PWR_SolarCAP. Power bank zasilany przez słońce

Opisywany "bank mocy" pozyskuje energię z ogniwa słonecznego o napięciu znamionowym 5 V i mocy 0.6...5 W. Jest przy tym stosowany algorytm śledzenia punktu mocy maksymalnej (MPPT). Składa się z dwóch bloków funkcjonalnych - ładowarki oraz magazynu energii.

Energia jest gromadzona w baterii czterech kondensatorów o pojemności 22 F każdy. Dzięki ich zastosowaniu jest możliwa (porównaniu do z akumulatorem LiPo) praktycznie nieograniczona praca cykliczna (ładowanie/rozładowanie) urządzenia bez wpływu na trwałość elementu magazynującego, a dzięki sporej pojemności jest możliwy też chwilowy pobór prądu na poziomie kilkuset mA.

Rysunek 1. Schemat ideowy ładowarki

Rysunek 2. Struktura wewnętrzna ZSPM4523 (za notą ZMDI)

Schemat ideowy ładowarki baterii kondensatorów pokazano na rysunku 1. Wykonano ją w oparciu o specjalizowany kontroler ładowania ZSPM4523 firmy ZMDI, którego schemat blokowy przedstawiono na rysunku 2.

Układ zawiera wszystkie elementy niezbędne zarówno dla pozyskiwania energii z ogniwa słonecznego, jak i ładowania kondensatora.

Układ ładowania zapewnia możliwość konfiguracji napięcia, prądu ładowania a, dzięki wykorzystaniu przetwornicy impulsowej zamiast typowego zasilacza liniowego (jak np. w LTC4425) charakteryzuje się wysoką sprawnością.

Układ ZSPM4523 oczywiście ma wbudowane zabezpieczenia zapewniające prawidłowy proces ładowania: zabezpieczenie przed zwarciem z ograniczeniem prądowym, układ zabezpieczenia przed przegrzaniem i zbyt wysokim napięciem wejściowym.

Rysunek 3. Sposób zapisu rejestrów

Rysunek 4. Mapa rejestrów ZSPM4532

Dostępne jest wyjście sprzętowe NFLT służące do sygnalizacji awarii. Układ jest wyposażony w interfejs I²C umożliwiający konfigurowanie i monitorowanie parametrów procesu ładowania. Są one przechowywane w pamięci EEPROM i po jednorazowej konfiguracji możliwa jest praca samodzielna bez nadzorującego procesora.

Aplikacja ZSPM4523 nie odbiega od zaprezentowanej w nocie. Napięcie z ogniwa słonecznego 5 V jest doprowadzone (po odfiltrowaniu przez C1) do wejścia IN układu U1. Po przekroczeniu progu 3.15 V zostaje aktywowana wewnętrzna przetwornica ładowania, która odpowiada za kontrolę prądu, końcowego napięcia kondensatora oraz śledzenie MPPT.

Rezystory R3 i R4 są bocznikiem pomiarowym prądu ładowania oraz ograniczenia prądowego. Napięcia z baterii kondensatorów, poprzez bezpiecznik polimerowy RF1, jest doprowadzone do wyjścia OUT i może zostać wykorzystane do zasilania odbiorników bezpośrednio lub za pomocą dołączonej przetwornicy (np. TPS63061, MCP1640), która pozwoli na zasilanie odbiorników napięciem 3,3 V, 5 V lub innym.

Wyjście wewnętrznego stabilizatora LDO jest filtrowane za pomocą kondensatora C3. Do wyjścia przetwornicy są dołączone kondensatory C4 i C5. Oprócz wyprowadzenia magistrali komunikacyjnej złącze I²C zawiera także sygnał awarii NFLT (typu OD) oraz wewnętrzne zasilanie 3,3 V/10 mA, umożliwiające np. zasilanie kontrolera sterującego. Rezystory R1 oraz R2 zasilają magistralę I²C i powinny być dołączone do napięcia zasilania układu sterującego (I²C-PIN3).

Rysunek 5. Rejestr CONFIG1 (02h) - napięcie końcowe ładowania

Rysunek 6. Rejestr CONFIG3 (04h) - maksymalny prąd ładowania

Do poprawnej pracy układu U1 jest konieczna jednorazowa konfiguracja parametrów ładowania. Układ jest dostępny na magistrali I²C pod adresem 48h. Sposób zapisu rejestrów pokazano na rysunku 3. Wykaz rejestrów przedstawia rysunek 4.

Rysunek 7. Rejestr STATUS (00h)

Konfiguracji wymaga napięcie końcowe ładowania w rejestrze CONFIG1 pod subadresem 02h zgodnie z rysunkiem 5. W modelu napięcie jest ustalone na 2,66 V, co odpowiada zapisowu 02h 18h. Kolejnym parametrem jest maksymalny prąd ładowania w rejestrze CONFIG3 pod subadresem 04h, zgodnie z rysunkiem 6.

W modelu prąd ustalono na 400 mA, co odpowiada zapisowu 04h 40h zgodnie z rysunkiem 6 i odpowiada współpracy z ogniwem 5 V/2 W. Status układu jest udostępniony w rejestrze STATUS (00h) pokazanym na rysunku 7.

Odczyt rejestru automatycznie kasuje flagi i stan wyjścia NFLT. Stany ostrzeżeń TSD/VIN_UV nie są sygnalizowane na wyjściu NFLT.

Rysunek 8. Schemat montażowy ładowark i

Listing 1. Symboliczny sposób konfi guracji układu przetwornicy

Dostęp zapis/odczyt do rejestrów STATUS/CONFIG1/3 jest możliwy dopiero po ustawieniu bitu D0=1, czyli flagi EN_CFG w rejestrze CONFIG_ENABLE (11h). Domyślnie po resecie EN_CFG=0 i dostęp do rejestrów jest zablokowany.

Przepisanie zawartości CONFIG1/3 do wewnętrznej pamięci EEPROM możliwy jest po ustawieniu bitu D0=1, czyli flagi EE_PROG w rejestrze EEPROM_CTRL (12h). Domyślnie zapis jes zablokowany: EE_PROG=0. Zapis możliwy jest tylko gdy ustawiona jest flaga EN_CFG. Symboliczny sposób konfiguracji (Arduino/ Energia) zamieszczono na listingu 1.

Schemat montażowy urządzenia pokazano na rysunku 8. Jego montaż jest typowy i nie wymaga opisu - istotne jest jedynie prawidłowe przylutowania pada termicznego U1. W Dla prądu ładowania przekraczającego 800 mA do układu U1 należy dokleić niewielki radiator BGA z blaszki miedzianej. W zależności od potrzeb jest możliwe zwiększenie pojemności banku CSx do 4×50 F.

Urządzenie nie wymaga uruchamiania, należy tylko skonfigurować parametry ładowania za pomocą zewnętrznego procesora np. Arduino, Launchpad, STM32 itp. Firma ZMDI udostępnia także oprogramowanie konfiguracyjne, które wraz z przejściówką USB/I²C ułatwia konfigurowanie układów. Warto po zaprogramowaniu sprawdzić prąd ładowania i napięcie końcowe na kondensatorach.

Na koniec życzę wielu słonecznych dni i kondensatorów pełnych ładunku!

Adam Tatuś, EP