Zaloguj
Rysunek 1. Schemat ideowy ładowarki
Schemat ładowarki pokazano na rysunku 1. Oparto ją o specjalizowany kontroler ZSPM4521 firmy ZMDI, który zawiera niezbędne elementy zarówno dla pozyskiwania energii z ogniwa słonecznego (5 V/0,5...5 W), jak i ładowania akumulatora, zapewniając możliwość ustawienia napięcia i prądu ładowania.
Dzięki wykorzystaniu przetwornicy impulsowej i algorytmu MPPT charakteryzuje się dużą sprawnością. Ma wbudowane zabezpieczenia zapewniające prawidłowy proces ładowania: zabezpieczenie przed zwarciem z ograniczeniem prądowym, termiczne, nadnapięciowe.
Dostępne jest wyjście sprzętowe NFLT do sygnalizowania awarii. Układ wyposażono w interfejs I²C umożliwiający konfigurowanie i monitorowanie parametrów procesu ładowania. Nastawy przechowywane są w pamięci EEPROM i po jednorazowej konfiguracji możliwa jest praca samodzielna bez nadzorującego procesora.
Aplikacja ZSPM4521 nie odbiega od noty. Napięcie z ogniwa słonecznego 5V jest doprowadzone do wejścia IN układu U1. Po przekroczeniu progu 3,15 V zostaje aktywowana wewnętrzna przetwornica ładowania, która odpowiada za kontrolę prądu, końcowego napięcia oraz śledzenie MPPT.
Rezystory R3 i R4 są bocznikiem pomiarowym prądu ładowania i wbudowanego ograniczenia prądowego. Złącze I²C, oprócz wyprowadzenia magistrali komunikacyjnej, zawiera także sygnał awarii NFLT oraz wewnętrzne zasilanie 3,3 V/10 mA umożliwiające np. zasilanie kontrolera sterującego.
Rysunek 2. Sposób zapisu rejestrów
Rezystory R1 i R2 podciągają magistralę I²C i powinny być podłączone do napięcia zasilania układu sterującego (I2C-PIN3). Termistor TH wraz z rezystorem polaryzującym R5 służy do zmiany parametrów ładowania w zależności od temperatury ogniwa.
W aplikacjach, w których prąd ładowania jest niewielki i nie ma ryzyka przegrzania ogniwa lub jego ładowania w niskiej temperaturze, termistor można wlutować bezpośrednio w płytkę. Lepiej jednak zastosować termistor zewnętrzny, dołączony do złącza BAT (pomiędzy THB/GND) i umieszczony bezpośrednio na ogniwie lub wykorzystać termistor wbudowany (w przypadku użycia akumulatorów np. z telefonów komórkowych).
Rysunek 3. Mapa rejestrów ZSPM4521
Rozwarcie obwodu termistora sygnalizuje brak baterii. ZSPM4521 w odróżnieniu od popularnych ładowarek MCP73833 itp., posiada konfigurację programową pozwalająca wpływać na poszczególne fazy procesu ładowania w bardzo elastyczny sposób. Dzięki temu możliwe jest proste dostosowanie parametrów do współpracującego ogniwa i znaczący wpływ na jego trwałość (np. poprzez obniżenie napięcia końcowego ładowania).
Do poprawnej pracy U1 konieczna jest jednorazowa konfiguracja parametrów. Układ dostępny jest na magistrali I²C pod adresem 48h (uwaga: adres identyczny z ładowarką superkondensatorów ZSPM4523; jest mało prawdopodobne, że układy będą współpracowały razem w jednym urządzeniu, ale warto o tym pamiętać). Sposób zapisu rejestrów przedstawia rysunek 2.
Zestawienie rejestrów pokazano na rysunku 3. Skonfigurowania wymaga szereg parametrów zawartych w rejestrach CONFIG1...CONFIG5. W rejestrze CONFIG1 pod subadresem 02h zgodnie ustawiane są prąd ładowania wstępnego PRE_CHGR oraz napięcia zakończenia ładowania zależne od temperatury ogniwa zmierzonej termistorem TH: V_TERM_0_10 i V_TERM_10_50.
Listing 1. Symboliczny sposób konfiguracji (Arduino/Energia)
W rejestrze CONFIG2 pod subadresem 03h ustawiane są prąd końcowy ładowania (EOC) oraz napięcia zakończenia ładowania zależne od temperatury ogniwa zmierzonej termistorem TH: V_TERM_45_50 i V_TERM_50_60. W rejestrze CONFIG3 pod subadresem 04h ustawiane są maksymalne prądy ładowania MAX_CHRG_CURR w zależności od temperatury ogniwa z zakresu 0...10°C i 10...45°C.
W rejestrze CONFIG4 pod subadresem 05h ustawiane są prądy ładowania MAX_CHRG_CURR w zależności od temperatury ogniwa z zakresu 45...50°C i 50...60°C. Ostatni rejestr CONFIG5 pod subadresem 06h konfiguruje prąd wyłączenia ładowania TOP_END, rodzaj termistora pomiarowego TH oraz timery TOP_TO wyłączenia ładowania i 1C_TO maksymalnego czasu ładowania.
Status układu udostępniony jest w rejestrze STATUS (00h). Odczyt rejestru automatycznie kasuje flagi i stan wyjścia NFLT. Stany ostrzeżeń TSD/TOP_TO/VIN_UV/TH_OPEN nie są sygnalizowane na wyjściu NFLT.
Dostęp zapis/odczyt do rejestrów STATUS/CONFIG1...CONFIG5 jest możliwy dopiero po ustawieniu bitu D0=1, czyli flagi EN_CFG w rejestrze CONFIG_ENABLE (11h). Domyślnie, po restarcie, EN_CFG=0 i dostęp do rejestrów jest zablokowany.
Rysunek 4. Schemat montażowy ładowarki
Przepisanie zawartości CONFIG1...CONFIG5 do wewnętrznej pamięci EEPROM jest możliwy po ustawieniu bitu D0=1, czyli flagi EE_PROG w rejestrze EEPROM_CTRL (12h). Domyślnie zapis jes zablokowany: EE_PROG=0. Zapis możliwy jest tylko gdy ustawiona jest flaga EN_CFG. Symboliczny sposób konfiguracji (Arduino/Energia) przedstawia lisitng 1.
Urządzenie zmontowano na niewielkiej, dwustronnej płytce drukowanej. Rozmieszczenie elementów pokazano na rysunku 4. Montaż nie wymaga opisu. Istotne jest prawidłowe przylutowania pada termicznego U1. W przypadku pracy z prądami ładowania przekraczającymi 800 mA, należy do U1 dokleić niewielki radiator BGA z blaszki miedzianej.
Ładowarka nie wymaga uruchamiania, należy tylko skonfigurować parametry ładowania za pomocą zewnętrznego procesora np. Arduino, Launchpad, STM32 itp. ZMDI udostępnia także oprogramowanie konfiguracyjne, które wraz z kablem USB/I2C ułatwia konfigurowanie układów. Warto po zaprogramowaniu sprawdzić prąd ładowania i napięcie końcowe na kondensatorach.
Adam Tatuś, EP
