Stabilizator step-up/step-down dla akumulatora Li-Ion

Tytułowy stabilizator wykonano w oparciu o układ MCP1252-33X50I/MS. Jest on łatwo dostępny, a jego cena oscyluje wokół niewygórowanej kwoty kilku złotych. Zawiera kompletną pompę ładunkową z kontrolerem stabilizującym napięcie wyjściowe oraz sygnalizującym osiągnięcie prawidłowej wartości napięcia wyjściowego. Schemat blokowy układu pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat blokowy zastosowanego układu MCP1252-33X50I/M (źródło: nota katalogowa firmy Microchip)

Maksymalny prąd wyjściowy wynosi 120 mA, co jest wystarczające w wielu zastosowaniach. Na wyjściu użytkownik może mieć wybierane zworką napięcie 3,3 V lub 5 V. Napięcie wejściowe może wynosić od 2 V do 5,5 V, ale nie w każdej sytuacji układ będzie działał poprawnie, o czym dalej. Częstotliwość kluczowania wynosi kilkaset (520…780) kHz. Brak elementów indukcyjnych, pracujących przy dużej częstotliwości, skutkuje znikomą emisją zaburzeń EMI.

Rysunek 2. Schemat ideowy stabilizatora

Schemat ideowy gotowej przetwornicy pokazano na rysunku 2. Prototyp wykonano na jednostronnej płytce drukowanej, której wymiary to zaledwie 13 mm×25 mm, a jej schemat montażowy zamieszczono na rysunku 3.

Rysunek 3. Schemat montażowy płytki stabilizatora

Zmontowany układ od strony elementów można zobaczyć na fotografii 4.

Fotografia 4. Zmontowany stabilizator od strony elementów.

Złącze J1 służy do podania zasilania (z akumulatora lub innego źródła) oraz odbioru ustabilizowanego już napięcia. Wykorzystanie dwóch pozostałych złącz jest opcjonalne. Na zaciskach złącza J2 panuje napięcie bliskie wyjściowemu, jeżeli owe napięcie wyjściowe przetwornicy ma prawidłową wartość (typ. powyżej 93% wartości nominalnej). W przeciwnym razie, potencjał wyprowadzenia PGOOD zostaje ściągnięty do masy. Zacisk SHDN w złączu J3 służy do uruchomienia przetwornicy. Jeżeli zostanie zwarty z napięciem wejściowym (VIN), przetwornica startuje. Po nadaniu mu niskiego stanu logicznego, układ przechodzi w stan spoczynku, pobierając przy tym ok. 100 nA. Można trwale zewrzeć wyprowadzenia tego złącza poprzez naniesienie kropli spoiwa lutowniczego na pola SJ2.

Wyboru napięcia wyjściowego dokonuje się poprzez ustawienie (3,3 V) lub wyzerowanie (5 V) wyprowadzenia SEL. Służy do tego pole lutownicze SJ1. W ten sposób, żądane napięcie wyjściowe zostaje ustalone na stałe i użytkownik nie musi się tym dalej przejmować. Zmontowany prototyp przetestowano w dwóch sytuacjach: bez obciążenia i przy obciążeniu prądem ok. 100 mA. Bez obciążenia, układ z ustawionym napięciem wyjściowym 3,3 V pracował poprawnie w całym zakresie napięcia, natomiast przy napięciu 5 V dopiero od napięcia 2,5 V. Ta cecha wynika z właściwości pompy ładunkowej, która co najwyżej podwaja napięcie zasilające.

Pod obciążeniem, przy napięciu wyjściowym 3,3 V była możliwa praca w całym dopuszczalnym zakresie napięcia zasilającego, jednak przy zadanym napięciu 5 V, napięcie wyjściowe stabilizowało się na żądanym poziomie dopiero przy 2,9 V na wejściu. Powodem podniesienia się dolnej granicy prawidłowej pracy są dodatkowe straty w elementach kluczujących.

Rysunek 5. Zależność sprawności od napięcia wejściowego (źródło: nota katalogowa firmy Microchip)

Podczas testów okazało się, że największa sprawność układu niekoniecznie wypada wtedy, kiedy napięcie zasilające jest bliskie wyjściowemu. Układ pracuje najlepiej przy napięciu znacznie niższym od zadanego lub niewiele od niego wyższym – rysunek 5. Różnice w uzyskanej sprawności są znaczące, bo nawet dwukrotne (!), dlatego warto mieć tę cechę na uwadze stosując ten układ w konkretnej aplikacji.

Michał Kurzela, EP