Автор текста: smart_alex
Данная статья посвящена анализу решений по питанию контроллера 3,3 В (и его периферийных устройств) от литиевой батареи, напряжение которой изменяется от 4,2 В до 3 В в процессе работы и даже ниже в случае глубокого разряда.
Получить стабильное напряжение 3,3 В в этом случае непросто, более того, задача питания такого устройства от аккумулятора предъявляет множество специфических требований, и выполнение этих требований является непростой задачей.
Обо всем этом мы поговорим дальше (решение есть!).
❯ Постановка задачи
Для начала определим требования, которым должно отвечать такое решение. Эти требования весьма противоречивы, поэтому их сложно уместить в каком-то одном решении (но Texas Instruments, похоже, удалось это сделать).
Когда входное напряжение колеблется от 4,2 до 3 В (и даже до 2,5 В), напряжение стабилизируется на уровне 3,3 В. Основная трудность здесь в том, что входное напряжение может быть больше или меньше выходного, и стандартное решение в виде повышающего или понижающего преобразователя не подходит; вам понадобится понижающе-повышающий преобразователь.
энергоэффективность. Поскольку речь идет о питании от аккумулятора, то решение должно быть энергоэффективным, т.е. КПД должен превышать 90% (в некоторых режимах допускается незначительное снижение).
Низкий ток покоя (холостой ход). Преобразователь должен обеспечивать низкий ток собственного потребления без нагрузки. На мой взгляд приемлемыми можно считать значения до 50 мкА (смотря даташит серии TPS63xxx, инженеры TI здесь со мной полностью согласны).
хорошая грузоподъемность. Преобразователь должен обеспечивать соответствующий ток нагрузки. Мое требование — максимальный ток до 300-400 мА, решение TI обеспечивает до 1-3 А.
Это основные требования, но существует множество более конкретных требований, таких как уровень шума в выходном сигнале, возможность программного отключения преобразователя, индикация режима работы и т д.
❯ Сценарии работы
Лично меня интересуют два сценария работы такого устройства (у вас могут быть свои требования), и я рассмотрю решения TI, относящиеся к обоим сценариям.
1. Узел микропотребления. Это может быть беспроводной датчик, который потребляет 5-10 мкА в основном спящем режиме и периодически передает, (очень) кратковременно повышая потребление до 100 мА (например, ATmega328 + nRF24/LoRa). В этом случае решающее значение имеет низкий ток покоя преобразователя.
2. Функциональный узел. Это может быть модуль ESP8266/ESP32 с передачей данных по Wi-Fi и некоторыми дополнительными функциями или датчик/исполнительный механизм, периферия которого может потреблять большой ток. Здесь выделяется низкий ток покоя преобразователя в сочетании с его способностью плавно выдавать большой выходной ток при активации периферийных устройств (или работе через Wi-Fi).
(Вообще-то на этом принципе можно сделать некоторые портативные устройства, например дозиметры, но мне эта тема не особо интересна.)
❯ Серия TPS63xxx
Вообще говоря, разные компании используют разные принципы решения этой проблемы и вариантов много: UP+DOWN, SEPIC, различные версии BUCK-BOOST и т.д. В этом смысле серия TPS63xxx от Texas Instruments — лишь одна из них. Варианты, доступные на рынке. Может быть, и не самый лучший, но после тестирования и реальных экспериментов, я не думаю, что есть смысл искать что-то лучше — все, что мне нужно, там прекрасно работает.
С практической точки зрения можно купить чип самостоятельно и установить для него специальную плату (это то, что нужно сделать для конечного устройства), но для экспериментальных и самодельных устройств можно сэкономить время и силы и использовать готовые Самодельные модули Наши китайские друзья уже разработали и продали.
(Как правило: если что-то изобрели, не спешите радоваться — идите на Алибабу — китайцы это уже придумали, сделали и давно продают.)
Модули на базе чипов TPS63000, TPS63020, TPS63030, TPS63070, TPS63802 можно купить на AliExpress, где китайцы называют их по названию чипа или приставке «XL»:
XL63000
XL63020
XL63030
XL63070
ТПС63802
Это все вариации на одну и ту же тему, есть некоторые различия как в свойствах микросхемы TI, так и в свойствах самого модуля (наличие в некоторых местах отдельных контактов для включения/выключения микросхемы, изменения режимов работы, выходного напряжения качество) и т.д.и т.п., а другие - нет).
Пожалуй, среди всей серии slimline выделяется только вариант TPS63070 с входным напряжением до 16 В и пусковым напряжением 3 В — что может оказаться полезным в некоторых конкретных случаях. Остальные идеально подходят для моих (наших) целей. Для меня, конечно - я не планирую нагружать батарею более чем 300-400 мА даже кратковременно, и в принципе ток покоя 50 мкА меня устраивает.
Самый интересный выбор здесь — TPS63802 с током покоя 11 мкА — позже мы увидим, как китайцы реализуют это в реальном модуле.
❯ Модуль TPS63802
В целом все эти модули производят сложное впечатление — они (вроде бы) одной конструкции, но при этом имеют разные размеры и разный набор контактов. Либо разработчики склонны экспериментировать, либо модули производятся разными компаниями и просто выглядят одинаково.
Сразу можно сказать, что ошибок в реализации модуля TPS63802 как минимум пять:
1. Несовместим с платой разработки. Другие модули XL63xxx обычно подключаются к макетной плате, но в TPS63802 вам не нужно припаивать площадки по одному контакту за раз (поэтому вы можете просто подключить его к макетной плате).
2. Отсутствует контакт EN. Модуль TPS63802 не имеет контакта EN для управления его включением/выключением. Для меня это не проблема — я действительно не могу представить ситуацию, когда контроллеру пришлось бы убить себя и отключить питание. Но, возможно, кому-то это нужно.
3. EN дорожка под чип.
Обратите внимание: Почему в современных телефонах больше нет съемных аккумуляторов?.
Если вы захотите самостоятельно управлять включением TPS63802, то сделать это не получится — придется распаять микросхему и перерезать под ней дорожку выключения EN to VCC.4. Светодиодный индикатор питания. По сути, конструкцию модуля завершает брелок - на модуле с током покоя 11 мкА установлен светодиод индикатора питания (!). Это должно быть совершенно «неожиданно» и похоже, что разработчик толком не осознавал, что разрабатывает.
5. Резистор 3К подключен к земле. Этому китайскому художнику светодиода оказалось недостаточно, поэтому он добавил на землю резистор 3К, который постоянно разряжал батарею.
Подлинный или подделка?
Все это неприятные, но мелкие недостатки – их можно исправить за несколько минут паяльником и прямой рукой. Помимо перемычек под микросхему, для выполнения подобного нужно иметь хорошие навыки пайки, зоркий глаз, твёрдую руку и стальные нервы (улыбка). К счастью, мне лично контакты управления включением не нужны.
Итак, снимаем светодиод и резистор (можете его отпаять или отломить — как вам удобнее), замыкаем перемычку PS (экономия питания, те заветные 11 мкА без нагрузки) и приступаем к реальному тестированию. Теория теорией, но кто знает, что там сваривают китайские товарищи?
❯ Ток покоя (холостого хода, без нагрузки)
С током покоя все становится просто: измеряем выходное напряжение холостого хода, которое ожидается равным 3,32 В, и ток, потребляемый модулем, который оказывается равным 35 мкА (по данным тестера UNI-T UT61E+).). Это, конечно, не те 11 мкА микросхемы TPS63802, которые указаны в даташите, но вполне неплохо и вполне приемлемо для наших (моих) целей.
Почему 35 мкА, а не 11 мкА? Скорее всего, лишняя утечка вызвана лишними компонентами на плате, и в измерениях моего тестера может быть какая-то погрешность (интересно, сама микросхема оригинальная?). Но в целом можно сказать, что модуль успешно выдержал это испытание — 35 мкА не феномен, но более чем приемлемый результат.
❯ Нагрузочный тест
Теперь посмотрим, как этот модуль справляется со своей основной задачей — поддержанием стабильного выходного напряжения при различных нагрузках и насколько он эффективен.
Давайте проведем измерения и построим график выходного напряжения и эффективности преобразования в зависимости от тока нагрузки. Я протестирую самый популярный и интересный диапазон тока (от 0 до 0,5 А.
Проведем серию тестов в диапазоне входных напряжений 4,2/3,6/3,0 В (наиболее актуальном и информативном с точки зрения использования литиевых аккумуляторов.
Мы загружаем модуль, измеряем входное и выходное напряжение и ток и рассчитываем фактическую эффективность преобразования.
На основании числового представления информации сложно понять поведение модуля. Для наглядности суммируем все эти данные и построим зависимость выходного напряжения модуля TPS63802 от нагрузки при различных уровнях входного напряжения (типичные напряжения для литиевых аккумуляторов).
Из этой схемы можно сделать вывод, что модулю совершенно не важно, какое напряжение на входе — линейные диаграммы на 4,2/3,6/3,0 В фактически сливаются в одну. Кроме того, модуль работает как понижающий модуль на 4,2 и 3,6 В и как повышающий модуль на 3,0 В. Это нормально, но хуже то, что линия имеет заметный наклон и пересекает «психологическую» линию 3,0 В где-то в районе нагрузки 500 мА и входит в «предельную» область напряжений менее 3 В.
Кстати, по какой-то причине TI не указывает в своей спецификации серии TPS63xxx зависимость выходного напряжения от выходного тока, что, на мой взгляд, является одной из самых важных зависимостей (смущает?).
Единственная подобная схема, которую мне удалось найти у производителя, была для модели TPS63031, которая сильно отличается от той, которую я получил на самом деле.
Я не могу сказать причину стеснительности TI и почему реальный угол наклона настолько больше "теоретического" угла наклона - возможно, дело в методике измерения и используемых инструментах, может быть, дело в схеме модуля TPS63802, или возможно, модуль содержит китайский клон TPS63802. Еще одна совершенно провокационная мысль: раз этой схемы нет в официальном даташите TPS63802, может, так и должно быть? (Улыбка)
но в любом случае, поскольку меня лично интересует диапазон от 0 до 400 мА с выходным напряжением от 3,3 до 3,0 вольт на нагрузку, то я лично этим модулем доволен, а для тех, кому нужно больше, можно поковыряться в этом поглубже тема (И сообщите нам о своих результатах).
эффективность
Хорошо, теперь продолжаем анализировать энергоэффективность модуля TPS63802. Сначала схема от производителя, видимо полученная на эталонном дизайне платы, с эталонной разводкой микросхемы TPS63802, измеренная высококвалифицированными инженерами TI на эталонном измерительном оборудовании.
график в даташите бросается в глаза, но на самом деле я наблюдал несколько иное: при увеличении нагрузки КПД падал, но в заветном диапазоне 0-300 мА он все равно "разбрасывался" по или более-менее вокруг. Хорошие 80%. Кроме того, здесь уже можно увидеть расслоение графика по входному напряжению — чем ниже входное напряжение, тем «тяжелее» работает модуль и тем меньшую эффективность он проявляет.
Аберрации и аномалии вблизи нуля являются результатом ошибок измерений. Кстати, работая с модулем TPS63802, я заметил еще одну его неприятную особенность: он проявляет своеобразную "нереентерабельность" - в зависимости от внешних воздействий может впадать в какие-то устойчивые состояния, которых нет полная отмена. Включите его и подождите, пока разрядятся подключенные конденсаторы — это может сыграть злую шутку, например, когда выходной ток кратковременно превысит допустимый предел, после чего модуль не сможет возобновить нормальную работу. Это необходимо учитывать при проектировании устройства на модуле TPS63802 (а возможно и на микросхеме TPS63802).
❯ Уровень шумов
уровень шума в выходном напряжении также является важным параметром, поэтому будем измерять его в разных режимах работы модуля. На холостом ходу модуль генерирует пилообразный шум амплитудой около 40 мВ. Вы не можете сказать недостаточно, и вы не можете сказать слишком много.
при добавлении выходного электролитического конденсатора ситуация значительно улучшается: большая часть шума снижается в пределах 20 мВ (небольшие пики до 30 мВ).
под нагрузкой пульсации возросли до аж 90 мВ, что явно слишком много (хотя на практике я проверял и на такой мощности контроллер работал без проблем).
добавление на выход модуля электролитических конденсаторов снижает уровень шума до более-менее приемлемых 40 мВ (если при уровне шума 90 мВ всё работает нормально, то и при уровне шума 40 мВ проблем не будет).
Отсюда можно сделать вывод, что модуль TPS63802 также прошел проверку по этому параметру, рекомендуется лишь добавить на его выход конденсатор.
❯ Итого
Подводя итог, можно сделать вывод, что модуль TPS63802, несмотря на некоторые недостатки, очень подходит для создания энергосберегающих устройств на микроконтроллерах с питанием от литиевых батарей. Это могут быть беспроводные датчики, устройства на базе ESP8266/ESP32, а также различные носимые устройства, такие как дозиметры и т д.
Лично мне этот модуль нравится - он (простой и незамысловатый) охватывает весь вопрос питания литиевых батарей. Но совершенство невозможно, если вы знаете лучшее решение, поделитесь им в комментариях — оно будет полезно всем.
Написано специально для читателей Timeweb Cloud и Pikabu. Еще больше интересных статей смотрите в нашем блоге и телеграм-канале о Хабре.
Облачный сервис Timeweb Cloud — рекомендуемая ссылка, которая может помочь поддержать проект автора.
[My] Электроника Arduino Гаджеты Сеть времени Преобразователь энергии Технология преобразования Литий-ионная батарея Long Post 5Больше интересных статей здесь: Гаджеты.
Источник статьи: Эффективная запитка от литиевых аккумуляторов (серия TI TPS63xxx).