Как создать прототип зарядного устройства для аккумуляторного источника питания типа Power Bank без дополнительных аппаратурных затрат

В статье рассматривается процесс разработки прототипа зарядного устройства для аккуму­ляторного источника питания типа Power Bank с использованием существующих оценочных плат, приведены рекомендации по модернизации таких устройств.

Д. Кери

ВОПРОС:

Можно создать прототип зарядного устройства для аккумуляторного источника питания типа Power Bank без использования дополнительных аппарат­ных 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

Рис. 1. Схема включения 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. 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.

Рис. 3. Схема оценочной платы CN0509

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.

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. Для про­ведения тестирования выбран перезаряжаемый ли тий-ионный аккумуляторный блок с двумя ячейка­ми, генерирующий номинальное напряжение 7,4 В и имеющий емкость 2600 мАч.

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

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.

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

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. 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.