Zasilacz buforowy z superkondensatorami dla Raspberry Pi

Zasilacz buforowy z superkondensatorami dla Raspberry Pi
Pobierz PDF Download icon

W wielu aplikacjach zachodzi konieczność bezpiecznego wyłączenia Raspberry Pi podczas niespodziewanych przerw w zasilaniu. Aby prawidłowo zamknąć system, bez ryzyka uszkodzenia systemu plików lub samej karty SD konieczne jest kilkunastosekundowe podtrzymanie zasilania. Jako magazyn energii dla podtrzymania zasilania idealnie nadają się superkondensatory EDLC współpracujące ze specjalizowanym kontrolerem zasilania.

Podstawowe parametry:
  • czas potrzymania dla RPi przy odtwarzaniu filmu HD wynosi ok. 45 s,
  • zasilanie 5 V, 3 A,
  • wyjście 5 V, 2 A,
  • energia gromadzona w dwóch superkondensatorach 22 F/2,7 V,
  • możliwość zwiększenia pojemności do 4×33 F i wydłużenia czasu podtrzymania.

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 szczególowego 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

 

Wykaz elementów: Płytka DSP_FPP
Rezystory: (SMD 0805)
  • R1: 115 kΩ
  • R2: 39 kΩ
  • R3: 6,2 kΩ
  • R4: 1 kΩ
  • R5: 10 mΩ 0,5 W
  • R6: 1,34 MΩ
  • R7: 255 kΩ
  • R8: 1,05 MΩ
  • R9: 200 kΩ
  • R10, R11, R12, R13: 220 Ω
  • R14, R15, R16, R17: 10 kΩ
Kondensatory:
  • C1: 0,1 μF 50V SMD1206
  • C2, C5: 0,1 μF SMD0805
  • C3: 2,2 μF SMD0805
  • C4: 1 nF SMD0805
  • C6, C7: 10 μF SMD0805
  • CE1: 100 μF/50 V Low ESR
  • CE2, CE3: 100 μF/10 V Low ESR
  • SC1, SC2: 22 F/2,7 V superkondensator DRL22/2.7V
  • SC3, SC4, SC5, SC6: 22 F/2,7 V – opcjonalnie
Półprzewodniki:
  • Q1, Q2: SIS488DN
  • U1: LTC4041EUFD
Inne:
  • L1: 2,2 μH dławik HPI0640-2R2
  • PWR, V50: DG381-3.5-2
  • USB: złącze micro USB
  • GPIO: złącze IDC żeńskie 40 pin 2,54 mm
  • IO: złącze JST B5B PHKS – opcjonalnie
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
styczeń 2020
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje czerwiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów