Автор текста: smart_alex
Эта статья рассматривает ключевую проблему в разработке портативных устройств: как обеспечить стабильное питание контроллера и его периферии напряжением 3,3 В от литиевого аккумулятора, напряжение которого в процессе работы падает с 4,2 В до 3 В и даже ниже. Стандартные понижающие или повышающие преобразователи здесь не подходят, так как входное напряжение может быть как выше, так и ниже требуемого выходного. Решение требует применения специального понижающе-повышающего (buck-boost) преобразователя, который должен быть энергоэффективным, иметь низкий собственный ток потребления и обеспечивать достаточный ток нагрузки. К счастью, такие решения существуют, и далее мы подробно их разберем.
❯ Ключевые требования к решению
Идеальный преобразователь для питания от литиевой батареи должен соответствовать ряду зачастую противоречивых требований. Основная задача — стабилизировать выходное напряжение на уровне 3,3 В при входном напряжении в диапазоне от 4,2 В до 3 В (а иногда и до 2,5 В). Это требует использования топологии buck-boost. Не менее важна высокая энергоэффективность с КПД выше 90%, чтобы максимально продлить время автономной работы. Ток покоя (потребление без нагрузки) должен быть минимальным, желательно не более 50 мкА. Также преобразователь должен быть способен отдавать необходимый ток, например, 300-400 мА для многих приложений на микроконтроллерах. Дополнительно могут учитываться такие параметры, как уровень шума, возможность программного отключения и индикация режима работы.
❯ Практические сценарии применения
На практике можно выделить два основных сценария использования таких преобразователей. Первый — узел с микропотреблением, например, беспроводной датчик, который большую часть времени находится в спящем режиме с потреблением в единицы микроампер, но периодически активируется для передачи данных, кратковременно потребляя до 100 мА. Здесь критически важен сверхнизкий ток покоя преобразователя. Второй сценарий — функциональный узел, такой как модуль на ESP8266/ESP32 с Wi-Fi, где важна как способность работать с низким собственным потреблением в режиме ожидания, так и возможность мгновенно отдавать значительный ток (сотни миллиампер) при активной работе периферии или передаче данных.
❯ Серия преобразователей TPS63xxx от Texas Instruments
На рынке существует множество решений для buck-boost преобразования, включая SEPIC и различные архитектуры. Серия микросхем TPS63xxx от Texas Instruments является одним из таких проверенных вариантов. Для конечных продуктов имеет смысл проектировать плату на основе чипа, но для прототипирования и любительских проектов удобно использовать готовые модули, которые широко доступны на торговых площадках вроде AliExpress. Китайские производители выпускают модули на основе популярных чипов серии, такие как XL63000 (TPS63000), XL63020 (TPS63020), XL63030 (TPS63030), XL63070 (TPS63070) и TPS63802. Они различаются по характеристикам, наличию дополнительных выводов для управления и качеству выходного напряжения.
Среди всей линейки выделяется TPS63070 с повышенным входным напряжением до 16 В, что полезно в специфичных случаях. Однако для большинства задач, связанных с литиевыми аккумуляторами, подходят и другие модели. Особый интерес представляет TPS63802, который в даташите заявлен с рекордно низким током покоя всего 11 мкА. Далее мы подробно рассмотрим реализацию этого чипа в виде готового модуля.
❯ Анализ модуля на TPS63802
Модули на базе TPS63xxx выглядят похоже, но имеют различия в размерах и распиновке. Модуль на TPS63802, к сожалению, имеет ряд конструктивных недостатков. Во-первых, его выводы не совместимы со стандартной макетной платой. Во-вторых, на плате отсутствует внешний вывод EN для управления включением, что ограничивает возможности. В-третьих, чтобы управлять включением самостоятельно, придется выполнять сложную операцию по перерезанию дорожки под чипом. Самым парадоксальным недостатком является наличие светодиода индикации питания и резистора на 3 кОм, подключенного к земле, которые постоянно разряжают аккумулятор, сводя на нет преимущества микросхемы с низким током покоя.
Эти недостатки можно исправить: светодиод и резистор удаляются паяльником, а перемычка PS замыкается для активации режима энергосбережения. После такой доработки модуль готов к тестированию.
❯ Измерение тока покоя
После доработки измеренный ток покоя модуля составил около 35 мкА при выходном напряжении 3,32 В. Это значение выше заявленных 11 мкА для чипа, что, вероятно, связано с паразитными утечками на плате и погрешностью измерений. Тем не менее, 35 мкА — это отличный результат для практического применения в устройствах с батарейным питанием.
❯ Тестирование под нагрузкой
Основная задача модуля — поддерживать стабильное выходное напряжение при изменяющейся нагрузке. Тесты проводились при входных напряжениях 4,2 В, 3,6 В и 3,0 В, что соответствует разным состояниям заряда литиевого аккумулятора.
График зависимости выходного напряжения от тока нагрузки показывает, что модуль успешно работает как в понижающем (при 4,2 В и 3,6 В), так и в повышающем (при 3,0 В) режимах. Кривые для разных входных напряжений практически совпадают, что говорит о хорошей стабилизации. Однако наблюдается заметный спад выходного напряжения с ростом нагрузки: при токе около 500 мА напряжение падает ниже 3,0 В. Интересно, что в даташитах TI подобные графики для TPS63802 отсутствуют, что затрудняет сравнение с эталонными характеристиками.
Причины большего, чем ожидалось, спада напряжения могут крыться в методике измерений, особенностях разводки конкретного модуля или даже в том, что установлен неоригинальный чип. Для задач с потреблением до 400 мА и допустимым напряжением от 3,3 В до 3,0 В модуль работает удовлетворительно.
❯ Энергоэффективность
КПД преобразования — критически важный параметр для батарейных устройств. Официальный график из даташита TPS63802 показывает высокую эффективность.
Практические измерения на модуле показали, что в диапазоне нагрузок от 0 до 300 мА КПД держится на приемлемом уровне около 80% и выше. Как и ожидалось, эффективность падает с уменьшением входного напряжения, так как преобразователю приходится «тяжелее» работать в режиме boost.
Также была замечена особенность модуля: при кратковременных перегрузках он может переходить в нестабильное состояние и не восстанавливать нормальную работу самостоятельно, пока не будет перезапущен. Этот нюанс важно учитывать при проектировании.
❯ Уровень выходного шума и пульсаций
Качество выходного напряжения оценивалось с помощью осциллографа. На холостом ходу наблюдались пилообразные пульсации амплитудой около 40 мВ.
Добавление выходного электролитического конденсатора емкостью несколько десятков микрофарад значительно улучшает ситуацию, снижая пульсации до 20-30 мВ.
Под нагрузкой (например, 200 мА) пульсации возрастают до 90 мВ.
И в этом случае добавление выходного конденсатора помогает, снижая уровень шума до приемлемых 40 мВ. Таким образом, для получения качественного питания рекомендуется устанавливать на выход модуля дополнительный сглаживающий конденсатор.
❯ Выводы
Несмотря на отмеченные конструктивные недостатки и некоторые отклонения от идеальных характеристик, доработанный модуль на TPS63802 является отличным решением для питания микроконтроллерных устройств от литиевых аккумуляторов. Он покрывает ключевые требования: работает в широком диапазоне входных напряжений, имеет низкий ток покоя и обеспечивает достаточную выходную мощность для таких задач, как беспроводные датчики, устройства на ESP8266/ESP32 или портативные измерительные приборы.
Это решение простое и эффективное. Если вам известны более совершенные или альтернативные варианты, делитесь ими в комментариях — это будет полезно всем разработчикам.
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).