Zasilacz buforowy z superkondensatorami do Raspberry Pi

Prezentujemy zasilacz buforowy w formie nakładki HAT dla Raspberry Pi Plus, gromadzący energię w dwóch superkondensatorach 22 F/2,7 V. Zapewniają one podtrzymanie zasilania na czas kilku...kilkunastu sekund w zależności od obciążenia. Układ można zastosować do zasilania dowolnego innego odbiornika zasilanego napięciem 5 V i pobierającego prąd do 2 A. Bateria superkondensatorów może zostać rozbudowana do pojemności 4×33 F.

Budowa i działanie

Zasilacz buforowy jest typową aplikacją specjalizowanego układu LTC4041 (Analog Devices), której schemat pokazano na rysunku 1. Strukturę wewnętrzną układu LTC4041 pokazano na rysunku 2. W wersji rev.0 noty niestety błędnie opisane są niektóre wyprowadzenia, poprawne oznaczenia i numeracja zamieszczone są na schemacie i rysunku obudowy LTC4041 w karcie katalogowej. Dzięki zastosowaniu specjalizowanego układu, aplikacja zawiera niewiele elementów zewnętrznych ograniczających się do dzielników rezystorowych układów monitorowania napięć oraz kluczy wykonawczych przetwornicy DC/DC. Układ LTC4041 posiada wszystkie niezbędne zabezpieczenia wymagane dla bezpiecznej eksploatacji superkondensatorów, łącznie z komparatorami i balanserem.

Rysunek 1. Schemat ideowy zasilacza buforowego

Rysunek 2. Struktura wewnętrzna LTC4041 (za notą Analog Devices)

Napięcie wejściowe o parametrach 5 V, 3 A poprzez gniazdo USB lub PWR po wstępnej filtracji przez CE1, doprowadzone jest do dzielnika R1, R2 układu wykrywania zaniku zasilania ULVO (U1–19). W modelu wartość Ulvo ustalona jest ona na 4,7 V, według wzoru:

Ulvo=1,19·(1+(R1/R2)),

Jeżeli napięcie na wyprowadzeniu PFI jest wyższe niż wewnętrzny próg 1,19 V, wbudowana przetwornica konfigurowana jest w tryb obniżający i pracuje w funkcji ładowarki superkondensatorów. Jednocześnie tranzystor Q2 przekazuje napięcie zasilające na zaciski złącza V50. Układ monitorowania napięcia wejściowego ustawia wyjście PFO (OD) w stan wysoki. Gdy napięcie wejściowe spadnie poniżej 1,19 V, na wyjściu PFO jest ustawiany stan niski i układ przechodzi do trybu podtrzymania zasilania, konfigurując przetwornicę w tryb podwyższający i zasila się energią zgromadzoną w superkondensatorach. Napięcie wyjściowe w trybie podtrzymania ustalone jest dzielnikiem R8, R9 podłączonym do wyprowadzenia BSTFB, w modelu wynosi 5,0 V:

Vsys=0,8·(1+(R8/R9),

Informację o poprawnej wartości napięcia wyjściowego możemy odczytać w wyjścia SYSGD (U1–11), w modelu zrezygnowano z dodatkowego dzielnika dla wyprowadzenia RSTFB, wykorzystując dzielnik ustalający napięcie wyjściowe Vsys, w tym przypadku próg wynosi ok. 4,6 V tj. 7,5% poniżej Vsys.

Dodatkowym zabezpieczeniem realizowanym przez LTC4041 jest ochrona zasilanego układu przed przekroczeniem napięcia zasilania OVP. Rezystor R3 informuje układ o wartości napięcia zasilania i jeżeli przekroczy ono 6 V, wewnętrzny komparator odetnie tranzystor Q1, odłączając zasilanie przekraczające wartość bezpieczną.

Kondensator C4 podłączony do wyprowadzenie CPF określa minimalny czas podtrzymania zasilania, czyli pracy układu w trybie przetwornicy podwyższającej zapobiegający zbyt częstemu przełączaniu trybów przetwornicy. Rekomendowany czas to 1...500 ms. Zbyt krótki może spowodować oscylacje przy przełączaniu trybów, wartość kondensatora obliczana jest z poniższego wzoru, w modelu czas ustalono na 2,2 ms.

tmin (ms)=2,2·C4 (nF)

Ładowarka kondensatorów pracuje w trybie CC/CV. Podczas ładowania kondensatorów SC1, SC2 (SC4...6), układ kontrolując prąd, dąży do utrzymania na nich napięcia ustalonego dzielnikiem R6, R7. Napięcie z dzielnika doprowadzone jest do wyprowadzenia CAPFB (U1–12). W modelu napięcie ładowania Vscap ustalone jest na 5,00 V:

Vscap=0,8·(1+(R6/R7))

Jest to bezpieczna wartość, zapewniająca niezbędny margines dla kondensatorów o napięciu pracy 2,7 V. W przypadku doboru napięcia ładowania warto zachować niewielki margines zasilania dla zapewnienia poprawnej pracy układu. Polecam zasilanie z ładowarek lub zasilaczy o nieco wyższym napięciu wyjściowym 5,1...5,5 V/3 A lub ustawienie zbliżonej wartości w przypadku zasilaczy z korygowanym napięciem wyjściowym. Nie polecam zasilania układu ze źródeł o podejrzanej jakości, gdyż układ nie wykorzysta w 100% pojemności kondensatorów, ładując je do niższego napięcia.

Stan wyprowadzenia CAPSEL (U1–14), informuje LTC4041 o konfiguracji kondensatorów. W przypadku zwarcia do masy, układ współpracuje z jednym superkondensatorem, wbudowany balanser jest nieaktywny. Gdy wyprowadzenie CAPSEL podłączone jest do napięcia większego od 1,2 V, LTC4041 aktywuje balanser i jest skonfigurowany do ładowania dwóch szeregowo połączonych superkondensatorów. Układ balansera mierzy napięcie poprzez wyprowadzenie BAL (U1–9), maksymalny prąd balansowania wynosi 50 mA przy napięciu Vscap 5 V. Układ zabezpieczenia sygnalizuje przekroczenie napięcia 2,7 V na kondensator w trybie ładowania lub odwrócenie polaryzacji o wartość większą od –20 mV w trybie rozładowania, ustawiając stan niski na wyjściu CAPFLT (U1–8) i wyłączając przetwornicę podwyższającą.

Obwód ładowania kondensatorów, wyposażony jest w układ kontroli prądu, zabezpieczający źródło zasilania przed przeciążeniem. W trakcie ładowania, prąd rozdzielany jest pomiędzy podłączone obciążenie, a ładowarkę. Obwód kontroli prądu mierzy napięcie na rezystorze R5, maksymalna wartość pobieranego przez układ prądu określana jest wzorem:

R5=25 mV/Isyslim

i w modelu ustalona jest na ok. 2,5 A. Prąd ładowania kondensatorów określa rezystor R4 podłączony do wyprowadzenia PROG (U1–2). W modelu maksymalny prąd ładowania wynosi 2 A, zgodnie z wzorem:

R4=2000/Ichg

Wbudowany komparator mierzy napięcie na kondensatorach i sygnalizuje na wyjściu CAPGD (U1-13) ich naładowanie do napięcia 92,5% Vcap, w modelu jest to ok. 4,6 V. Gdy napięcie Vscap osiągnie ustaloną wartość lub prąd spadnie do 12,5% prądu ładowania Ichg, układ wyłączy ładowarkę. LTC4041 posiada automatyczne wznowienia ładowania, gdy napięcie Vscap spadnie do 97,5% wartości ustalonej. Zapobiega to niepotrzebnemu przełączaniu trybów pracy układu.

Układ U1 zabezpieczony jest także przed przegrzaniem i po osiągnięciu temperatury 160°C wyłączy się, ponowne załączenie nastąpi po ochłodzeniu struktury do 145°C. Wszystkie sygnały statusowe dostępne są zarówno na złączu GPIO jak i na złączu IO. Gdy płytka współpracuje z innym SBC nie należy montować rezystorów R14...R17, a o podciąganie wyjść OD należy zadbać we współpracującym układzie.

Montaż i uruchomienie

Układ zmontowany jest na dwustronnej płytce drukowanej zgodnej z HAT (bez EEPROM-u konfiguracji) rozmieszczenie elementów pokazano na rysunku 3. Montaż układu nie wymaga szczegółowego opisu, należy tylko zadbać o poprawne przylutowanie padów termicznych i o umycie płytki po lutowaniu. Prawidłowo zmontowany moduł pokazano na fotografii tytułowej. Płytka umożliwia zastosowanie dwóch kondensatorów wlutowanych w pozycji leżącej SC1, SC2 dla zmniejszenia wysokości lub do dwóch par SC3, SC4 i SC5, SC6 wlutowanych na stojąco, gdy zależy nam na największej pojemności.

Rysunek 3. Rozmieszczenie elementów

Pierwsze uruchomienie warto przeprowadzić z pomocą regulowanego zasilacza laboratoryjnego z ograniczeniem prądowym (0...6 V/3 A) dla części mocy i 3,3 V/50 mA dla obwodów sygnalizacji. Do wyjścia najlepiej podłączyć sztuczne obciążenie z trybem stałego poboru mocy. Przy wyłączonym obciążeniu i podaniu napięcia zasilania należy sprawdzić prądy ładowania, napięcie końcowe ładowania oraz sygnalizację stanów. Po naładowaniu kondensatorów, należy wyłączyć zasilacz i sprawdzić pracę układu z obciążeniem 10 W, kontrolując sygnały statusu. Po rozładowaniu kondensatorów, nie odłączając obciążenia należy załączyć zasilanie i sprawdzić rozkład prądów i ograniczenie pobieranego prądu. W razie konieczności można skorygować wartości rezystorów.

Podczas pracy z Raspberry Pi, przy kondensatorach SC1, SC2 o pojemności 22 F czas potrzymania przy odtwarzaniu filmu HD wynosi ok. 45 s. (aplikacja kiosku informacyjnego), co zapewnia, z dużym zapasem, czas konieczny na bezpieczne wyłączenie systemu. Realny czas ładowania kondensatorów zależy od obciążenia i mieści się w kilku minutach.

Uwaga: podczas użytkowania modułu należy zachować odpowiednie warunki eksploatacji: zabezpieczyć superkondensatory przed uszkodzeniem mechanicznym oraz zwarciem zacisków. Nieprzestrzeganie warunków bezpiecznej eksploatacji może spowodować eksplozję kondensatorów oraz zagrożenie dla zdrowia użytkownika.

Adam Tatuś, EP