассеиваемая мощность в этом случае составляет всего 7,5 Вт, что говорит в пользу такого варианта. Метка «Power (R1)(Y2)» в верхней части рисунка 5 также сообщает о средней рассеиваемой мощности 57,383628 мВт, что совпадает с приблизительным расчетом с точностью до 1 мВт.
Работа многих схем DC/DC-преобразователей может быть улучшена при наличии демпфирующей цепочки в точке Vх. С практическими примерами конструирования понижающих преобразователей (в частности – c линейкой Himalaya производства компании Maxim Integrated) и снабберными цепочками можно ознакомиться по ссылкам, приведенным в конце статьи.
Заключение
Мы проанализировали рассеивание мощности на снаббере с нескольких сторон и показали разные способы правильной оценки связанных потерь мощности. Возвратимся к исходной постановке задачи: в конце концов, выяснилось, что проблема была не в цепи RC-снаббера, и поведение схемы было вызвано плохой пайкой.
Но не мешает напомнить: разработчику необходимо иметь в арсенале несколько рабочих инструментов, и что еще более важно – в каждой возникшей ситуации найти самый подходящий.
Литература
- Himalayas Step-Down Switching Regulators and Power Modules, Maxim Integrated product page;
- «R-C Snubbing for The Lab» Maxim Integrated Application Note 907, December 27, 2001.
Оригинал статьи
•••
Расчёт блока питания с гасящим конденсатором + онлайн-калькулятор — radiohlam.ru
- Базовая схема и теория
- Формулы и рабочая схема
- Онлайн-калькулятор
Базовая схема и теория
Представленная и описанная в этой статье схема позволяет изготовить малогабаритный блок питания для низкоточных схем, преобразующий переменное сетевое напряжение в постоянное напряжение заданного уровня.
Принцип действия схемы очень простой — последовательно с выпрямительным мостом (с которого снимается рабочее напряжение на сглаживающий конденсатор и нагрузку) включен конденсатор, на котором гасится избыточное напряжение.
Собственно, из-за этого гасящего конденсатора схема и получила своё название. Другое название этого конденсатора — балластный, соответственно, другое название схемы — схема с балластным конденсатором.
Базовый вариант схемы выглядит следующим образом:
Добавлю некоторые пояснения касательно предложенной схемы. Почему в качестве балласта используется именно конденсатор, а не резистор? Потому что резистор, при протекании через него электрического тока, очень сильно нагревается, в то время как конденсатор не греется совсем (за исключением небольшого нагрева, обусловленного омическим сопротивлением обкладок и выводов). Почему же тогда всегда вместо резисторов конденсаторами для гашения «лишнего» напряжения не пользуются? Потому что через конденсатор может протекать только переменный ток, а постоянный — никак.
Так же, как и рассмотренный ранее блок питания с конденсаторным делителем, блок питания с гасящим конденсатором относится к бестрансформаторным и не имеет гальванической развязки с сетью 220В, то есть прикосновение к любой его части запрещено и может вызвать поражение электрическим током.
Тем не менее, существует масса вариантов, для которых применение такого блока питания вполне оправдано, например, в малогабаритных корпусированных приборах с микроконтроллерным управлением, когда случайное прикосновение к токоведущим частям исключено, большой ток не нужен, а размер критически важен.
Логическое обоснование расчётов и математический вывод формул, позволяющих связать ток нагрузки с ёмкостью гасящего конденсатора, я убрал под спойлер, чтобы не травмировать психику тех, кто не особо силён в физике и математике, а также чтобы не перегружать лишней информацией тех, кому это просто не интересно.
Осторожно, текст под спойлером перегружен физикой!
Итак, процессы в этой схеме будут достаточно нелинейны, поэтому при рассчётах придётся делать различные упрощения и допущения.
Для начала давайте будем считать, что ёмкость конденсатора C2 достаточна для полного сглаживания пульсаций напряжения после моста, то есть напряжение на конденсаторе C2 = const.
Далее попробуем нарисовать пару графиков, — напряжение на входе моста (UM) и ток через конденсатор C1 (IC1), опираясь на график сетевого напряжения UС(t). Будем считать, что сетевое напряжение у нас изменяется по синусоидальному закону и имеет амплитуду Uca (вообще-то рисовать мы будем косинусоиду, нам так будет удобнее, но это по сути одно и то же, только косинусоида сдвинута относительно синусоиды на π/2).
Рассуждаем следующим образом: в каждый момент времени полное напряжение и полный ток в этой цепи можно описать следующими уравнениями:
UC=UC1+UМ (1), iC=iC1+iМ (2)
В момент времени t0 уравнение напряжения примет вид: Uca=UC1+UМ. Поскольку Uca — это максимальное значение сетевого напряжения, то UC1 и UМ также в этот момент должны иметь максимальные значения (здесь в логике есть небольшой провал, максимум суммы — это не всегда сумма максимумов, функции могут быть сдвинуты по фазе, но… в общем, мы потом всё экспериментально проверим).
Максимальное значение UМ равно Uвых, поскольку если бы напряжение на мосту поднималось выше, то и конденсатор C2 заряжался бы до большего напряжения (мост бы открылся и к конденсатору C2 потёк бы зарядный ток, увеличивая напряжение на нём).
Токи через конденсатор и мост в момент t0 равны нулю. Про мост я выше уже написал (если бы через него тек ток, то конденсатор C2 заряжался бы дальше), а через C1 ток не течёт, поскольку ток через конденсатор — это первая производная от напряжения, которая в точках экстремума обращается в ноль (значит когда напряжение на конденсаторе максимально — ток равен нулю).
Далее сетевое напряжение (UC) начинает уменьшаться. При этом напряжение на C1 не меняется (тока-то через мост нет, заряд на C1 не меняется), следовательно вместе с падением UC уменьшается напряжение на входе моста.
В момент, когда сетевое напряжение упадёт до значения Uca-2Uвых (момент времени t1) — напряжение на входе моста достигнет значения -Uвых (находим с помощью формулы 1), диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор C1) потечёт ток. При этом напряжение на входе моста перестанет меняться (помните, мы договорились, что ёмкость C2 достаточно большая для того, чтобы полностью сгладить пульсации).
Обратите внимание, что напряжение на входе моста в этот момент равно -Uм, так что ток потечёт в обратную сторону от того направления, в котором он тёк до момента времени t0. Этот ток, поскольку он течёт в обратную сторону, начнёт перезаряжать конденсатор C1.
К моменту времени t3 напряжение в сети достигнет максимума, только с противоположной относительно момента t0 полярностью. Соответственно, для этого момента экстремума сетевого напряжения будут справедливы все те же рассуждения касательно напряжений и токов, которые мы использовали для момента t0.
То есть, к этому моменту конденсатор C1 полностью перезарядится (напряжение на нём достигнет максимального значения отрицательной полярности), а ток через C1 и мост упадёт до нуля.
Далее, по мере роста сетевого напряжения, напряжение на конденсаторе C1 будет оставаться неизменным, а напряжение на входе моста будет расти.
В момент времени t4, когда сетевое напряжение вырастет до значения -(Uca-2Uвых), напряжение на входе моста достигнет значения Uвых, диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор C1) снова потечёт ток. Этот ток снова будет перезаряжать конденсатор C1, но уже напряжением положительной полярности.
В момент t6 напряжение на конденсаторе C1 достигнет максимального значения положительной полярности, а ток через C1 и мост упадёт до нуля.
Далее весь цикл повторится с самого начала.
Теперь давайте вспомним закон сохранения заряда. В соответствии с этим законом за один полный цикл через конденсатор C1, мост и нагрузку должно протекать одинаковое количество заряда. Поскольку ток нагрузки у нас постоянный, то количество заряда, протекающего через нагрузку за один цикл, можно найти по формуле Q=Iн*tцикла=Iн/fc, где fc — частота питающего сетевого напряжения. Количество заряда, протекающего через конденсатор C1, будет равно площади под графиком тока (заштрихованная площадь графика IC1(t)). Остаётся только найти эту площадь, приравнять её к заряду, протекающему за один цикл через нагрузку, и выразить из полученного выражения необходимую ёмкость конденсатора C1 в зависимости от тока нагрузки.
Подробные математические расчёты можно найти под вторым спойлером.
[свернуть]
Осторожно, текст под спойлером перегружен математикой!
Итак, для заряда протекающего за один период через конденсатор С1 можно записать:
Косинусы найдём из графика сетевого напряжения, учитывая, что оно у нас на графике изменяется как раз по косинусоидальному закону, а так же учитывая его значения в моменты времени t1 и t3 (об этом мы говорили выше):
Максимальное значение тока через конденсатор C1 можно определить из формулы, связывающей ток, напряжение и реактивное сопротивление конденсатора:
Подставив всё это в выражение для заряда, получаем:
Используя полученное выражение и закон сохранения заряда находим ток через нагрузку:
Если выходное напряжение много меньше сетевого питающего напряжения, то можно считать, что Uca-Uвых≈Uca.
Тогда формулу можно переписать в упрощённом виде:
Iн=4fC1Uca
Можно наоборот, выразить ёмкость конденсатора C1 через ток нагрузки:
Упрощённый вариант формулы:
C1=Iн/(4fUca)
[свернуть]
Формулы и рабочая схема
Итак, в результате расчётов мы получили следующие формулы:
Обратите внимание, что в полученных формулах используется амплитудное значение сетевого напряжения, которое в корень из 2 раз больше действующего.
Кроме того, следует обратить внимание, что если ток нагрузки приравнять к нулю, то выходное напряжение схемы станет равно амплитуде сетевого напряжения (так что электролит скорее всего сразу пробьёт).
Ладно, самое главное мы посчитали, но это ещё не всё. Нужно учесть, что ток нагрузки и напряжение сети могут изменяться. Обеспечить работоспособность схемы во всём диапазоне питающих напряжений и рабочих токов — задача для стабилитрона.
Рабочий диапазон токов нагрузки находится исходя из следующих соображений:
- При максимальном токе нагрузки и минимальном напряжении сети через стабилитрон должен протекать ток чуть больше минимального тока стабилизации (иначе выходное напряжение схемы будет меньше заданного)
- При минимальном токе нагрузки и максимальном питающем напряжении ток через стабилитрон должен быть чуть меньше максимального тока стабилизации (иначе стабилитрон попросту сгорит)
В окончательном, рабочем варианте добавим в схему пару резисторов:
- резистор с сопротивлением порядка 1 мегаома параллельно конденсатору C1 (через него конденсатор будет разряжаться при выключении схемы из сети)
- резистор с сопротивлением около сотни Ом, включенный последовательно с конденсатором и мостом (он будет работать как предохранитель и вместо него можно поставить обычный предохранитель)
Рабочий вариант схемы:
Online-калькулятор для расчёта блока питания с балластным конденсатором:
(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)
1) Исходные данные:
C1=мкФ — ёмкость гасящего конденсатора
Параметры сетевого напряжения:
Uc min=В — минимальное действующее значение
Uc max=В — максимальное действующее значение
f=Гц — частота
Параметры нагрузки:
Iн min=мА — минимальный ток
Iн max=мА — максимальный ток
2) Расчётные данные:
Iст min=мА — требуемый минимальный ток стабилитрона
Iст max=мА — требуемый максимальный ток стабилитрона
Если в результате расчётов минимальный ток стабилитрона получился отрицательным — значит выбранная ёмкость конденсатора недостаточна для указанного тока нагрузки.
Нужно либо увеличить ёмкость конденсатора, либо уменьшить максимальный ток нагрузки. Если же вы получили слишком большой максимальный ток стабилитрона, значит ёмкость наоборот слишком большая.
pulldown — Правильно ли я рассчитываю подтягивающий резистор?
Задавать вопрос
спросил
Изменено
1 год, 8 месяцев назад
Просмотрено
176 раз
\$\начало группы\$
Я работаю над платой с MAX3221. Я выбрал это устройство, потому что вы можете отключить выход DOUT-RS232 и вход RIN-RS232 , что очень важно и критично для моего приложения.
Для этого на входе MAX3221 /FORCEOFF должен быть НИЗКИЙ уровень для отключения выхода DOUT-RS232 , а на входе /EN должен быть ВЫСОКИЙ уровень для отключения входа RIN-RS232 .
Я знаю, что микроконтроллер, который я буду использовать для управления MAX3221, имеет подтягивающий и подтягивающий резисторы на выходах, но:
- Контакты GPIO настроены как ВХОДЫ при сбросе (плавающие).
- Pull-up или Pull-down не включены при сбросе.
- Мне нужно настроить подтягивание и опускание, которые мне нужны в программном обеспечении, и это не происходит мгновенно при загрузке.
Поэтому мне нужно аппаратное решение, использующее внешние подтягивающие и подтягивающие резисторы непосредственно на выводах MAX3221, поскольку мне нужно, чтобы выход DOUT-RS232 и вход RIN-RS232 были отключены в момент включения питания платы.
У меня нет проблем с подтягивающим резистором, и есть много информации об этом, но я изо всех сил пытаюсь понять, как рассчитать соответствующий подтягивающий резистор для входа /FORCEOFF . На этой бирже довольно много ответов, но все они объясняют, где и зачем использовать выпадающие списки, но не как их вычислять.
В качестве отправной точки я знаю, что любой резистор разумного номинала, который я поставлю на вход, опустит контакт. Проблема, с которой я сталкиваюсь, заключается в том, какое значение лучше всего подходит, когда мне нужно отправить «1» на булавку.
Учитывая три начальных условия для входных контактов, указанных выше, я решил настроить выходные контакты как двухтактные, что, кстати, является конфигурацией по умолчанию для выходного контакта. Итак, у меня есть следующая схема для отправки «1» на контакт /FORCEOFF :
Я пытаюсь рассчитать резистор, поэтому я вытягиваю только 5 мА с контакта, сохраняя 3 В, чтобы убедиться, что MAX3221 видит « 1″ на входном контакте. Техническое описание MAX3221 не содержит значения входного тока для /FORCEOFF и упоминает только входной ток утечки от 0,05 мкА TYP до 1 мкА макс, поэтому я предполагаю, что для расчета им можно пренебречь.
Это кажется довольно простым, но я не уверен, что делаю это правильно.
- раскрывающийся
\$\конечная группа\$
1
\$\начало группы\$
5 мА — это довольно много тока, чтобы «тратить» его на понижение напряжения. Вы должны рассчитать, как быстро вам нужно его опустить, оценить емкость и рассчитать это как один предел. Затем посмотрите на утечку (как у вас) в наихудшем случае и убедитесь, что имеется достаточный запас по шуму ниже Vil в наихудшем случае.
Утечка составляет максимум 1 мкА во всем диапазоне температур (очень важно, чтобы она была во всем диапазоне), а Vil максимум 0,8 В. Если допустим запас по шуму 400 мВ, то сопротивление резистора должно быть не выше 0,4 В/1 мкА = 400 К.
Если мы предполагаем, что выброс в 1 мкс является приемлемым, и мы предполагаем, что входная, выходная и паразитная емкости в сумме составляют, скажем, 10 пФ, тогда резистор должен быть ниже примерно 100 кОм.
Наконец, нам бы хотелось, чтобы импеданс был немного ниже этого из соображений помехоустойчивости и возможного загрязнения печатной платы, поэтому, возможно, мы выберем 10K или 20K. Но если под ним есть заземляющий слой и печатная плата находится в благоприятных условиях, то 50 или 100К тоже допустимы.
Если вы не заботитесь об эффективности, элегантности и т. д., ваш нижний предел сопротивления определяется тем, насколько двухтактный выход гарантированно способен управлять (перегревом) и при этом обеспечивать приемлемый уровень шума (относительно Vih микросхемы MAX).
\$\конечная группа\$
2
\$\начало группы\$
Проблема, с которой я сталкиваюсь, заключается в том, какое значение лучше всего подходит, когда мне нужно отправить «1» на контакт.
Наилучшее значение при управлении логическим высоким уровнем — бесконечные Ом, поэтому GPIO должен подавать ноль.
Но тогда он не может снести, поэтому вам нужно идти на компромисс. Перейти на 1 мА или даже ниже. 5мА это много. Достаточно, чтобы зажечь светодиод, и больше, чем ваш GPIO предпочел бы иметь дело, и очень близко, если не превышает предел GPIO более современного MCU.
Чем больший ток требуется вашему GPIO, тем сильнее он нагревается и тем больше проседает напряжение при попытке управлять логическим высоким уровнем.
\$\конечная группа\$
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.
pullup — Как рассчитать необходимое значение для подтягивающего резистора?
Используйте 10 кОм, это хорошее значение.
Для более подробной информации мы должны посмотреть, что делает подтягивание. Допустим, у вас есть кнопка, которую вы хотите прочитать с помощью микроконтроллера. Кнопка представляет собой однополюсный однопозиционный переключатель мгновенного действия. Он имеет две точки подключения, которые либо соединены, либо нет. Когда кнопка нажата, две точки соединяются (переключатель замкнут). В отпущенном состоянии они не подключены (переключатель разомкнут). Микроконтроллеры по своей сути не обнаруживают соединение или отключение. Что они чувствуют, так это напряжение. Поскольку этот переключатель имеет только два состояния, имеет смысл использовать цифровой вход, который, в конце концов, рассчитан только на одно из двух состояний. Микросхема может непосредственно определить, в каком состоянии находится цифровой вход.
Подтягивание помогает преобразовать открытое/замкнутое соединение переключателя в низкое или высокое напряжение, которое может определить микроконтроллер. Одна сторона переключателя подключена к земле, а другая к цифровому входу. Когда переключатель нажат, на линии принудительно устанавливается низкий уровень, потому что переключатель фактически закорачивает ее на землю. Однако, когда переключатель отпущен, ничто не приводит линию к определенному напряжению. Он может просто оставаться низким, принимать другие близлежащие сигналы за счет емкостной связи или, в конечном итоге, плавать до определенного напряжения из-за небольшого тока утечки через цифровой вход. Работа подтягивающего резистора состоит в том, чтобы обеспечить положительный гарантированный высокий уровень, когда переключатель разомкнут, но при этом позволить переключателю безопасно закоротить линию на землю в замкнутом состоянии.
Существуют два основных конкурирующих требования к размеру подтягивающего резистора.
Он должен быть достаточно низким, чтобы прочно тянуть линию вверх, но достаточно высоким, чтобы не протекал слишком большой ток, когда переключатель замкнут. Оба они, очевидно, субъективны, и их относительная важность зависит от ситуации. В общем, вы делаете подтягивание достаточно низким, чтобы убедиться, что линия находится на высоком уровне, когда переключатель разомкнут, учитывая все факторы, которые в противном случае могут сделать линию низкой.
Давайте посмотрим, что нужно, чтобы вытянуть линию. Глядя только на требование постоянного тока, можно обнаружить ток утечки линии цифрового входа. Идеальный цифровой вход имеет бесконечный импеданс. Настоящие, конечно, этого не делают, и степень их неидеальности обычно выражается максимальным током утечки, который может либо выйти из вывода, либо войти в него. Допустим, ваш микропроцессор рассчитан на максимальную утечку 1 мкА на цифровых входных контактах. Поскольку подтягивание должно поддерживать высокий уровень линии, в худшем случае предполагается, что вывод выглядит как ток 1 мкА, утекающий на землю.
Например, если бы вы использовали подтяжку 1 МОм, то этот 1 мкА вызвал бы 1 Вольт на резисторе 1 МОм. Допустим, это система на 5 В, а это означает, что на выводе гарантировано напряжение только до 4 В. Теперь вам нужно взглянуть на спецификацию цифрового входа и посмотреть, какое минимальное напряжение требуется для высокого логического уровня. Это может быть 80% Vdd для некоторых микросхем, что в данном случае будет 4V. Таким образом, подтягивание на 1 МОм является предельным значением. Вам нужно по крайней мере немного меньше, чем это для гарантированного правильного поведения из-за соображений DC.
Однако есть и другие соображения, которые труднее определить количественно. Каждый узел имеет некоторую емкостную связь со всеми другими узлами, хотя величина связи падает с расстоянием, так что важны только близлежащие узлы. Если на этих других узлах есть сигналы, эти сигналы могут быть подключены к вашему цифровому входу. Более низкое значение подтягивания снижает импеданс линии, что уменьшает количество паразитного сигнала, который она улавливает.
Это также дает вам более высокий минимальный гарантированный уровень постоянного тока по отношению к току утечки, поэтому между этим уровнем постоянного тока и тем, где цифровой вход может интерпретировать результат как низкий логический уровень, а не предполагаемый высокий логический уровень, есть больше места. Так сколько хватит? Очевидно, что подтягивания 1 МОм в этом примере недостаточно (слишком высокое сопротивление). Почти невозможно угадать связь с близлежащими сигналами, но мне бы хотелось, по крайней мере, запас на порядок величины по сравнению с минимальным случаем постоянного тока. Это означает, что я хочу, по крайней мере, подтягивание на 100 кОм или ниже, хотя, если вокруг много шума, я бы хотел, чтобы оно было ниже.
Есть еще одно соображение, снижающее подтягивание, и это время нарастания. Линия будет иметь некоторую паразитную емкость по отношению к земле, поэтому она будет экспоненциально уменьшаться в направлении значения питания, а не мгновенно переходить туда.
Допустим, вся паразитная емкость в сумме составляет 20 пФ. В этом случае подтягивание 100 кОм составляет 2 мкс. Для достижения 95 % значения установления требуется 3 постоянных времени, или в данном случае 6 мкс. Это не имеет значения в человеческом времени, поэтому не имеет значения в этом примере, но если бы это была линия цифровой шины, которую вы хотели бы использовать со скоростью передачи данных 200 кГц, это не сработало бы.
Теперь давайте посмотрим на другой конкурирующий фактор, а именно на потерю тока при нажатии переключателя. Если это устройство работает от сети или иным образом работает со значительной мощностью, несколько мА не будут иметь значения. При 5 В требуется 5 кОм для получения 1 мА. На самом деле в некоторых случаях это «много» тока, и намного больше, чем требуется из-за других соображений. Если это устройство с батарейным питанием, и переключатель может быть включен в течение значительной части времени, то каждый мкА может иметь значение, и вы должны очень тщательно обдумать это.