Jednoduchý návrh měniče, který si vystačí s malým solárním článkem i umělým osvětlením, jsme „nakousli“ již posledně. Zapojili jsme bateriovou zálohu a rovněž diskutovali vhodnost jejího umístění.
Na vstupu různé zdroje, výstupem měniče je 5 V
Schopnost obvodu LTC3129-1 od společnosti Linear Technology pracovat s vysokou mírou účinnosti a minimálním počtem vnějších součástek, v rámci širokého rozsahu vstupních napětí a rovněž pod různým zatížením, dokládá obr. 3. Výstup, který byl v tomto případě s využitím pinů VS1 – VS3 nastaven na 5 V, může odebírat energii z USB vstupu (5 V), různých baterií, ale též síťového adaptéru v rozmezí od 3 V až do 15 V. Schopnost „běžet“ flexibilně a bez potíží z mnoha různých zdrojů se jako přednost projeví zejména v náročných provozních podmínkách.
Obr. 3: Měnič s výstupním napětím 5 V využívá různé zdroje energie
Nízká spotřeba obvodu LTC3129-1, vyjádřená proudem IQ v režimu spánku o velikosti jen 1,3 μA, umožňuje ve spojení s vysokým odporem interního zpětnovazebního děliče udržet vysokou míru účinnosti napříč různým zatěžováním, přesně jak to vidíme na obr. 4. Při zatěžovacím proudu o velikosti jen 100 μA zde bude účinnost v rámci prakticky celého rozsahu VIN dosahovat přibližně 80 %. Bateriově napájené aplikace, které většinu svého času stráví v některém z nízkopříkonových stavů, tak dostaly dobrého spojence (na HW serveru čtěte též Technologie picoPower to s MCU umí. A co s ní dokážeme my?).
Obr. 4: Účinnost, jako funkce zatěžovacího proudu s parametrem vstupního napětí pro 5 V měnič z obr. 3
Na obr. 5 vidíme odezvu systému na skok na vstupu – VIN se změnilo z 5 V na 12 V –, zatímco výstup VOUT bude měřen za dvou podmínek, při velké a následně také lehčí zátěži. Poteče – li zátěží proud o velikosti 200 mA, pracuje součástka v režimu PWM a překmit výstupního napětí VOUT bude jen 150 mV, tj. 3 %. Nyní snížíme odběr na 10 mA a necháme obvod pracovat v režimu Burst Mode. Pozorujeme zvlnění na úrovni 100 mVPK-PK (2 %) společně s překmitem VOUT, způsobeným skokovou změnou vstupu, menším než 100 mV.
Obr. 5: Odezva zapojení z obr. 3 na skokové vstupní napětí
Thing nebo Everything?
Město Hamburk se zapojí do projektu „Smart City“, na kterém se podílí společnost Cisco a její partneři. V praxi tak naplňuje koncept Internet of Everything. K síti už dávno nejsou připojeny jen počítače a mobilní zařízení, ale celá řada „obyčejných“ věcí. Inteligentní senzory mohou například řídit provoz v přístavu, který je srdcem hamburské ekonomiky. Efektivnější pohyb nákladních automobilů a nakladačů v přístavu a jeho těsné blízkosti bude pro obyvatele znamenat plynulejší dopravu, snazší parkování a v neposlední řadě snad i lepší životní prostředí. Vedle integrovaného systému řízení dopravy se plánuje též analýza senzorů monitorujících stav ovzduší, dodávající přesnější informace o hluku, teplotě, vlhkosti nebo znečištění. Ve městě bude rovněž vybudována síť videokiosků umožňujících přenos zvuku i obrazu ve vysokém rozlišení. Své úřední záležitosti si tak obyvatelé vyřeší například během nakupování v obchodním centru.
Tak předně, při nízkém vstupním napětí VIN a vysokých zatěžovacích proudech zlepšíme dosahovanou účinnost, protože zajistíme vyšší budicí napětí hradel vestavěných spínačů a může tak docházet ke snížení jejich odporu v sepnutém stavu RDS(ON). V případě dalšího extrému, tj. při vysokých vstupních napětích VIN a minimálním zatěžování výstupu, bude rovněž docházet ke zlepšení účinnosti z titulu omezení ztrátového výkonu interního LDO, použitého k výrobě VCC. Na tomto místě však musíme zdůraznit, že není přípustné zvedat napětí pinu VCC nad 6 V, takže jej nebude možné propojit diodou s vyšším výstupním napětím.
A to se již dostáváme k druhému pozitivu bootstrap diody, které spočívá v umožnění provozu z nižšího napětí VIN. Jak je to možné? Po zapnutí, bude – li VCC udržováno nad svou minimální velikostí 2,2 V (v tomto případě výstupním napětím), pak měnič může pracovat při nižším vstupním napětí až do 1,75 V, kde dosáhne prahové úrovně vestavěného podpěťového zámku UVLO pro VIN. Tímto způsobem dosáhneme dostatečného rozšíření použitelného napěťového rozsahu, díky kterému bude možné ještě „fungovat“ i se dvěma slabými alkalickými bateriemi.
Musíme si však ohlídat situaci, při které se napětí baterie dostane pod 2,4 V a měnič bude v režimu shutdown, příp. dojde ke zkratování jeho výstupu VOUT. Integrovaný obvod pak již nebude schopen opětovného náběhu.
Měníme a nabíjíme. Venku a s MPPC
Jako další bonus nám obvody LTC3129 spolu s LTC3129-1 nabídnou známou řídicí funkci MPPC (Maximum Power Point Control), která pak měniči umožní ovládat velikost VIN a udržet tak pod zátěží uživatelsky definované minimální napětí. V aplikacích využívajících solární články s vyššími proudy, nebo též další zdroje s vysokým vnitřním odporem, tak regulací VIN zajistíme optimální přenos výkonu. Při práci s proudově omezeným zdrojem se navíc nemusíme obávat „zhroucení“ vstupního napětí měniče (otázce přenosu výkonu ze solárních článků za různých okolních podmínek – intenzita světla, teplota, zastínění nebo jen příliš nízké napětí –, jsme se na HW.cz podrobně věnovali ve třech dílech seriálu Solární panely s jedním nebo více články – jak na to?).
Obr. 6: Venkovní nabíječka superkondenzátoru využívá kromě sluneční energie též řízení v bodu maximálního výkonu
Řídicí smyčka MPPC funguje tak, že na základě povelu z měniče omezuje velikost proudu tekoucího připojenou indukčností a při zatížení tak pomáhá udržet minimální nastavené napětí VIN. Definici tohoto napětí přitom zajišťuje vnější odporový dělič připojený k vývodům VIN a MPPC, tak jak to vidíme na příkladu nabíjení superkondenzátoru z obr. 6. Řídicí smyčku MPPC v Linear Technology ošetřili tak, že bude stabilní s minimální vstupní kapacitou 22 μF.
Musíme si však uvědomit, že v případě buzení klasické zátěže může omezení proudu indukčností v případě zásahu funkce MPPC způsobit pokles napětí na výstupu. Aby se tak nestalo, využívá většina zapojení s řízením v bodě maximálního výkonu možnosti dobíjet ze solárního panelu veliký kondenzátor, příp. zajistit udržovací dobíjení připojeného článku. Volba MPPC tak zaručí, že kondenzátor nebo baterie budou dobíjeny nejvyšším možným proudem, zatímco solární panel bude provozován na napětí bodu svého nejvyššího výkonu (na HW serveru viz také článek Ultrakondenzátory – nahradí v budoucnu baterie?).
Zároveň ještě poznamenáme, že u obvodů LTC3129 / LTC3129-1 musíme v případě řízení MPPC oželet režim Burst Mode. A vzhledem k tomu, že integrovaný obvod spíná nepřetržitě na 1,2 MHz, bude klidový proud vstupu VIN činit několik mA. Zmíněná funkce proto nebude příliš vhodná pro nasazení u zdrojů, ze kterých „nedostaneme“ minimální proud o velikosti 10 mA. Máme – li tedy slabší zdroj a možnosti řízení ve stylu MPPC jsou přesto vyžadovány, nezbývá než do akce zapojit vývod RUN a přesně si jeho prostřednictvím nastavit prahovou úroveň podpěťového zámku UVLO, tak jak jsme to zmínili posledně ve spojitosti s příkladem na obr. 1.
MPPC a ochrana: přirozeně
Možnosti řídicí funkce MPPC bude možné využít též v dalších zapojeních, a to včetně těch, které nabídnou přídavné zabezpečení ve formě sériově zapojeného rezistoru pro omezení proudu, navrženého mezi vstupní zdroj napětí a DC/DC měnič. Smyčka MPPC v takovém případě zabraňuje obvodům LTC3129 / LTC3129-1 v odběru příliš velkého proudu, zejména pak po zapnutí, kdy dochází k nabíjení výstupního kondenzátoru a reálně hrozí výraznější pokles vstupního napětí. Možný případ jsme zachytili na obr. 7, kde s využitím děliče MPPC udržujeme minimum vstupního napětí na velikosti 3 V
Obr. 7: Zapojení měniče s výstupním napětím 3,3 V, funkcí MPPC a sériově zapojeným rezistorem
Protože však máme v tomto případě pro jistotu omezenu velikost vstupního kondenzátoru jen na 10 μF, což již bude méně než doporučovaná minimální hodnota 22 μF, platná při použití funkce MPPC, přidáváme k vývodu MPPC doplňkový kompenzační prvek RC pro zajištění lepší fázové bezpečnosti (stability) řídicí smyčky.
Krátce na tomto místě ještě zmíníme otázku proudového omezení vstupu s využitím MPPC, kdy si sami nadefinujeme maximální povolenou velikost proudu. Není to vůbec složité. Zvolíme si totiž vhodnou velikost sériového vstupního rezistoru a nastavíme napětí MPPC pod úroveň vstupního zdroje. Maximální vstupní proud pak bude omezen velikostí
IIN = (VSOURCE – VMPPC) / RSERIES
Než se do toho pustíme
Integrované obvody společnosti Linear Technology, monolitické snižující – zvyšující DC/DC měniče LTC3129 (www.linear.com/product/LTC3129) a LTC3129-1 (http://www.linear.com/product/LTC3129-1), nabídnou očekávané nízkopříkonové vlastnosti společně s požadovanou flexibilitou na straně vstupního zdroje, přesně jak by to mělo v reálném světě bezdrátových senzorů, určených kupříkladu pro aplikace IoT, a další elektroniky kapesního formátu, i být. Minimální velikost klidového proudu 1,3 μA pak může, s vysokou účinností konverze a využitím možností, které lidstvu nabízí sběr energie z okolního prostředí, prodloužit „úmluvu s baterií“ až na dobu neurčitou. Množství výkonu dodávaného do zátěže lze kromě toho dále optimalizovat volbou řízení v bodě maximálního výkonu řady připojených zdrojů.
Internet věcí je zkrátka realitou, a jako takový se bude potýkat i s reálnými problémy svých „krabiček“. Vhodným přístupem k napájecímu zdroji se však dokážeme mnoha z nich vyhnout, a to již ve fázi návrhu jedné z jeho nejdůležitějších částí. Ne, mikrokontrolér to tentokrát nebude.
Připraveno na základě článku 15V Buck-Boost Converters with Ultralow 1.3μA Quiescent Current are Tailored to Micropower Applications and the Internet of Things, autor Dave Salerno, Linear Technology (http://www.linear.com/designtools/lt_journal.php).
