Mini zasilacz buforowy 5V

Schemat zasilacza buforowego pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat ideowy zasilacza buforowego

Moduł składa się z trzech bloków funkcjonalnych:

• przełącznika źródeł zasilania opartego na układzie U1 typu LM66200,
• przetwornicy obniżająco-podwyższającej o ustalonym napięciu wyjściowym 5 V – U2 typu TPS63061,
• ładowarki akumulatora litowego – U3 typu MCP73832.

Napięcie wejściowe 5 V z gniazda VIN – po wstępnej filtracji przez pojemności CE1 i C1 – doprowadzone zostaje do układu przełącznika źródeł zasilania U1. Budowę wewnętrzną układu LM66200 zaprezentowano na rysunku 2.

Rysunek 2. Struktura wewnętrzna LM66200 (za notą TI)

Układ składa się z dwóch kontrolerów diody idealnej z ustalonym priorytetem działania. Na wyjście Vout przekazywane jest wyższe z napięć Vin1/2. W przypadku obecności napięcia zasilania na wejściu VIN1 (w przypadku opisywanego układu jest ono tożsame z potencjałem V50I) o prawidłowej wartości jest ono przekazywane na wyjście VOUT (V50U). Jeżeli wartość V50I będzie mniejsza od napięcia na wejściu VIN2 (czyli od napięcia akumulatora VBAT), wejście VIN1 zostanie odłączone, a na wyjście VOUT przekazane zostanie napięcie akumulatora z VIN2 (VBAT). Dzięki kluczowaniu napięć przy użyciu tranzystorów MOSFET spadek napięcia w kierunku przewodzenia jest nieporównywalnie niższy niż przy zastosowaniu typowych diod, co minimalizuje straty. Dodatkowo źródła zasilania zabezpieczone są przed przepływem wstecznym.

Układ U1 jest wyposażony w wejście sterujące ON, które w układzie pozostaje połączone bezpośrednio z masą, co na stałe aktywuje U1. Wyjście ST (PWR) typu otwarty dren sygnalizuje natomiast aktywne źródło zasilania: stan niski wskazuje na zasilanie z akumulatora, stan wysoki – zasilanie z wejścia VIN. Napięcie wyjściowe z LM66200 doprowadzone zostało do przetwornicy obniżająco-podwyższającej typu TPS63061 o ustalonym na 5 V napięciu wyjściowym, którego obecność wskazywana jest przez diodę LD1. Napięcie z wyjścia przetwornicy U2 podłączono do złącza VOUT. Stan niski sygnału PG5 (wyjście typu OD) informuje o problemach z utrzymaniem znamionowej wartości napięcia wyjściowego przetwornicy. Do obsługi akumulatora litowego zastosowano popularną ładowarkę MCP73832 o prądzie ładowania ustalanym przez R8 zgodnie z zależnością Ichg= 1000/R8. W modelu jest to ok. 150 mA. Akumulator należy podłączyć do złącza VBAT. Status ładowarki (CHG) dostępny jest na wyjściu STAT typu OD – stan niski sygnalizuje aktywne ładowanie. Model współpracuje z akumulatorem 18650 z wbudowanym PCM o pojemności ok. 1,8 Ah.

UWAGA: układ bezwzględnie wymaga stosowania akumulatora litowego z napięciem końcowym 4,2 V oraz wbudowanym układem zabezpieczenia PCM/BMS. Zabronione jest używanie akumulatorów/cel bez układu zabezpieczającego. Podczas pracy należy stosować ogólne zasady bezpieczeństwa zalecane dla ogniw litowych.

Na złącze UPS wyprowadzone są napięcia zasilania (wejściowe i wyjściowe) oraz sygnały monitorowania. W zależności od potrzeb można używać tylko złącza UPS (jeśli układ zasilany będzie miał możliwość korzystania z sygnałów PWR, PG5, CHG). Jeżeli nie używamy sygnałów kontrolnych, wygodniej jest skorzystać ze złączy śrubowych VIN/VOUT. Zmierzona sprawność układu w normalnych warunkach (Iobc=50...500 mA) przekracza 80%.

Układ zmontowany jest na dwustronnej płytce drukowanej, rozmieszczenie elementów pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. Rozmieszczenie elementów

Montaż układu nie wymaga dokładnego opisu, należy zadbać jednak o poprawne przylutowanie padów termicznych i o dokładne umycie płytki po lutowaniu. Prawidłowo zmontowany moduł zaprezentowano na fotografii tytułowej.

Pierwsze uruchomienie warto przeprowadzić z użyciem regulowanego zasilacza laboratoryjnego z ograniczeniem prądowym 0...6 V/1,5 A. Do wyjścia VOUT należy podłączyć sztuczne obciążenie z ustawionym poborem na 500 mA. Przy wyłączonym obciążeniu i po podaniu napięcia zasilania należy sprawdzić napięcie ładowania akumulatora 4,2 V na złączu BAT oraz napięcie wyjściowe 5 V na wyjściu VOUT. Przy zmianie napięcia zasilania w zakresie 4,5...5,5 V oba napięcia powinny być stabilne, zarówno bez obciążenia podłączonego do wyjścia VOUT, jak i pod obciążeniem. Następnie do złącza VBAT podłączamy (poprzez amperomierz) akumulator i sprawdzamy prąd ładowania, który powinien wynosić ok. 150 mA. Po naładowaniu akumulatora odłączamy napięcie zasilania oraz sprawdzamy poprawność utrzymywania napięcia wyjściowego przy zasilaniu z akumulatora – w warunkach bez obciążenia i pod obciążeniem.

Podczas kolejnych etapów warto kontrolować stany sygnałów monitorujących, pamiętając o podciągnięciu wyjść typu OD. Jeżeli wszystko działa poprawnie, układ można zastosować we własnej aplikacji.

Należy pamiętać, że układ przeznaczony jest do pracy ciągłej, w związku z czym nie ma wyłącznika zasilania i akumulatora. Przy podłączonym akumulatorze oraz braku napięcia zasilającego automatycznie uruchomiana jest przetwornica podwyższająca. Po powrocie zasilania konieczne będzie odczekanie czasu niezbędnego do pełnego naładowania akumulatora. W przypadku planowanych przerw w eksploatacji należy trwale odłączyć akumulator.

Adam Tatuś, EP