Systemy dla Internetu Rzeczy (62). Przetwornice podwyższająco-obniżające dla IoT

W poprzednim artykule „Superkondensator z przetwornicą dwukierunkową Continua MAX38889” został pokazany regulator napięcia MAX38889 firmy Maxim (obecnie oddział firmy Analog Devices). Jest on przeznaczony do systemów zasilania awaryjnego z superkondensatorami [S57]. W artykule „Skuteczne sposoby zasilania awaryjnego urządzeń Internetu Rzeczy z zastosowaniem superkondensatorów” został pokazany synchroniczny dwukierunkowy konwerter buck/boost TPS61094 firmy Texas Instruments [S61]. Obsługuje on automatyczne ładowanie superkondensatora używanego jako źródło zasilania awaryjnego. Wiele firm produkuje przetwornice podwyższająco-obniżające jednak typowo mogą one startować dopiero z dosyć wysokim napięciem wejściowym: 2,4...2,7 V. Również prąd upływu jest spory i wynosi kilka lub kilkadziesiąt mikrowoltów. Tym razem poznamy układ RP605 firmy Nisshinbo Micro Devices Inc.

Układ RP605

Przetwornica podwyższająco-obniżająca małej mocy typu RP605 ma funkcję monitorowania napięcia wejściowego [1]. Układ zawiera obwody zasilania i monitorowania (BM – Battery Monitoring) z osobnymi wejściami zezwalania. Ma fabrycznie ustalone napięcie wyjściowe (strojenie laserowe) z 13 poziomami do wyboru od 1,6 V do 5,2 V [2]. Jest wykonywany w dwóch wersjach z różnym poziomem monitorowania napięcia wejściowego: VIN/3 (RP605xxx3x) oraz VIN/4 (RP605xxx4x). Wersja RP605xxxxB ma dodatkowy układ rozładowania obwodu wyjściowego. Układ jest produkowany w obudowie WLCSP-20-P3 o rozmiarach 2,315×1,71×0,36 mm oraz DFN(PLP)2730-12 o rozmiarach 3,00×2,70×0,6 mm [2].

Układ RP604 jest taki sam, za wyjątkiem braku obwodu monitorowania oraz mniejszej obudowy. Wszystkie opisy obwodu zasilania układu RP605 dotyczą również układu RP604. Układ RP604 otrzymał nagrodę Nikken Kogyo Shimbun i MONOZUKURI Nippon Conference za komponenty elektroniczne. Podobne parametry z większym prądem (1 A i 1,5 A) mają układy RP601 i RP602 firmy Nisshinbo. Pracują w zakresie napięcia wejściowego od 2,3 V do 5,5 V z ustalonym napięciem wyjściowym w zakresie 2,75 V to 4,2 V. Mają jednak dużo większy prąd upływu.

Układ RP605 jest szczególnie odpowiedni, gdy wymagane napięcie zasilania znajduje się pomiędzy poziomem napięcia w pełni naładowanego i całkowicie rozładowanego akumulatora. W odpowiednim momencie przetwornica układu automatycznie przełącza się z trybu buck w tryb boost, aby utrzymać ustawione napięcie wyjściowe. RP605 jest przeznaczony do zastosowań, w których urządzenia znajdują są głównie w trybie uśpienia i okresowo budzą się w celu wykonania pomiaru, transmisji danych, a następnie powrotu do trybu uśpienia. W przypadku tego typu aplikacji pobór prądu w trybie uśpienia powinien być możliwie najniższy. RP605 ma niski prąd spoczynkowy 300 nA co przedłuża żywotność baterii lub umożliwia projektantowi wybór mniejszego rozmiaru baterii do aplikacji.

Podstawowe parametry układu RP605 są następujące:

• napięcie wejściowe VIN: 1,8...5,5 V (RP605xxx3x)/ 2,4...5,5 V (RP605xxx4x),
• napięcie wyjściowe VOUT: 1,6...5,2 V (13 poziomów),
• prąd upływu IQ: 300 nA,
• prąd w trybie oczekiwania: 10 nA,
• prąd upływu obwodu monitorowania: 100 nA,
• prąd wyjściowy: 300 mA (max),
• ograniczenie podnapieciowe (UVLO) Threshold VUVLOF(opadanie)/VUVLOR (narastanie): 1,50 V/1,65 V,
• ograniczenie nadnapięciowe (OVP) Threshold VOVP (opadanie)/ (narastanie): 5,5 V/6,0 V,
• rezystancja układu rozładowania (RP605xxxxB): 100 Ω,
• wydajność pracy wynosi powyżej 80% w bardzo dużym zakresie prądu wyjściowego 1...300 mA (napięcie wejściowe powyżej 3,3 V).

Działanie układu RP605

Po włączeniu, gdy VIN przekroczy napięcie progowe VUVLOR (1,65 V), układ scalony zaczyna działać (rysunek 1).

Rysunek 1. Miękki start układu RP605 po włączeniu zasilania wejściowego [2]

Następnie zaczyna działać obwód miękkiego startu i wewnętrzne napięcie referencyjne VREF stopniowo wzrasta do określonej wartości. Gdy VREF osiągnie odpowiednie napięcie następuje przełączenie układu do trybu pracy i napięcie wyjściowe VOUT rośnie wraz ze wzrostem VREF. Na prędkość włączania VOUT mogą mieć wpływ następujące warunki:

• prędkość włączania VIN określona przez zasilanie układu scalonego i pojemność kondensatora wejściowego (CIN),
• wartość kondensatora wyjściowego (COUT1) i prąd wyjściowy (IOUT).

Układ scalony zaczyna działać, gdy napięcie na wejściu CE1 (VCE1) przekracza napięcie progowe VCE1L (1,8 V).

Po uruchomieniu układu scalonego zaczyna działać obwód miękkiego startu (rysunek 2). Następnie, po czasie miękkiego startu tSTART (20 ms), napięcie odniesienia VREF w układzie scalonym stopniowo wzrasta do określonej wartości. Czas tSTART nie zawsze jest równy prędkości włączania przetwornicy. Na prędkość włączania może mieć wpływ wydajność zasilacza, prąd wyjściowy (IOUT), indukcyjność i wartość kondensatora wyjściowego (COUT1).

Rysunek 2. Miękki start układu RP605 po podaniu wysokiego poziomu na wejściu CE1 [2]

Jeśli VIN spadnie poniżej progu VUVLOF (1,5 V), zaczyna działać obwód UVLO. Wbudowane tranzystory przełączające PMOS i NMOS wyłączają się. Aby wznowić operację, VIN musi być wyższy niż VUVLOR (1,65 V).

Jeżeli VOUT staje się wyższe niż próg detektora VOVP (5,5 V), zaczyna działać obwód OVP i wyłącza wbudowany przełącznik tranzystorów. W rezultacie VOUT spada zgodnie z wartością pojemności COUT i obciążeniem.

Zabezpieczenie nadprądowe nadzoruje szczytowy prąd cewki indukcyjnej w każdym cyklu przełączania i jeśli prąd przekroczy ograniczenie prądu ILXLIM (0,9 A) wyłączany jest tranzystor komutacji wejścia. Gdy temperatura złącza przekroczy próg wyłączenia termicznego TTSD (typ. 140°C), wyjście sekcji DC/DC zostaje odcięte. DC/DC uruchamia się ponownie, gdy temperatura złącza spadnie poniżej progu wyzwalania termicznego TTSR (typ. 100°C), a funkcja miękkiego startu działa jak rozruch dla podania wysokiego poziomu na CE1.

Tryb zmiennej częstotliwości modulacji VFM (Variable Frequency Modulation) jest stosowany jako metoda przełączania w celu osiągnięcia wysokiej wydajności w warunkach lekkiego obciążenia (rysunek 3). Częstotliwość przełączania zmienia się w zależności od wartości napięcia wejściowego (VIN), napięcia wyjściowego (VOUT) i prądu wyjściowego (IOUT). Przełączanie rozpoczyna się, gdy VOUT spadnie poniżej dolnej granicy napięcia odniesienia VREFL). Gdy VOUT przekracza górną granicę napięcia odniesienia (VREFH), napięcie wyjściowe jest podtrzymywane przez kontrolę histerezy, która zatrzymuje przełączanie. Aby działać w ramach znamionowej charakterystyki cewki indukcyjnej i uniknąć przekracza limit prądu cewki ILXLIM, działanie przetwornicy przechodzi w tryb wyłączenia. A kiedy prąd IL spadnie poniżej limitu prądu dolnego ILXVAL, przetwornica wznawia pracę.

Aby uniknąć zakłóceń powodowanych przez przełączanie należy sprawdzić rzeczywistą charakterystykę działania przetwornicy pod obciążeniem (rysunek 3).

Rysunek 3. Praca w trybie zmiennej częstotliwości modulacji VFM, a) bez obciążenia, b) niewielkie obciążenie, c) średnie obciążenie, d) duże obciążenie [2]

Obwód monitorowania napięcia wejściowego jest jedną z kluczowych cech RP605. Wszystkie istotne komponenty obwodu monitorowania są zintegrowane wewnątrz układu, co zmniejsza zajmowaną przestrzeń na płytce drukowanej i koszty. Konwencjonalnym sposobem pomiaru pozostałego naładowania akumulatora jest użycie zewnętrznego dzielnika rezystorowego plus tranzystora MOSFET podłączonego do przetwornika A/D. Jednak impedancja wejściowa tego rozwiązania jest zwykle niska, co skutkuje znacznym upływem prądu do ziemi, rozładowywaniem akumulatora i ograniczaniem żywotności urządzenia. Układ RP605 zapewnia proste rozwiązanie z wbudowanym dzielnikiem rezystorowym i wtórnikiem napięcia jako buforem. Zaletą tego obwodu jest znacznie mniejszy przepływ prądu do masy, a wyjście BM jest zgodne z impedancją wejściową przetwornika A/C. Prąd spoczynkowy tego obwodu wynosi tylko 100 nA. Ma on osobne wejście włączenia CE2 co umożliwia włączanie go tylko na czas pomiaru. Wymagany jest czas oczekiwania tw ≥ 10 ms po podaniu wysokiego poziomu na CE2. W ten sposób można na przykład wykonać prosty wskaźnik poziomu rozładowania baterii.

Praca z baterią CR2032

Ponieważ napięcie baterii stopniowo spada podczas jej używania, bateria może być używana dłużej, gdy dolna wartość graniczna napięcia wejściowego przetwornicy jest niska. Przykładowa charakterystyka rozładowania baterii guzikowej (CR2032) pokazuje spadek napięcia (rysunek 4). Urządzenia IoT często działają z przerwami. Wykres w kolorze czerwonym wskazuje na silny spadek napięcia spowodowany obciążeniem impulsowym przyłożonym do ogniwa guzikowego. W przypadku gdy dolna wartość graniczna napięcia wejściowego przetwornicy wynosi 2,0 V, przy przerywanej pracy z ogniwa guzikowego, układ może działać o 75% dłużej niż układu z granicą napięcia wejściowego 2,4 V. Ważne jest również uwzględnienie dolnej wartości granicznej napięcia wejściowego oraz prądu zasilania dla dłuższej żywotności baterii. Układ scalony RP604 pracuje od napięcia wejściowego 1,8 V co jeszcze bardziej wydłuża czas pracy z baterii.

Rysunek 4. Charakterystyka rozładowania baterii CR2032 [5]

Zestaw uruchomieniowy z układem RP605

Zestaw uruchomieniowy RP605Z333B-EV firmy firmy Nisshinbo Micro Devices Inc. jest przeznaczony do badania stosowania przetwornika RP605Z333B tej firmy. Umożliwia on łatwe i szybkie rozpoczęcie pracy z tym układem, pomimo jego bardzo małej obudowy (obudowa WLCSP-20-P3). Wyglad płytki zestawu jest pokazany na fotografii tytułowej [2]. Schemat zestawu (rysunek 5) jest taki sam jak schemat przykładowej aplikacji w dokumentacji układu scalonego [3]. Napięcie wyjściowe wynosi 3,3 V, prąd – do 300 mA, wyjście monitorowania BM=1/3 VIN i układ zawiera aktywny obwód rozładowania wyjścia.

Rysunek 5. Schemat zestawu uruchomieniowego RP605Z333B-EV [3]

Badanie pracy zestawu uruchomieniowego RP605Z333B-EV

Płytka zestawu RP605Z333B-EV została dołączona do zasilacza laboratoryjnego. Okazało się, że układ RP605Z333B utrzymuje bardzo dokładnie średnie napięcie wyjściowe 3,3 V przy zmianach napięcia wejściowego i przy zmianach prądu obciążenia. Przy narastaniu napięcia wejściowego startuje od ok. 1,8 V a przy opadaniu pracuje do ok. 1,6 V, tak jak obiecują dane katalogowe. Napięcie na wyjściu VOUT przy braku odciążenia zostało pokazane na rysunku 6.

Rysunek 6. Napięcie VOUT przy braku obciążenia

Ustawienia: kanał CH1 VIN AC, kanał CH2 VIN DC. Dla Iout=0 mA występują pojedyncze impulsy 49,16 mV co 792 ms (1,26 Hz). Przykład pracy dla obciążenia 0,65 mA został pokazany na rysunku 7.

Rysunek 7. Napięcie VOUT przy obciążeniu 0,65 mA

Przy pracy z obciążeniem składowa AC napięcia VOUT ma kształt piły. Częstotliwość piły (ok. 1,6 kHz) wzrasta wraz z obciążeniem. Za to amplituda piły pozostaje na poziomie ok. 50 mV. Zgadza się to z danymi katalogowymi pokazanymi na rysunku 8.

Rysunek 8. Napięcie tętnień wyjściowych układu RP605x33xx [2]

Podsumowanie

Przetwornica RP605 firmy Nisshinbo Micro Devices jest unikalnym układem ze zintegrowanym monitorem napięcia wejściowego umożliwiającym pomiar stanu baterii przy bardzo małym poborze prądu 100 nA. Układ zawiera wiele obwodów zabezpieczających i dobrze działający obwód miękkiego startu. Próba zastosowania układu RP605 do bezpośredniego zasilania procesora komunikacji bezprzewodowej CC1352R1 nie powiodła się. Poziom tętnień zasilania okazał się za wysoki. Ze względu na zastosowaną w układzie RP605 modulację częstotliwości nie pomaga w tej sytuacji zwiększanie pojemności kondensatora na wyjściu. W przykładowych rozwiązaniach układowych pokazywanych przez producenta stosowany jest na wyjściu dodatkowy układ LDO [4]. Tylko, że wtedy sprawność całego rozwiązania bardzo spada.

Henryk A. Kowalski
Instytut Informatyki
Politechnika Warszawska