КАК СОЗДАТЬ ПРОТОТИП ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ТИПА POWER BANK БЕЗ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ АППАРАТУРНЫХ ЗАТРАТ

ВОПРОС:
Можно создать прототип зарядного устройства для аккумуляторного источника питания типа Power Bank без использования дополнительных аппарат- ных затрат?
ОТВЕТ:
Краткий ответ на этот вопрос – да. В настоящей статье эта проблема рассмотрена подробно.
В идеальном случае любой проект зарядного устройства для аккумуляторного источника питания должен начинаться с анализа подхода к его построению, который включает тестирование уже существующих оценочных плат, т.е. используются уже существующие оценочные платы и расширяются их возможности с целью создания работающего прототипа. Учитывая то, что оценка возможностей конкретного решения должна осуществляться за непродолжительный промежуток времени, целесообразно на этом этапе исключить перепроектирование печатных плат и ограничить использование дополнительных компонентов.
Чтобы ответить на поставленный в начале статьи вопрос, необходимо выбрать прототип высокого качества, чтобы обосновать возможность такого подхода. Для обоснования выбранного подхода использовано существующее аппаратное приложение для зарядки аккумуляторного источника питания типа Power Bank. Зарядное устройство для внешних аккумуляторов – достаточно распространенное приложение, с которым имеют дело разработчики и пользователи электронной аппаратуры. Например, многие туристы берут его с собой, чтобы их телефон оставался заряженным на протяжении всего путешествия.
В условиях длительных блэкаутов такие зарядные устройства используются и в стационарных условиях. Источник питания Power Bank – это, по сути, аккумулятор (его емкость зависит от цены и требуемого диапазона напряжений) с одним или несколькими портами USB-A для питания внешних устройств, а также входным портом USB-C для его зарядки. К требованиям к зарядному устройству можно добавить возможность его использования для беспроводной зарядки или возможность его работы от солнечной батареи.
В статье рассматривается возможность зарядки аккумуляторного источника питания Power Bank от солнечной батареи или от источника постоянного тока напряжением 5 или 12 В.
В рассмотренном примере зарядное устройство может работать от солнечной батареи или от сети переменного тока с преобразователем переменного напряжения в постоянное. Поэтому зарядное устройство должно включать интеллектуальный узел для выбора приоритета, который, во-первых, выбирает доступный первичный источник питания, а если доступны оба, то этот узел задает приоритет для того или иного первичного источника.

Достаточно простое решение для построения такого узла может быть выполнено на основе нескольких диодов, однако такое решение неэффективно, т.к. связано с большими потерями из-за существенного падения напряжения на диодах (не менее 0.6 В). К тому же такое решение не позволяет выбирать требуемый первичный источник по заданному приоритету.
Для решения этой проблемы предлагается использовать контроллер LTC4416 (рис. 1) для управления мощными полевыми транзисторами типа PFET, которые гораздо эффективнее обычных диодов. Кроме того, данный контроллер позволяет задавать приоритет для выбора первичного источника питания. В рассматриваемом приложении приоритет всегда будет отдаваться сетевому источнику питания в случае его доступности. Предлагаемое зарядное устройство на основе контроллера LTC4416 обладает большой гибкостью и имеет несколько режимов работы, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1. Режимы работы зарядного устройства на основе контроллера LTC4416

Для построения основного узла зарядного устройства выбрана ИМС LTC4162-L (рис. 2) из-за широкого диапазона входного напряжения (до 35 В) и тока заряда до 3.2 А. Кроме того, эта ИМС включает встроенные полевые транзисторы, что приводит к экономии размеров печатной платы. Эта ИМС представляет собой полнофункциональное зарядное устройство, которое обладает большой гибкостью применения, поскольку может поставляться с ионлитиевой батареей. ИМС имеет интерфейс I2C, позволяющий передавать на расстояние необходимую пользователю информацию.

Рис. 1. Схема включения контроллера LTC4416

Рис. 2. Схема включения контроллера LTC4162-L

Еще одна полезная функция этой ИМС – отслеживание точки максимальной мощности MPPT, что важно при питании от солнечной батареи. Отметим, что для использования режима MPPT в ИМС имеется встроенный DC/DC-преобразователь, который согласует параметры энергии между солнечной и аккумуляторной батареями.
Оценочная плата CN0509 (рис. 3) выбрана для формирования зарядного напряжения через порт USB. Плата разработана компанией Analog Devices как зарядное устройство с двумя USB-разъемами и имеет широкий диапазон входных напряжений. Основное назначение платы – использование в чрезвычайных ситуациях, таких как стихийные бедствия или длительное отключение электроэнергии. Плата CN0509 может питаться от автомобильного аккумулятора для формирования напряжения заряда 5 В по двум портам, которые в целях безопасности изолированы от первичного источника напряжения.
Существует целый ряд альтернативных источников электроэнергии – от отдельных батарей до двигателей, которые могут работать как генераторы. Плата CN0509 имеет широкий диапазон входных напряжений и может работать от первичного источника питания в диапазоне напряжений от 5 до 100 В. Все это делает ее идеальным устройством для зарядки аккумуляторного источника питания типа Power Bank.
Следует отменить, что плата CN0509 имеет защиту от ошибочного подключения первичного источника питания, а изолированный обратноходовой преобразователь используется для изоляции выходов зарядного устройства от первичного источника, что особенно важно, если в качестве первичного источника питания используется, например, резервный источник телефонной связи напряжением 48 В. При отсутствии такой изоляции телефон может зарядиться до напряжения 48 В, что недопустимо для эксплуатации аппаратуры такого назначения.

Рис. 3. Схема оценочной платы CN0509

Еще одним преимуществом этой платы являются малые габариты. На плате CN0509 имеется два USB-порта: один — стандартный, а другой порт содержит контроллер, используемый для контроля напряжения линии передачи данных при быстрой зарядке напряжением 5 В с максимальным током заряда 2 А. Обеспечение такого зарядного тока зависит от величины первичного напряжения. Напряжение 12 В является оптимальным, как следует из графика производительности, приведенного на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость тока нагрузки платы CN0509 от
величины входного напряжения

В качестве первичного источника питания выбран преобразователь переменного тока в постоянный напряжением 12 В и мощностью 60 Вт (рис. 5). Он обеспечивает необходимый входной ток для оценочной платы с контроллером LTC4416. Кроме того, к входу этой платы подключена солнечная батарея невысокой мощности, как альтернативный источник первичного напряжения питания.

Рис. 5. Структурная схема зарядного устройства для аккумуляторного источника питания типа Power Bank

Для проведения тестирования выбран перезаряжаемый литий-ионный аккумуляторный блок с двумя ячейками, генерирующий номинальное напряжение 7,4 В и имеющий емкость 2600 мАч.
Зарядное устройство на базе уже имеющихся оценочных плат (рис. 6) не требует доработки и модификаций, кроме некоторых настроек пороговых напряжений контроллера LTC4416 для обеспечения требуемого приоритета первичного источника напряжения.

Рис. 6. Схема прототипа зарядного устройства для аккумуляторного источника питания типа Power Bank на базе ранее разработанных оценочных плат для отдельных функциональных узлов

При тестировании этого зарядного устройства, рис. 7, установлено, что все заложенные в устройство функции выполнялись в соответствии с требованиями. Ток заряда через порт USB ограничен возможностями LTC4162 и составляет не более 3,2 А. Если первичный источник отключается, полевой транзистор в тракте питания на оценочной плате LTC4162 обеспечивает перенаправление энергии батареи на выходной порт и, следовательно, поддерживает питание портов CN0509 и USB.

Рис. 7. Внешний вид зарядного устройства для аккумуляторного источника питания типа Power Bank на базе оценочных плат для отдельных функциональных узлов

Доступный зарядный ток в этом режиме падает в соответствии с графиком на рис. 4, поскольку источником входного сигнала для CN0509 теперь является напряжение батареи, номинальное значение которого составляет 7,4 В.
После того, как зарядное устройство проверено и установлено, что его параметры полностью удовлетворяют требованиям, следующим шагом является разработка законченного изделия. Это значит, что вместо нескольких оценочных плат следует разработать и изготовить одну плату, установив на нее необходимые электронные компоненты. Таким образом, плата CN0509, как показало тестирование, является идеальным прототипом для нового зарядного устройства.

ВЫВОДЫ
В статье на примере прототипа зарядного устройства для аккумуляторного источника питания типа Power Bank показано, как с помощью уже имеющихся оценочных плат сложных контроллеров и других электронных компонентов можно достаточно быстро изготовить прототип нового изделия, протестировать его, после чего приступить к проектированию конкретного изделия. Такой подход позволяет сократить время на проектирование, отработать прикладное программное обеспечение и получить законченное изделие с оптимальными параметрами.