Projektowanie oszczędnych układów elektronicznych. Dobór źródeł zasilania dla urządzeń mobilnych. cz. 2

Projektowanie oszczędnych układów elektronicznych. Dobór źródeł zasilania dla urządzeń mobilnych. cz. 2
Pobierz PDF Download icon
Wybór odpowiedniej wartości napięcia zasilającego i rodzaju baterii ma zasadnicze znaczenie dla czasu pracy zasilanego nią urządzenia. Takie decyzje należy podjąć już na etapie formułowania założeń projektowych, ponieważ od nich zależy dobór elementów i przyjętych rozwiązań układowych. Jednak po wykonaniu wstępnego projektu urządzenia można precyzyjniej oszacować jego potrzeby zasileniowe. W artykule zawarto wiele praktycznych porad ułatwiających optymalne zaprojektowanie obwodu zasilania o dużej sprawności.
88 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 notatnik konstruktora Dodatkowe materiały na CD i FTP Wybór źródła i napięcia zasilania Przez ostatnie kilkadziesiąt lat najczęściej stosowanym przez projektantów źródłem zasi- lania była nieśmiertelna bateryjka 9 V. Obecnie odchodzi ona do lamusa, i słusznie, bo bateria 6F22 (lub jej alkaliczny odpowiednik 6LR61) jest chyba najdroższym i najmniej efektywnym źródłem zasilania urządzeń elektronicznych. Podstawowe parametry najczęściej uży- wanych baterii i  akumulatorów zestawiono w tabeli 3. Pominięto w  niej celowo zwykłe baterie węglowo-cynkowe ze względu na niską jakość dostępnych na rynku produktów. Główną wadą tych baterii jest wylewanie się żrącej zawartości do wnętrza zasilanego urządzenia. Trudno jest podać jednoznaczną wska- zówkę, który rodzaj ogniwa jest najlepszy do konkretnego zastosowania. Należy brać pod uwagę nie tylko parametry techniczne, ale także koszty, wymiary i masę ogniw. Decyzja bateria czy akumulator też nie jest łatwa. Aku- mulatory zapewnią mniejszy koszt eksploatacji urządzenia, lecz wymagają większej inwestycji początkowej (zakup akumulatorów i ładowar- ki). Jeżeli ładowanie ma się odbywać bez de- montażu akumulatorów, to trzeba rozbudować urządzenie o odpowiedni układ kontroli łado- wania. Przy bateriach jednorazowych uprasz- cza się układ zasilania, mają one większą po- jemność przy tej samej masie i gabarytach oraz lepiej znoszą pracę w szerokim zakresie tem- peratury otoczenia. Dobór źródeł zasilania dla urządzeń mobilnych Projektowanie oszczędnych układów elektronicznych (2) Wybór odpowiedniej wartości napięcia zasilającego i  rodzaju baterii ma zasadnicze znaczenie dla czasu pracy zasilanego nią urządzenia. Takie decyzje należy podjąć już na etapie formułowania założeń projektowych, ponieważ od nich zależy dobór elementów i  przyjętych rozwiązań układowych. Jednak po wykonaniu wstępnego projektu urządzenia można precyzyjniej oszacować jego potrzeby zasileniowe. W  artykule zawarto wiele praktycznych porad ułatwiających optymalne zaprojektowanie obwodu zasilania o  dużej sprawności. Jeżeli chcemy maksymalnie wykorzystać pojemność baterii/akumulatorów, to przy pro- jektowaniu układu zasilającego należy brać pod uwagę nie tylko napięcie znamionowe, ale także spadek napięcia podczas rozładowania baterii. Przykładowo, pakiet 4 paluszków alkalicznych ma napięcie początkowe 6 V, a końcowe 3,6 V. W  przypadku akumulatorów, zasilany układ musi tolerować także odpowiednio wyższe napięcie, występujące podczas ładowania. Zakres zmian napięcia może wynosić nawet ?30...+20%, czyli jest znacznie szerszy niż przy zasilaniu sieciowym. Oznacza to konieczność stabilizacji napięcia zasilającego układ elektro- niczny. Najprostszym rozwiązaniem jest stabi- lizacja obniżająca napięcie baterii. Szczegółowa analiza parametrów ogniw i  zależności ener- getycznych prowadzi do następujących wnio- sków praktycznych: 1. Przy tej samej procentowej sprawności energetycznej stabilizatora liniowego, niższe napięcie powoduje zmniejszenie bezwzględnej wartości strat mocy. Przykła- dowo, dla obu stabilizatorów z rysunku 5 sprawność wynosi h=55,6%. Dla Ubat =9 V i  Uwy =5  V straty mocy w  stabilizatorze wynoszą 200 mW, natomiast dla Ubat =6 V i  Uwy =3,3  V straty mocy będą wynosić 135  mW (przy takim samym obciążeniu 50 mA). W praktyce prąd obciążenia przy Tabela 3. Parametry baterii i  akumulatorów Napięcie nominalne ogniwa Napięcie roz- ładowania *1) Tolerowanie niskiej temperatury Rezystancja wewnętrzna *3) Tolerowa- nie dużych obciążeń Bateria alkaliczna 1,5  V 0,9...1  V Dobre 0,2?0,6  V Dobre Bateria litowa LiMnO2 3  V 2,8...2,9  V Bardzo dobre 2?3  V Słabe *4) Bateria litowa LiSOCl2 3,6  V 3,5...3,4  V Bardzo dobre 1?2  V Słabe *4) Akumulator żelowy 2  V 1,7...1,8  V Dobre 0,015  V Bardzo dobre Akumulator NiCd 1,2  V 1,1...1  V *2) Słabe 0,15  V Bardzo dobre Akumulator NiMH 1,2  V 1,1...1  V *2) Słabe 0,7  V Średnie Akumulator Li-Ion *5) 3,  V 2,9...3  V Słabe 0,3  V Dobre *1) Wartość uśredniona. Napięcie końcowe zależy od stosunku prądu rozładowania do pojemności ogniwa. Producenci zwykle podają pojemność i  napięcie graniczne dla prądu 0,1 C. *2) Co ok. 10 cykli ładowania zaleca się rozładowanie ogniwa do napięcia 1 V. *3) Zależy od stanu naładowania i  od temperatury. Ogniwa różnych producentów mogą mieć odmienne parametry. *4) Typowy prąd obciążenia <2 mA dla baterii pastylkowych. Produkowane są też baterie w  wer- sjach wysokoprądowych, przeznaczonych do aparatów fotograficznych (np. ?Lithium Photo?) *5) Nowa generacja ? akumulatory litowo-polimerowe mają podobne parametry elektryczne, lecz większą trwałość. Podawane przez niektórych producentów bardzo duże wartości pojemności akumulatorów Li-Po są raczej chwytem reklamowym, chociaż może być ona szybko osiągnięta w  miarę rozwoju technologii. 89ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 Dobór źródeł zasilania dla urządzeń mobilnych R E K L A M A bór baterii. Należy bowiem użyć czterech ogniw alkalicznych lub NiMH ? nie można zastosować pojedynczych akumulatorów Li-Ion ani baterii litowych. Przy baterii o  napięciu 6  V lub więcej, duża różnica między Ubat i Uwy powoduje spadek spraw- ności stabilizatora liniowego. Optymalnym napięciem dla układów elektronicznych za- silanych bateryjnie jest 2,7 lub 3,0 V. Umoż- liwia to zastosowanie prawie wszystkich rodzajów ogniw wymienionych w tabeli 3: pojedynczych ogniw litowych LiSOCl2 lub akumulatorów Li-Ion (3,6 V), trzech ogniw alkalicznych (4,5  V), trzech lub czterech ogniw akumulatorów NiCd, lub NiMH (odpowiednio: 3,6 V; 4,8 V), przy czym za- chowana jest wówczas wystarczająca dla stabilizatora różnica napięcia pomiędzy Ubat i  Uwy . Napięcie zasilania niższe niż 2,7 V jest rzadziej stosowane ze względu na mniejszą swobodę w  doborze elementów elektronicznych i  rozwiązań układowych. Na przykład popularne procesory z  rdze- niem ARM mają rdzeń zasilany napięciem 1,8 V, ale wymagają zewnętrznego zasilania 3,3 V. Wprawdzie oferta układów analogo- wych i  cyfrowych z  napięciem zasilania 2,7...5,5 V jest bogata, lecz tylko nieliczne pracują przy niższej wartości napięcia. 5. Zazwyczaj układy zasilane bateryjnie po- winny poprawnie pracować w  szerokim być kondensatory niskoimpedancyjne (Low ESR lub tantalowe). Zalecane jest dołącze- nie równolegle kondensatora poliestrowego o pojemności 0,47...2,2 mF. 3. Typowe dla starszych układów cyfrowych napięcie zasilające 5  V jest kłopotliwe w  przypadku zasilania bateryjnego ze sta- bilizatorem obniżającym. Uwzględniając końcowe napięcie rozładowania i  spadek napięcia na stabilizatorze, do uzyskania 5 V należy zastosować minimum 6 ogniw alka- licznych (9 V) lub 6 akumulatorów NiCd/ NiMH (7,2 V). Sprawność takiego zasilacza będzie mała ze względu na dużą różnicę Ubat i Uwy . Ewentualnie można użyć akumulato- ra żelowego (6 V), jeżeli jego duże rozmiary i ciężar nie są krytyczne, albo dwóch ogniw litowych (bateria litowa ? fotograficzna 6 V). 4. Napięcie zasilania o wartościach 3,3 i 3,6 V także jest kłopotliwe ze względu na do- 3,3  V będzie mniejszy, czyli straty mocy zmniejszą się jeszcze bardziej. 2. Zależnie od rodzaju, ogniwa charaktery- zują się określoną rezystancją wewnętrz- ną z  przedziału 0,015...3,0  V. Im więcej ogniw jest połączonych szeregowo, tym większa jest rezystancja wewnętrzna całe- go pakietu. Na rysunku 6 przedstawiono dla porównania charakterystyki rozła- dowania dwóch ogniw dla stosunkowo małego prądu ciągłego, na który nałożone są krótkie impulsy prądowe o  wartości 0,5  A  (podobny jest pobór prądu dla te- lefonu komórkowego czy przetwornicy impulsowej). Pojedynczy akumulator Li- -Ion będzie pracował znacznie dłużej niż trzy połączone szeregowo akumulatory NiMH. Przy impulsowym poborze prądu bardzo ważny jest dobór odpowiednich kondensatorów blokujących. Powinny to Rysunek 5. Straty mocy w stabilizatorze dla różnego napięcia we/wy 90 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 notatnik konstruktora W przedstawionym przykładzie stabiliza- tor impulsowy jest gorszym wyborem niż sta- bilizator liniowy. W  zasilaczu impulsowym jest więcej elementów, co nie przekłada się na jego lepsze parametry. Wręcz przeciwnie, nie pozwala on na pełne wykorzystanie pojemno- ści ogniwa zasilającego. Jeżeli z tego samego ogniwa 3,6 V chcemy uzyskać napięcie wyj- ściowe 1,8 V przy prądzie obciążenia wyno- szącym 120 mA, to korzystniejszy jest stabili- zator impulsowy. Stabilizator liniowy będzie miał sprawność od 50% (przy Uwe =3,6 V) do 60% (przy 3,0 V), natomiast przetwornica im- pulsowa z LM3674 zapewni sprawność 95% w  całym przedziale napięć wejściowych od 3,6 do 3,0 V. Można wtedy zastosować układ o ustalonym napięciu (LM3674-1.8), co elimi- nuje elementy zewnętrzne R1, R2, C1, C2. Stosowanie zasilaczy impulsowych ob- niżających napięcie jest celowe dla stosun- kowo dużych prądów obciążenia oraz przy odpowiednio dużej różnicy między napię- ciem wejściowym i  wyjściowym. Podawaną przez producentów zasilaczy impulsowych ?sprawność do 98%? należy traktować bardzo ostrożnie, ponieważ dotyczy ona stosunkowo wąskiego zakresu napięć wejściowych i wyj- ściowych oraz prądów obciążenia. Przy prądach obciążenia rzędu 1  mA lub mniej lepiej sprawdzają się stabilizatory linio- we. Wybierając stabilizator do zastosowań mi- kroprądowych, należy zwracać uwagę na jego prąd polaryzacji (quiescent current). Jeżeli prąd obciążenia wynosi przykładowo 0,5 mA, to za- stosowanie stabilizatora z  prądem polaryzacji 200  mA  znacznie pogorszy sprawność układu stabilizacji. Przy obciążeniu 50 mA ten sam stabi- lizator może być dobrym wyborem. Nowoczesne stabilizatory małej mocy ?low-drop? mają prądy polaryzacji od 1  mA  (przy maksymalnym prą- Stabilizator obniżający napięcie ? liniowy czy impulsowy? Wybór wcale nie jest łatwy, bo obiegowa opinia o  dużo wyższej sprawności stabiliza- torów impulsowych jest prawdziwa tylko dla określonych warunków pracy. Przyjmijmy następujące założenia projektowe zasilacza: ogniwo Li-Ion (3,6  V), napięcie wyjściowe 2,7 V, prąd obciążenia zmieniający się w prze- dziale od 15 do 100 mA. Na rysunku 7 przed- stawiono schematy dwóch realizacji układo- wych stabilizatora: a) Układ z  liniowym stabilizatorem ?low- drop? typu LP3985-2.7. Sprawność ukła- du zmienia się od 75% (przy znamiono- wym napięciu wejściowym 3,6 V) do 90%, przy rozładowanej baterii (3,0 V). Maksy- malny spadek napięcia na stabilizatorze wynosi 70 mV przy prądzie 100 mA, czyli margines napięcia przy stabilizacji jest wystarczający nawet przy napięciu roz- ładowanego ogniwa wynoszącym 2,9  V. Pobór prądu przez stabilizator nie prze- kracza 200 mA, co wpływa w niewielkim stopniu na sprawność zasilacza. b) Stabilizator impulsowy ?step down? o du- żej sprawności z  układem LM3674-ADJ. Sprawność (odczytana z wykresu w kar- cie katalogowej) zależy od prądu obciąże- nia i wynosi 75% przy 15 mA i 95% przy 100  mA. Dla 100  mA wymagany mini- malny spadek napięcia na stabilizatorze wynosi ok. 0,6 V, co oznacza minimalne napięcie ogniwa 3,3  V (dla obciążenia 15  mA spadek napięcia wynosi 0,1  V). Pobór prądu przez stabilizator wynosi 350 mA. przedziale temperatury. Niestety, jedynym akumulatorem, który może być ładowany przy ujemnej temperaturze otoczenia, jest akumulator żelowy. Akumulatory pozosta- łych rodzajów nie powinny być ładowane zarówno przy bardzo niskiej, jak i bardzo wysokiej temperaturze otoczenia. Może to mieć znaczenie na przykład w urządze- niach bezobsługowych, ładowanych z ba- terii słonecznych. Gdy ładowanie nie jest konieczne, to optymalnym rozwiązaniem są baterie litowe, dobrze znoszące niską i wysoką temperaturę pracy. Dodatkową za- letą baterii litowych jest płaska charaktery- styka rozładowania. Jeżeli pobór prądu jest niewielki, to napięcie baterii nie zmienia się więcej niż o 5% w całym cyklu rozładowa- nia, wskutek czego można zrezygnować ze stabilizatora napięcia. Niestety wadą baterii litowych jest ich wysoka cena. 6. Pojemność baterii należy dobrać odpo- wiednio do przewidywanego poboru prą- du (średniego i maksymalnego). Znamio- nowe pojemności baterii i akumulatorów są zwykle podawane dla prądu 0,1 C lub 0,05 C (gdzie C [mAh], I [mA]). Im mniej- szy pobór prądu w stosunku do pojemno- ści, tym lepsze będzie wykorzystanie bate- rii. Należy z dużą ostrożnością podchodzić do rekordowo dużych pojemności akumu- latorów NiMH i NiCd, podawanych przez dalekowschodnich producentów. Nawet jeżeli te tysiące mAh są prawdziwe, to zwykle tylko przy pierwszych kilku łado- waniach. Po 5...10 cyklach ładowania/roz- ładowania pojemność tych akumulatorów potrafi zmniejszyć się 2-krotnie. Pojem- ność baterii alkalicznych o standardowych rozmiarach można znaleźć w  danych katalogowych jedy- nie nielicznych pro- ducentów baterii. Większość produ- centów nie publiku- je tych danych, co też powinno skłonić do zastanowienia się przy zakupie najtań- szych baterii. Rysunek 7. Schematy układów ze stabilizatorem liniowym i impulsowym Rysunek 8. Przetwornica pojemnościowa ze stabilizacją napięcia Rysunek 6. Zależność czasu pracy ogniw od rezystancji wewnętrznej przy impulsowym rozładowaniu 91ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 Dobór źródeł zasilania dla urządzeń mobilnych Rysunek 9. Impulsowy stabilizator podwyższający napięcie dzie wyjściowym 10...20 mA) do kilkudziesięciu mA (przy prądzie maksymalnym 50...100 mA). Stabilizatory podwyższające napięcie Stabilizatory podwyższające napięcie dają konstruktorom dodatkowe możliwości. Napięcia zasilające rzędu 2...5 V mogą być uzyskiwane na- wet z pojedynczego ogniwa o napięciu 1,5 V. Po- dobnie jak dla przetwornic obniżających, istnieją ?niewygodne? kombinacje napięcia baterii i wyj- ściowego. O ile nie jest trudne uzyskanie napię- cia 5 V, to na przykład z baterii litowej lub Li-Ion (3,6 V), trudno będzie uzyskać napięcia niższe od 4,5 V przy zachowaniu dużej sprawności prze- twarzania. Stosując przetwornice podwyższają- ce, należy pamiętać o bilansie mocy. Na przykład: Ubat =3 V, Uwy =5 V, Iwy =20 mA, h=80%. Z obli- czeń wynika, że Pwy =100 mW, a Pwe =125 mW. Średni prąd pobierany z baterii będzie wynosił 41,7 mA dla 3 V oraz 56,8 mA dla baterii rozła- dowanej do 2,2 V (prawie 3-krotna wartość Iwy ). Układy podwyższające napięcie mogą być budowane w konfiguracji kondensatorowej pom- py ładunkowej albo przetwornicy indukcyjnej. Układy kondensatorowe są prostsze w  budo- wie, ale mogą być stosowane przy niewielkich prądach obciążenia, zwykle do 10...20 mA. Ty- powym przedstawicielem tej grupy jest układ LM2660 (zmodernizowana wersja popularnego niegdyś ICL7660), który może pracować w kon- figuracji podwa- jacza napięcia lub generatora napięcia ujemnego. Układ ten nie stabilizuje na- pięcia wyjściowego. Może pracować przy napięciu wejścio- wym z  przedziału 1,5...5,5  V. Przy ob- ciążeniu do 10  mA jego sprawność wy- nosi 96%. Bardziej zaawansowanym układem jest MAX1759, w którym zintegrowano kondensatorowy podwajacz i stabilizator napię- cia (rysunek 8). Cenną zaletą tego układu jest możliwość pracy z napięciami baterii wyższymi albo niższymi od napięcia wyjściowego ? układ samoczynnie przełącza się z trybu pracy podwa- jacza do trybu stabilizatora obniżającego. Spraw- ność przetwarzania zmienia się od 90 do 50% i jest najniższa dla Uwe =Uwy . Scalone przetwornice indukcyjne podwyż- szające napięcie są bardzo rozpowszechnione, jednak w większości są to układy dużej mocy, o  prądach wyjściowych od jednego do kilku- nastu amperów. Przykładem jest przetwornica ?step up? dedykowana do energooszczędnych urządzeń bateryjnych LM2623 (rysunek 9). Przetwornica startuje już przy napięciu wej- ściowym 1,1 V, a po starcie dopuszczalne jest napięcie minimalne 0,8 V. Umożliwia to zasila- nie przetwornicy nawet z pojedynczego ogniwa 1,5 V. Dla prądów 10...300 mA sprawność prze- twarzania zmienia się od 75 do 90%, zależnie od różnicy napięcia między Uwe i Uwy . Stabilizacja dla Uwe =Uwy Najtrudniejszym zadaniem jest realizacja przetwornicy w przypadku, gdy napięcie baterii jest zbliżone do napięcia wyjściowego. Aby uzy- skać napięcie stabilizowane 3,0 V z baterii 3 V (2,2 V w stanie rozładowania), można zastosować kilka rozwiązań układowych: 1. Przetwornica transformatorowa ? pozwala na dowolne kombinacje napięć we/wy, ale wykonanie odpowiedniego transformatora R E K L A M A 92 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 notatnik konstruktora Rysunek 10. Stabilizator obniżająco/podwyższający serii TPS63000 Rysunek 11. Przełączanie źródeł zasilania za pomocą układu TPS2100 jest kłopotliwe. Takie rozwiązanie nadaje się do urządzeń produkowanych seryjnie, wtedy transformatory można zamówić u wy- specjalizowanego producenta. Przetwornice transformatorowe (w  konfiguracji ?flyback? lub przeciwsobnej) nadają się do układów o poborze prądu powyżej 50 mA. 2. Przetwornice podwyższające dopuszczają pracę przy napięciu wejściowym równym wyjściowemu, ale sprawność przetwarzania jest wtedy mała. 3. Przetwornica podwyższająca z  3  V na 3,6...4,0 V plus stabilizator liniowy. Można zastosować opisany wcześniej LM2623 z do- datkowym stabilizatorem, lecz trudno będzie uzyskać wypadkową sprawność większą niż 60%. 4. Jeżeli bateria 3 V składa się z dwóch ogniw po 1,5  V, to lepszym rozwiązaniem będzie połączenie ich równolegle i  zastosowanie przetwornicy podwyższającej z 1,5 V na 3 V (np. układy o schematach z rys. 8 albo rys. 9). 5. Zastosowanie nowoczesnego układu prze- twornicy podwyższająco/obniżającej, na przykład serii TPS63000 (Texas Instru- ments). Na rysunku 10 przedstawiono sche- mat aplikacyjny układu TPS63001 o ustalo- nym napięciu wyjściowym 3,3 V. Sprawność przetwarzania zależy od prądu obciążenia. Dla napięcia wejściowego z  przedziału 2,4...4,2  V sprawność zmienia się od 70% przy obciążeniu 1 mA do 93% dla 200 mA. Stabilizator dynamicznie dostosowuje tryb przetwarzania do aktualnych wartości na- pięcia wejściowego i prądu obciążenia, wy- posażony jest w układ miękkiego startu, za- bezpieczenia termiczne i  prądowe. Wejście PS/SYNC służy do aktywowania specjalnego trybu pracy ?Power Save?, umożliwiającego zwiększenie sprawności przetwarzania przy małych prądach obciążenia. Zastosowa- nie dzielnika rezystorowego na wejściu FB umożliwia zmianę napięcia wyjściowego. Stabilizator zużywa na własne potrzeby tyl- ko 40 mA, a prąd w stanie wyłączenia ?shut- down? wynosi 0,1 mA. Podobne układy (tzw. buck-boost converters) oferują także inni pro- ducenci, na przykład Maxim IC (MAX8625) i Linear Technology (LTC3440). Zmienny prąd obciążenia W wielu urządzeniach (np. zdalnego stero- wania, pomiarowych, akwizycji danych) wystę- pują duże zmiany poboru prądu. W stanie czu- wania pobór jest rzędu mA, natomiast podczas krótkich okresów pełnej aktywności może to być na przykład 50 mA lub więcej. Trudno jest zbu- dować stabilizator, który zapewni dużą spraw- ność w tak różnych warunkach pracy. Niektóre możliwe rozwiązania układowe najlepiej przedstawić na przykładach. Przykład 1: Rozdzielone obwody zasilania. Założenia: W sterowniku modelu samolotu energooszczędny mikrokontroler AVR typu AT- mega48PA steruje urządzeniami wykonawczymi o dużym chwilowym poborze prądu (serwome- chanizmy, elektromagnesy itp.). Częstotliwość sygnału zegarowego CPU wynosi 8  MHz, zasi- lanie jest bateryjne 4,8 V (4×NiCd). Mikrokon- troler może pracować przy napięciu zasilania 1,8...5,5  V, czyli praktycznie napięcie zasilania nie musi być stabilizowane. Jednak po uważnym przestudiowaniu charakterystyk ATmega48PA zauważymy, że pobór prądu w stanie aktywnym wynosi 2,0  mA dla Vcc=3  V oraz 4,2  mA dla Vcc=5 V (tryb zegara: wewnętrzny oscylator RC 8 MHz). Stabilizator pozwoli dwukrotnie obniżyć pobór prądu. Do zasilania mikrokontrolera moż- na zastosować obniżający stabilizator liniowy 2,7 lub 3,0 V o prądzie wyjściowym 10 mA, który zapewni niewielkie straty mocy, także w stanie uśpienia CPU. Podzespoły wykonawcze, niewy- magające stabilizacji napięcia, mogą być zasilane bezpośrednio z baterii. Jeżeli układ wykonawczy wymaga stabilizacji, to można dla niego przezna- czyć osobny stabilizator low-drop z  wejściem sterującym Enable. Wtedy jeden element umoż- liwi załączanie/wyłączanie obciążenia, stabiliza- cję napięcia i ograniczenie prądu. Przy dużych wartościach prądu pobieranego przez elementy wykonawcze należy zadbać o  odpowiednie za- bezpieczenia przeciążeniowe. Ogniwa pracujące przy prądzie zwarcia mogą się nagrzać do bar- dzo wysokiej temperatury, a  nawet eksplodo- wać! Dotyczy to szczególnie baterii litowych i al- kalicznych. Akumulatory litowo-jonowe zwykle mają zabezpieczenia wbudowane w pakiet przez producenta. Najbardziej odporne są akumulatory NiCd używane przez modelarzy. Przykład 2: Przełączanie stabilizatorów. Założenia: Rejestrator danych wypo- sażony w  mikrokontroler z  rdzeniem ARM STM32F103x jest zasilany z  baterii ?Lithium Photo? 6  V. W  stanie wyłączenia (STOP) mi- krokontroler pobiera prąd 20  mA, a  w  trybie oszczędnym z  obniżoną częstotliwością zegara ? ok. 3 mA. W trybie pełnej aktywności pobór prądu wynosi 40  mA dla mi- krokontrolera (sygnał ze- garowy o  częstotliwości 72 MHz) oraz 30 mA dla układów peryferyjnych urządzenia. Podczas pra- cy dodatkowego modułu łączności bezprzewodowej, natężenie łącznego prądu chwilowego wynosi do 150  mA. Urzą- dzenie jest wyposażone w przełączane stabili- zatory: w stanie czuwania i oszczędnym pracuje stabilizator liniowy, natomiast w stanie pełnej aktywności następuje przełączenie zasilania na stabilizator impulsowy. Stosunkowo wysokie napięcie baterii umożliwi pracę stabilizatora im- pulsowego z dużą sprawnością. Należy zadbać, aby przełączanie nie spowodowało przeciążeń lub chwilowych zaników napięcia zasilania. Można użyć do tego celu na przykład multi- pleksera zasilania TPS2100 (rysunek 11). Układ ten jest wyposażony w  tranzystor kluczujący NMOS dla wejścia IN1, a PMOS dla wejścia IN2 oraz w obwody sterujące zapewniające płynne przełączenie zasilania bez zaniku napięcia. Do- puszczalne prądy obciążenia i prądy polaryza- cji wynoszą odpowiednio 500  mA/16  mA  dla wejścia IN1 oraz 10 mA/1,5 mA dla IN2. Mikro- kontroler może włączyć/wyłączyć odpowiedni stabilizator oraz przełączać źródło zasilania za pomocą sygnałów sterujących EN1, EN2 i /EN. Multiplekser TPS2100 jest wyposażony w ukła- dy monitorujące napięcia na wejściach i auto- matyczne przełączanie zasilania, co w niektó- rych przypadkach umożliwia uproszczenie sterowania do jednego tylko sygnału EN1. Pod- czas przełączania zasilanie jest podtrzymywane przez kondensator CL . Jego pojemność powinna być dobrana zgodnie z zaleceniami podanymi w karcie katalogowej TPS2100. Po zaprojektowaniu zasilacza możemy przejść do szczegółowego projektu zasilanego układu. W następnym artykule omówimy za- sady doboru elementów elektronicznych do zastosowań mikroprądowych. Jacek Przepiórkowski
Artykuł ukazał się w
Lipiec 2010
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik styczeń 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio styczeń 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje styczeń 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna styczeń 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów