Miniaturowy zasilacz buforowy z diodą "idealną"

Miniaturowy zasilacz buforowy z diodą "idealną"
Pobierz PDF Download icon
Bez zasilania ani rusz. Obojętnie, jakie urządzenie budujemy, to jest faktem, że "ożywa" ono pod wpływem uporządkowanego ruchu elektronów, który nazywamy prądem elektrycznym. Prezentowany w artykule, niewielki zasilacz buforowy 5 V/500 mA, z wbudowanym zestawem baterii 3×AA, zapewni bezprzerwowe zasilanie wszędzie tam, gdzie jest ono potrzebne.

Rysunek 1. Schemat ideowy miniaturowego zasilacza buforowego

Miniaturowy zasilacz buforowy, którego schemat pokazano na rysunku 1, jest zbudowany z dwóch bloków funkcjonalnych: układu scalonego U1 (LTC4411), który jest "idealną" diodą wchodzącą w skład diodowego klucza zasilania - zasilacz zewnętrzny/bateria, oraz układu U2 (TPS63061) pełniącego funkcję przetwornicy obniżająco-podwyższającej z wbudowanymi układami zabezpieczeń. Źródłem energii w trybie buforowym jest bateria trzech ogniw AA.

Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczenia sprawności

Układ jest zasilany z typowego zasilacza wtyczkowego 5 V/1 A poprzez gniazdo micro USB (PWRIN). Napięcie wejściowe jest filtrowane za pomocą kondensatorów i poprzez diodę Schottky o obniżonym spadku napięcia (maksymalnie 0,43 V/2 A) doprowadzone do układu U2 - przetwornicy obniżająco-podwyższającej o ustalonym na 5 V napięciu wyjściowym.

Zastosowanie przetwornicy, oprócz oczywistego podnoszenia napięcia z baterii, dodatkowo stabilizuje napięcie z PWRIN w przypadku współpracy z niskiej jakości zasilaczem zewnętrznym. W zakresie 5 V±10% napięcie wyjściowe jest utrzymywane z dokładnością lepszą niż 2% przy zmianach obciążenia 0...500 mA (prąd szczytowy 800 mA).

Rysunek 2. Schemat blokowy układu LTC4411

Układ U2 ma w strukturze obwód detekcji napięcia wejściowego automatycznie przełączający tryb pracy przetwornicy z podwyższającej na obniżającą. Obwód PSM (Power Save Mode) zwiększa sprawność przetwornicy przy niewielkim prądzie obciążenia.

Moduł soft-start oraz układ ograniczania prądu klucza (2,25 A) umożliwiają stosowanie dławików o niewielkich gabarytach. Ze względu na dławik, średni pobór prądu z przetwornicy nie powinien przekraczać 500 mA - szczytowo 800 mA.

Wyłącznikiem PWR możemy deaktywować układ U2, co skutkuje wyłączeniem przetwornicy i całkowitym odłączeniem obciążenia od źródeł zasilania. Układ ma blokadę pracy, gdy napięcie wejściowe spadnie poniżej 2,5 V. Napięcie wyjściowe 5 V jest doprowadzone do gniazda USB A (PWROUT), jak w typowym banku energii.

Rysunek 3. Porównanie spadków Vfd dla LTC4411 i diody 1N5819

Ułatwia to wykorzystanie zastosowanie kabli USB micro/USB A. Złącza PWRIN/PWROUT mają doprowadzone także sygnały danych, co umożliwia realizację transmisji np. podczas zasilania układu z PC. Diody świecące LD1 l LD2 sygnalizują obecność zasilania i napięcia wyjściowego.

Jako diodę usprawniającą D1 zastosowano nowoczesną diodę Schottky o obniżonym spadku napięcia w kierunku przewodzenia - 0,43 V przy prądzie przewodzenia 2 A. Z takim spadkiem i dodatkowymi stratami możemy ostatecznie pogodzić się w przypadku pracy z zasilaniem sieciowym.

Jednak te o 0,43 V mniej z zestawu baterii dającego 4,5 V to za dużo, szczególnie jeśli zależy nam na wykorzystaniu ogniw aż do "ostatniego elektronu". Dużo lepiej w takich warunkach pracy sprawują się tranzystory MOSFET, szczególnie gdy razem z obwodem detekcji napięcia, kluczowania i zabezpieczeniami, znajdą się w jednym niewielkim układzie scalonym. Takim układem jest LTC4411 - "dioda idealna" firmy Linear Technology, znanej z rozwiązań "eleganckich techniczne". Schemat blokowy układu LTC4411 pokazano na rysunku 2.

Wbudowany klucz może przełączać prąd do 2,8 A, ma ograniczenie prądowe, zabezpieczenie termiczne. Charakteryzuje się małą rezystancję przewodzenia 0,14 Ω, a w związku z tym niewielkim spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia. Porównanie spadku napięcia układu LTC4411 i popularnej diody Schottky 1N5819 zamieszczono na rysunku 3.

Rysunek 4. Schemat montażowy miniaturowego zasilacza buforowego

Zmniejszenie spadku napięcie na kluczu w przypadku z zasilaniem bateryjnym, pozwala na podwyższenie sprawności zasilacza i przedłużenie czasu pracy baterii. Różnica w cenie pomiędzy diodą Schottku a układem LTC4411 zwraca się po kilkunastu kompletach ogniw.

Jeżeli nie zależy nam na wyższej sprawności, na płytce przewidziana także miejsce dla diody D2, jako uzupełnienie klucza. W tym wypadku układu U1 można nie montować. Dioda może pozostać wlutowana równolegle do U1. Nie jest wtedy aktywne wbudowane ograniczenie prądu (~2,8 A), ale nieco jest ograniczana moc strat w U1 przy napięciach baterii poniżej 3 V.

Schemat montażowy zasilacza pokazano na rysunku 4. Zmontowano go na dwustronnej płytce drukowanej. Montaż nie wymaga opisu, należy tylko poprawnie przylutować pad termiczny.

Rysunek 5. Porównanie sprawności kluczy zasilania

Dla sprawdzenia zasadności zastosowania LTC4411 wykonano pomiary porównawcze przy maksymalnym obciążeniu przetwornicy 10 Ω (Uwy=5 V/2,5 W). Pomiar polegał na kolejnym przełączaniu zasilania pomiędzy wejście PWRIN, a "+" baterii, dzięki czemu można było określić różnice w spadkach napięć kluczy w tych samych warunkach pracy. Otrzymane wyniki i obliczenia sprawności umieszczono w tabeli 1 oraz zaprezentowano graficznie na rysunku 5.

Jak widać, wpływ klucza na sprawność przetwornicy jest znaczący i w niekorzystnych warunkach (niskie Uwe) przekracza 10%. Przemawia to za stosowaniem specjalizowanych układów kluczowania, gdy zależy nam na najwyższej możliwej sprawności, w miejsce typowej diody usprawniającej Schottky.

Na koniec jedna uwaga odnośnie do eksploatacji. Zasilacz jest przeznaczony do współpracy tylko z bateriami 3×AA. Nie ma zabezpieczenia przed nadmiernym rozładowaniem ogniw i jeśli zamiast typowych "paluszków" użyjemy akumulatorów NiMH, to możemy doprowadzić do ich uszkodzenia przez nadmierne rozładowanie.

Adam Tatuś, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
czerwiec 2016
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Materiały dodatkowe
Zobacz też
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