Miniaturowy zasilacz buforowy 3 V/50 mA z baterią superkondensatorów

Rysunek 1. Schemat ideowy miniaturowego zasilacza buforowego z superkondensatorami

Schemat ideowy miniaturowego zasilacza buforowego pokazano na rysunku 1. Składa się on z dwóch bloków funkcjonalnych: układu U1 typu LTC4425 - specjalizowanej ładowarki superkondensatorów oraz układu U2 typu TPS63031 - przetwornicy buck-boost o napięciu wyjściowym 3,3 V.

Magazynem energii w zasilaczu buforowym jest bateria złożona z dwóch połączonych szeregowo superkondensatorów CS1, CS2 o pojemności 22 F. Podobnie jak przy zastosowaniu akumulatorów, układ ładowania musi zapewnić odpowiednie napięcie, ograniczyć prąd ładowania oraz odpowiednie balansowanie cel podczas ładowania ze względu na połączenie szeregowe.

Superkondensatory - w przeciwieństwie do akumulatorów - wykazują się dużą odpornością na temperaturę (praktycznie -25 do 70°C), możliwością szybkiego ładowania, niską rezystancją wewnętrzną, bardzo dużymi prądami rozładowania, możliwością rozładowania do 0 V i praktycznie nieograniczoną liczbą cykli pracy. Niestety, aby nie było zbyt "różowo", mają także wady, takie jak: duże gabaryty, małe napięcie przebicia, wrażliwość na przekroczenie napięcia znamionowego, cenę i najpoważniejszą - samorozładowanie.

Kondensatory CS1 i CS2 mają napięcie znamionowe 2,7 V. Zostały one połączone szeregowo, co podwyższyło napięcie znamionowe do 5,4 V oraz ułatwiło dobranie przetwornicy i zapewniło dużą sprawność przetwarzania. Kondensatory dopuszczają rozładowanie do zera, więc zakres napięcia 1,8...5,5 V, w którym pracuje TPS63031, umożliwia wykorzystanie zgromadzonej energii.

Ze względu na zastosowanie szeregowej baterii kondensatorów cechą, którą powinien posiadać układ ładowania, oprócz kontroli prądu ładowania jest automatyczne "balansowanie", czyli zapewnienie stałego rozkładu napięcia na kondensatorach niezależnie od rozrzutu ich pojemności oraz ładunku początkowego. Jest to sprawa bardzo istotna, ponieważ nawet niewielkie przekroczenie dopuszczalnego napięcia pracy powoduje uszkodzenie drogiego superkondensatora. Spośród dostępnych na rynku układów ładowarek wybrano LTC4425, właśnie ze względu na wbudowaną funkcję balansera.

Napięcie zasilania 5 V, filtrowane przez C1, jest doprowadzone do LTC4425. Dzielnik rezystancyjny R2/R3 dołączony do wyprowadzeń PFI/PFIR służy do wykrywania obecności zasilania oraz aktywuje układ ładowania i sygnał awarii zasilania PFO. Wyjście to sygnalizuje błąd natychmiast po zaniku zasilania oraz gdy podczas ładowania napięcie na kondensatorach jest niższe niż 4,5 V. Wejście PFI ma histerezę 10 mV.

Ładowarka LTC4425 może pracować w trybie stabilizatora LDO lub ładowarki - wybór trybu zależy od dołączenia wyprowadzenia FB. W trybie ładowarki prąd wyjściowy jest zależny od różnicy napięć V_in-V_out. Gdy jest ona większa niż 0,75 V (kondensatory rozładowane), prąd jest ograniczany do 10% prądu maksymalnego.

Jeżeli różnica jest mniejsza niż 0,25 V, kondensator jest ładowany prądem maksymalnym. Ogranicza to czas trwania udaru podczas ładowania "pustych" kondensatorów. W zakresie przejściowym, prąd zwiększany jest proporcjonalnie do różnicy napięć.

Tryb ten wymuszany jest poprzez zwarcie wyprowadzenia FB z V_in. Drugi tryb to stabilizator LDO aktywny, gdy do FB jest dołączony dzielnik ustalający napięcie wyjściowe. W tym trybie prąd nie zależy od różnicy napięć V_in-V_out. W prototypie został ustalony na 200 mA (R1=4,99 kV), co odpowiada ograniczeniu pobieranej mocy do 1 W.

Rysunek 2. Schemat montażowy miniaturowego zasilacza buforowego z superkondensatorami

Tryb LDO jest korzystniejszy, gdy zależy nam na innym niż typowe 2,5/2,7 V napięciu kondensatora i bezpośrednim zasilaniu układu docelowego, np. z ustalonego napięcia 3,3 V. Ułatwia to konstruowanie układów zasilanych z podwójnych kondensatorów o napięciu 4,5 V typu GSF2xx, wykorzystywanych np. w dyskach SSD. Wzory służące do wyznaczenia prądu ładowania i napięcia wyjściowego można znaleźć w dokumentacji.

W obu trybach maksymalne napięcie kondensatora 2,45/2,7 V jest ustalane poziomem na wejściu SEL. W prototypie połączenie z V_in ustala napięcie 2,7 V. Ustawienie wejścia EN aktywuje układ. Wyprowadzenie MID łączone jest z wspólnym punktem kondensatorów i jest wejściem pomiaru napięcia i wyjściem wbudowanego balansera.

Na złącze OUT wyprowadzone są sygnały awarii zasilania PFO i napięcia baterii VCAP umożliwiające ocenę stanu naładowania poprzez pomiar napięcia na baterii w układzie docelowym lub zasilanie układów bezpośrednio z baterii.

Należy pamiętać o tym, że ze względu na małą wartość rezystancji wewnętrznej superkondensatory nawet o niedużej pojemności mają duży prąd rozładowania, który przy przypadkowym zwarciu może uszkodzić wiele obwodów. Złącze CAP umożliwia zwiększenie pojemności baterii, a co się z tym wiąże czasu podtrzymania, poprzez dołączenie kondensatorów zewnętrznych.

Schemat montażowy urządzenia pokazano na rysunku 2. Montaż jest typowy i nie wymaga opisu. Układ nie wymaga uruchamiania, warto podczas pierwszego ładowania skontrolować ograniczenie prądu wejściowego oraz rozkładu napięcia na kondensatorach.

Przy obciążeniu przetwornicy 3,3 V/50 mA (ok. 62 Ω) czas do startu przetwornicy wynosi t_on~80 s. Przetwornica uruchamia się przy napięciu na baterii V_on ok. 1,8 V. Przy podanym obciążeniu, czas do pełnego naładowania wynosi t_100%=360 s. Czas rozładowania przy obciążeniu 62 Ω wynosi t_off=560 s, próg wyłączenia przetwornicy V_off=1,6 V.

Przy rozładowaniu chwilowy pobór prądu może być znacznie większy i np. przy obciążeniu 15 Ω zapewnia czas podtrzymania t_off=140 s, co w zupełności wystarcza do np. wysłania "ostatniego" komunikatu przez modem GSM i poprawnego wyłączenia systemu. W trybie rozładowania prąd wyjściowy układu ograniczony jest tylko parametrami dławika i wartością napięcia zasilania przetwornicy.

W trybie obniżania napięcia prąd może dochodzić do 800 mA, a w trybie podwyższania - do 500 mA. Należy zwrócić uwagę na ograniczenie całkowitej mocy pobieranej z zasilania do 1 W. W wypadku przekroczenia poboru 3,3 V/50 mA, podczas ładowania "pustych" kondensatorów urządzenie nie będzie w stanie ich naładować i prawidłowo rozpocząć pracy. W razie konieczności poboru większego prądu podczas "rozruchu", a gdy nie ma rygoru na ograniczenie pobieranej mocy, można zwiększyć prąd ładowania rezystorem R1 i odpowiednio dostosować go do wymagań aplikacji.

Adam Tatuś, EP