Rozšiřování bezdrátových senzorů podporujících tzv. internet věcí zvýšilo poptávku po malých měničích, které by svou účinností vyhověly potřebám nízkopříkonových zařízení. A přesně k tomuto účelu byly navrženy nové integrované obvody LTC3129 a LTC3129-1 (15V, 200mA Synchronous Buck-Boost DC/DC Converter with 1.3μA Quiescent Current) od společnosti Linear Technology. Jednat se bude o monolitické snižující – zvyšující DC/DC měniče (buck-boost) se vstupním napěťovým rozsahem 2,42 V až 15 V. Obvod LTC3129 pak vykáže rozsah výstupního napětí 1,4 V až 15,75 V, zatímco příbuzná struktura LTC3129-1 nabídne celkem osm pinově volitelných, pevných výstupních napětí mezi 1,8 V a 15 V. Obě součástky dodají ve snižujícím režimu proud o velikosti až 200 mA.
Nízkopříkonové systémy s čidly mohou těžit z nulového proudu obvodů LTC3129 a LTC3129-1 v případě jejich deaktivace (jak VIN tak též VOUT) a také klidového proudu (VIN) jen 1,3 μA, bude – li zvolen úsporný režim Burst Mode®. Do rukou se nám tak dostává praktické řešení pro tzv. μPower a další aplikace využívající sběru energie z okolního prostředí (Energy Harvesting, na HW.cz viz také článek LTC3105: Solární žně v praxi), kde při neobyčejně nízkém zatížení sehrává klíčovou roli právě vysoká míra účinnosti. Jejich snižující – zvyšující architektura kromě toho umožní připojení celé řady zdrojů energie.
Mezi další stěžejní vlastnosti obou obvodů, LTC3129 a také LTC3129-1, dále zahrneme např. pevný pracovní kmitočet 1,2 MHz, řízení v proudovém režimu, interní kompenzaci smyčky, automatický provoz v režimu Burst Mode či PWM mód s nízkou úrovní rušení, přesnou prahovou úroveň pinu RUN umožňující nadefinovat spínání podpěťového zámku UVLO, výstup Pover Good nebo též funkci pro provoz v bodě maximálního výkonu MPPC (Maximum Power Point Control) pro optimalizaci dodávaného výkonu v případě propojení s fotovoltaickými články. Osazení do prostorem stísněných aplikací zjednoduší kompaktní provedení pouzdra typu QFN o rozměrech jen 3 mm x 3 mm společně s vysokou mírou jeho integrace. K úspěšnému dokončení celého návrhu pak už budeme potřebovat jen něco málo vnějších součástek a indukčnost, která může měřit jen 2 mm x 3 mm (na HW serveru čtěte též Nejnovější tabulky pro výběr výkonových indukčností Taiyo Yuden). A jako pomyslnou „třešničku na dortu“ tu pak ještě máme vnitřní kompenzaci smyčky s cílem dále zjednodušit celý proces návrhu zdroje.
Malý solární článek, lampa a 3,3 V měnič
Jedinečnou schopnost obvodů LTC3129 a LTC3129 1 naběhnout a začít pracovat s výkonem vstupního zdroje jen 7,5 μW „zužitkujeme“ hned na obr. 1. Budeme tak schopni připojit skutečně malé (tj. menší než jeden čtvereční palec; postupující miniaturizaci pod taktovkou společnosti IXYS jsme se třeba věnovali v článku Role se obrátila aneb pouzdra SOIC, která sama napájí) a docela levné solární články, provozované při intenzitě vnitřního osvětlení pod 200 lux. Do hry tak třeba vstupují bezdrátové senzory napájené s využitím okolního světla uvnitř budov, kdy se od DC/DC měniče očekává podpora výkonů, které budou v průměru a díky použité střídě nebývale nízké, stejně malé jako dostupná energie z okolí, to vše při zachování nepatrné vlastní spotřeby, jak jen to okolnosti dovolí.
Obr. 1: Měnič s výstupním napětím 3,3 V, „poháněný“ solárním článkem, pracuje též uvnitř budov
Aby však bylo možné začít pracovat, a to i v případě nízkých proudů, odebírají integrované obvody LTC3129 a LTC3129-1 pouze 2 μA (během shutdownu ještě méně), dokud nebudou splněny následující tři podmínky:
SimpleLink Wi-Fi: na síti kdekoli, kdokoli i cokoli
STM32 Design Challenge: připojte je k síti a vyhrajte
- napětí na pinu RUN musí překročit 1,22 V (typ.),
- napětí na vývodu VIN musí být větší než 1,9 V (typ.) a konečně
- napětí VCC, které bude interně generováno z VIN, ale může být rovněž dodáváno externě, musí převýšit 2,25 V (typ.).
Pokud nejsou všechny tři předpoklady naplněny, zůstává součástka v „lehkém“ shutdownu nebo stavu standby a odebírá pouze 2 μA.
I poněkud slabší zdroje tak dokážou nabíjet vstupní kondenzátor, dokud nebude jeho napětí dost velké na to, aby vyhovělo trojici výše zmiňovaných podmínek. Za předpokladu, že vstupní kapacita uložila dostatečné množství energie, pak obvody LTC3129 / LTC3129-1 začínají spínat a regulovat VOUT. Vstupní napětí, při kterém součástka překročí úroveň podpěťového zámku UVLO, lze s využitím vnějšího odporového děliče na vývodu RUN nastavit kdekoli mezi 2,4 V až 15 V. Výhodný zde máme rovněž proud vývodem RUN, který typicky nedosáhne ani na 1 nA a my se tak můžeme poohlédnout po větších rezistorech s nimiž budeme dále minimalizovat proudový odběr vstupu (VIN).
V příkladu zapojení dle obr. 1 se energie uložená ve vstupním kondenzátoru CIN použije k dosažení regulovaného výstupu VOUT, jakmile měnič začne pracovat. Bude – li pak průměrný požadovaný výkon na výstupu VOUT menší než ten, dodávaný solárním článkem, setrvají obvody LTC3129 / LTC3129-1 v provozním režimu Burst Mode a výstup VOUT zůstává pod regulací. Překročí – li pak požadavek výstupu výkonové možnosti vstupu, jeho napětí VIN klesá dokud nedosáhne úrovně zámku UVLO, kdy měnič opětovně vstupuje do fáze soft-shutdownu. Vstupní část se nyní začíná nabíjet a celý cyklus se znovu opakuje. Při tomto provozním „škytání“ vykazuje VIN okolo bodu UVLO určitou hysterezi, se zvlněním VIN, které bude v tomto případě činit přibližně 290 mV. Toto zvlnění je nastaveno hysterezí 100 mV na vývodu RUN ve spojitosti s poměrem děliče UVLO.
Stojí za zmínku, že pokud nastavíme napětí UVLO měniče na úroveň napětí MPP (Maximum Power Point) pro daný solární článek – typicky mezi 70 až 80 % napětí naprázdno –, budeme panel pokaždé provozovat poblíž jeho napětí odpovídajícímu maximálnímu přenesenému výkonu, ledaže by byly požadavky zátěže v průměru nižší než výstupní výkon solárního článku, takže by se napětí VIN začalo zvyšovat a zůstávalo nad hladinou podpěťového zámku UVLO. K další optimalizaci účinnosti, a vyloučení zbytečného zatěžování VOUT, neodebírají obvody LTC3129 / LTC3129-1 z výstupu VOUT během měkkého startu, nebo kdykoli v případě zvoleného režimu Burst Mode, žádný proud. Během soft startu tak předcházíme vybíjení výstupní části a udržujeme tím náboj na její kapacitě. Bude – li obvod LTC3129 ve spánkovém módu, neodtéká ve skutečnosti z VOUT proud žádný. V případě verze LTC3129-1 pak odběr z VOUT kvůli vysokému odporu interního zpětnovazebního děliče nedosahuje ani úrovně řádu jednotek μA.
Jdeme zálohovat
Bateriová záloha umožňuje v řadě aplikací „poháněných“ okolním světlem dodávku potřebného výkonu, nebude – li energie ze slunce zrovna dostačovat. Na obr. 2 vidíme příklad zapojení, ve kterém bylo k měniči z předchozího zapojení přidáno několik externích součástek společně s primárním lithiovým článkem mincového typu. Zajistili jsme tak zálohu výstupu pro případ, že by zdroj světla někdy nedokázal dodávat výkon nezbytný k udržení VOUT. V tomto konkrétním případě využijeme obvodu LTC3129, takže jsme schopni nastavit výstup VOUT na 3,2 V pro lepší přizpůsobení napětí knoflíkového článku.
Obr. 2: Měnič se solárním článkem a záložní baterií mincového typu
Baterie bude v tomto případě zapojena na výstupní straně měniče a obvod LTC3129 nastaven pro regulaci VOUT nepatrně nad napětím baterie. Zajistíme tak, že baterie nebude zatěžována, kdykoli bude možné napájet VOUT ze solárního článku. Poklesne – li pak napětí na výstupu kvůli nedostatečnému osvětlení, půjde výstup PGOOD obvodu LTC3129 k nule a přepne tak zátěž z výstupu měniče na baterii. V této fázi se tak budou moci znovu nabít vstupní a výstupní kondenzátory měniče, bude – li ovšem k dispozici alespoň trochu světla, a zátěž se proto může pod „taktovkou“ signálu PGOOD periodicky přepojovat od baterie zpátky ke spínanému zdroji. Maximální možnou měrou tak zužitkujeme výkon solárního vstupu k pokrytí spotřeby zátěže, baterie je využívána pouze ve sdíleném režimu a prodlužuje se tím její výdrž. Dioda zapojená mezi vývody PGOOD a VCC slouží po zapnutí k udržení výstupu PGOOD na nízké úrovni, dříve než bude mít VCC, a tudíž i PGOOD, platnou úroveň.
Baterie ano, ale kam s ní
V předcházejícím případě jsme záložní baterii umístili rovnou na výstup. Pro případ minimálních zátěží to má i své opodstatnění – článek (a může se jednat o baterii s malou kapacitou a relativně vysokým vnitřním odporem) totiž nebude vystaven vlivu poměrně vysokých proudových nárazů na vstupu měniče po jeho zapnutí, které se mohou výraznou měrou negativně odrazit na poklesu jeho napětí, resp. ztrátovém výkonu, a tudíž i omezené životnosti.
Nevýhody umístění záložní baterie na výstup měniče pak spočívají v požadavku na napětí baterie, které musí „pasovat“ k požadovanému napětí výstupu, a také, to abychom udrželi obstojnou regulaci VOUT, musíme mít relativně plochou vybíjecí křivku. Oba zmíněné požadavky naštěstí splňují lithiové články s napětím 3 V.
Zapojení záložní baterie na vstupní straně měniče jejímu napětí poté umožňuje lišit se od velikosti požadovaného napětí na výstupu, nicméně musí být stále schopna ustát i náročnější proudové špičky, které do zapojení při náběhu napájení, nebo též za přechodových jevů na zátěži, měnič vnese. Pokud se již tedy rozhodneme pro stranu vstupu, nabídne nám z hlediska dlouhodobé výdrže celkově lepší výsledky složení LiSOCl2 (lithium-thionyl chloride, na HW serveru čtěte též Xeno aneb deset let provozu na jednu baterii). Zbývá už jen navrhnout vhodné obvodové řešení, které může spolu se solárním panelem tvořit tzv. struktura diode-OR nebo také spínací tranzistory MOSFET, podobně jako tomu bylo na obr. 2.
