[Перевод] Бюджетная зарядка-пауэрбанк своими руками
Чтобы показать, что это вообще возможно, пришлось взять в качестве отправной точки (универсальный) прикладной пример
В идеале проектирование любого прибора для электропитания следует начинать с базовых тестов, проверяющих работоспособность модели. Зачастую такие тесты проводятся на имеющейся демо-плате. В демо мы просто будем отталкиваться от такой минимальной конфигурации и расширим её, соорудив на демо-плате рабочую систему. Более того, поскольку мы должны были представить демо-версию в относительно сжатые сроки, мы просто не могли построить типичный рабочий процесс (проектирование, компоновка, сборка оборудования, сборка кода, тестирование), не говоря уж о том, чтобы организовать этот проект в несколько итераций. Поэтому система прототипировалась как одно целое и только на том оборудовании, которое уже было у нас в наличии.
Прикладной пример
Чтобы ответить на вопрос, вынесенный в заголовок, нужно было подобрать высокоуровневый прикладной пример, на котором мы могли бы продемонстрировать, что заявленное нами возможно. В качестве такой концептуальной модели мы решили сделать зарядку для пауэрбанка. Поскольку в любом проекте по электронике нужно, прежде всего, позаботиться об электропитании, мы могли бы в качестве примера сконструировать и любое другое похожее устройство.
Зарядка для пауэрбанка — достаточно распространённый прибор, большинству из нас понятно, что это такое, а многие такой зарядкой пользовались сами. Например, такую вещицу берут с собой в дорогу, чтобы перестраховаться от полной разрядки смартфона. В сущности, пауэрбанк представляет собой блок батарей (мощность варьируется в зависимости от стоимости и требуемого диапазона). Устройство оснащается одним или более портами USB-A, а также входным портом USB-C, чтобы заряжать сам пауэрбанк. Конечно, на этот базовый функционал можно накатить дополнительную сложность — например, подключить беспроводной зарядный коврик или даже такой контакт, который позволит заряжать пауэрбанк солнечной энергией, если вы любите гулять.
В нашем проекте мы предусмотрели два варианта подзарядки: от солнечной энергии, а также стандартный, при котором используется переходник. Что касается выходных разъёмов, были предусмотрены два простейших порта USB-A, дающих в совокупности 5 V, что позволяет использовать наш пауэрбанк с мобильными телефонами, а также разнообразной электроникой, подзаряжаемой через USB.
Подбор оборудования
Выбор источника питания: LTC4416
В данном примере спроектируем устройство, которое будет поддерживать два входных источника питания: солнечную панель и переходник AC-DC, предназначенный для подключения к обычной настенной розетке. Для этого нам понадобится прибор под названием «переключатель приоритетного пути питания», не только обеспечивающий интеллектуальный выбор между доступными источниками электроэнергии, но и удобный в ситуациях, когда доступны разные источники — в последнем случае с его помощью будем определять, какой из источников использовать в первую очередь. Проще всего реализовать такую конструкцию, воспользовавшись диодами. Соединение осуществляется через катоды, а аноды диодов подключаются к соответствующим источникам.
К сожалению, такая конфигурация будет работать с потерями из-за падения напряжения, типичного для простых диодов (около 0,6 V), а также не располагает к внедрению каких-либо умных критериев выбора — например, к подбору приоритетного источника. Такая конфигурация просто позволяет пропускать через устройство более высокий входной ток.
Здесь в дело вступает LTC4416. Он позволяет не только заменить диоды (допускающие потери) на гораздо более эффективные PFET-транзисторы, но и присваивать приоритеты. В разрабатываемом здесь устройстве приоритет всегда будет отдаваться зарядке через розетку. В таком случае, устройство сможет максимально эффективно использовать доступный источник энергии (и более сильный ток) при его наличии. Устройство получается исключительно гибким, в нём можно предусмотреть множество режимов эксплуатации, в зависимости от требований, предъявляемых при проектировании. В таблице 1 (взятой из даташита LTC4416) приводятся такие режимы эксплуатации.
E1 | E2 | Режим эксплуатации | IG (OFF)1 | IG (OFF)2 |
1 | 0 | Разделение нагрузки | Включено | Включено |
1 | Снимаем данные | V1 меньше V2 | Включено | |
Снимаем данные | 0 | V1 больше V2 | Включено | |
0 | X | Канал 1 отключен | Отключено | |
X | 1 | Канал 2 отключен | Отключено | |
0 | 1 | Оба канала отключены | Отключено | Отключено |
Переключаемое понижающее зарядное устройство: LTC4162-L
В качестве зарядного устройства мы выбрали LTC4162-L, так как для него характерен широкий диапазон входного напряжения (до 35 V) и зарядная способность 3,2-A, а также в самом устройстве встроен полевой транзистор, благодаря чему устройство получается компактным. Это распространённое и полнофункциональное зарядное устройство, отличающееся большой прикладной гибкостью. Химическая составляющая батареи также бывает очень разной: LiFePO4, литий-ионная комплектация, свинцово-кислотные аккумуляторы. Также в устройстве предусмотрен интерфейс I2C, через который пользователь может извлекать информацию о телеметрии.
Данная модель была выбрана для этого проекта не только благодаря вышеописанной гибкости входного напряжения и свойств батареи, но и благодаря интегрированной конструкции, позволяющей добиваться максимальной компактности готового прибора. Ещё одна полезная возможность — отслеживание точки максимальной мощности (ОТММ). Если ваше устройство может запитываться от солнечной энергии, то без ОТММ никак не обойтись, чтобы гарантировать, что устройство будет извлекать максимум энергии из доступного источника. Также в LTC4162 есть встроенная возможность управлением подачей питающего напряжения. Именно в данном случае такая возможность полезна, так как, если внешний источник питания убрать, то остаётся возможность подавать напряжение на выходные контакты и дальнейшей передачи на другие устройства.
USB-зарядка: CN0509
Чтобы подавать напряжение в нашей USB-зарядке, мы выбрали плату из коллекции справочных решений и моделей ADI Circuits from the Lab. Как правило, демонстрируется отдельно взятое устройство на отладочной плате, обеспечивающей оценку данного конкретного устройства. Но модели из коллекции Lab boards сильнее сосредоточены на конкретных решениях. Так можно использовать несколько продуктов ADI из нескольких коллекций, в зависимости от требований, предъявляемых в той или иной системе.
Модель CN0509 проектировалась с расчётом на широкий диапазон входного напряжения как двойная USB-зарядка. Предполагается, что модель будет применяться в условиях естественных чрезвычайных ситуаций и при длительном отключении электропитания. Типичное устройство такого рода, с которым могли сталкиваться многие читатели — это автомобильный аккумулятор. Плату можно запитать от автомобильного аккумулятора, в таком случае мы располагаем двумя 5-вольтными портами, которые для безопасности изолированы от первичного напряжения. Есть и ряд альтернативных источников питания, от наборов свободно расположенных батарей до двигателей, которые могут выступать в качестве генератора энергии. В CN0509 предусмотрен широкий диапазон входного напряжения, поэтому устройство будет работать от любого источника питания с напряжением в диапазоне от 5 V до 100 V. По всем вышеперечисленным причинам данное устройство идеально сочетается с имеющимися платами и обустройства выходов для зарядки по USB. Получается импровизированный пауэрбанк.
В устройстве предусматривается защита от обратной полярности, чтобы устройство не перегорело из-за неправильно подключённого источника питания, а также изолированный обратноходовой преобразователь, обеспечивающий разграничение выходов зарядки и источника питания. Это особенно нам пригодится, если в качестве резервного источника питания используется —48-вольтный блок бесперебойного питания. В результате телефон можно поставить на зарядку от –48 V и спровоцировать опасную ситуацию. Она предотвращается благодаря изоляции преобразователя. Также здесь следует отметить, что плата CN0509 довольно маленькая — во многом потому, что для неё подобраны высокоэффективные интегральные схемы и неоптоизолированный обратный преобразователь LT8302. Ключевое отличие заключается в том, что для обратноходового преобразователя LT8302 не требуется изолированный оптический контур обратной связи.
На данной плате предусмотрены два USB-порта. Один из них — стандартный USB-порт (без подключения D+/D–), а другой оборудован контроллером выделенного порта зарядки (DCP), предназначенным для отслеживания напряжения в каналах передачи данных USB. Такой порт обеспечивает быструю зарядку и предоставляет напряжение 5 V при силе тока максимум 2 A. Достижение такого повышенного уровня зарядного тока зависит от того, какое входное напряжение применяется. Исходя из графика производительности, приведённого на рис. 4, величина 12 V является оптимальной.
Источники питания
В качестве основного источника питания мы выбрали 60-ваттный 12-вольтный адаптер, преобразующий переменный ток в постоянный (AC-to-DC). Он служит одним из входов для демонстрационной платы LTC4416. Также была приобретена относительно небольшая солнечная панель, служащая альтернативным источником питания. Поскольку этот проект задумывался для обслуживания мероприятий, проходящих в помещении, где просто не добиться достаточного освещения, чтобы солнечной энергии хватало для нормальной работы прибора, сама эта возможность реализована только в демонстрационных целях. С её помощью мы демонстрируем возможности и функционал модуля для выбора приоритетного пути питания.
Вся конструкция разрабатывалась как пауэрбанк, поэтому она в принципе требует батарейного элемента для долговременного хранения энергии. Ограничения на пересылку батарей сейчас запретительные. Данная конструкция разрабатывалась именно так, чтобы можно было купить обычную упаковку батареек и запитать от неё демо-версию сразу после получения этих элементов питания. Учитывая данное ограничение, мы остановились на серии перезаряжаемых литий-ионных батареек, дающих номинальное напряжение 7,4 V с мощностью 2 600-мAч. Этого должно было хватить для демонстрационного прогона устройства на презентации. Стоит отметить, что в устройстве можно было бы с лёгкостью (если потребуется) установить и более мощную батарею.
Демо-сборка
Что касается сборки, для неё использовалось стандартное оборудование, поэтому не потребовалось никаких электротехнических модификаций кроме отдельных корректировок пороговых значений LTC4416. С их помощью мы обеспечили нужный нам приоритет источников питания. Чтобы конструкция лучше смотрелась на презентации, платы были закреплены на простом чёрном листе Perspex при помощи стандартных металлических стоек.
Зарядный ток, поступавший на устройство в процессе демонстрации, отслеживался через простой USB-тестер. Это устройство наглядно демонстрирует, сколько тока у нас имеется для зарядки телефонов участников конференции.
Как она себя показала
Демо-устройство эффективно выполняло основную функцию: без проблем заряжало аккумуляторную батарею от двух альтернативных источников питания, хорошо поддавалось управлению через блок приоритезации путей питания. CN0509 нормально раздавал заряд на все устройства, подключенные через USB-устройство. Например, мой пауэрбанк, который я небезосновательно считаю довольно продвинутым, не может одновременно заряжать телефон и подзаряжаться сам, и это ограничение весьма раздражает.
Зарядный ток, поступающий на USB-порт, ограничен возможностями LTC4162. Встроенный в устройстве полевой транзистор обеспечивает силу тока максимум 3,2 A. Основная доля этого тока в процессе зарядки поступает в батарею. Оставшийся ток можно перенаправлять через заряжающие USB-порты.
Всякий раз, когда мы убираем источник входящего питания, полевой транзистор на демонстрационной плате LTC4162 обеспечивает перенаправление накопленной в батарее энергии на выходной порт. Следовательно, поддерживается приток энергии к CN0509 и на USB-порты. В таком режиме сила доступного зарядного тока падает, и это видно на графике с рис. 4, поскольку на входе в CN0509 теперь устанавливается такое же напряжение, как и в батарее, которое номинально равно 7,4 V.
Следующие этапы
Как только было доказано, что такие устройства действительно работают на легко приобретаемых демо-платах, далее логично разработать коммерческий прототип, в конструкции которой будет учтено то, что мы узнали в рамках первичной работы, и конечное решение было выпущено в доработанном виде. В частности, следовало бы модифицировать имеющуюся принципиальную схему, чтобы удалить с плат избыточные элементы (тестовые точки, разъёмы, т.д.). После этого пользователь мог бы продолжить разработку на макетной плате и продемонстрировать, насколько важно не только предоставить в рамках устройства максимум ресурсов, но и сделать прибор как можно более удобным. Например, предоставлять для сборки каждого нашего прибора оптимизированную демонстрационную плату. Притом, что на вид эта плата достаточно велика, это только поспособствует тестируемости нашего устройства, и работать с ним станет удобнее.
Если внимательнее присмотреться к компоновке платы, то видно, что те интегральные схемы, под которые разрабатывалась плата, и вся расположенная на ней обслуживающая электроника (резисторы, конденсаторы, индуктор, т.д.) занимают абсолютно необходимый минимум места, чтобы пользователь мог интегрировать их в компоновку, собранную по своему усмотрению. Так клиент будет чувствовать себя увереннее, поскольку будет знать, что схема протестирована, а в случае сомнений самостоятельно проверить на тестовом стенде, так ли это, и лишь потом приступать к сборке собственной версии.
Что касается конечной версии устройства, в нём не помешает более крупная батарея, поддерживающая более высокое напряжение и позволяющая оптимизировать уровень зарядного тока, поступающего через USB-порты.
Устройство CN0509 — просто чудесное, отлично отвечает тем требованиям, что перед ним ставятся. Однако, можно собрать и более тонкое устройство такого же типа, в котором можно было бы уменьшить общие затраты на обслуживание батареи. Например, в данной конструкции можно обойтись и без LTC7103 и без функции защиты от неправильной полярности, а изолированный обратноходовой преобразователь можно запитать непосредственно от выхода LTC4162 (подойдёт как переходник 12 V, преобразующий переменный ток в постоянный и подключаемый к розетке, так и батарея — после отключения от сети).
Заключение
Определённо, вам по силам собрать прототип пауэрбанка или любого зарядного устройства, если уж на то пошло. Для этого нужно лишь простейшее оборудование, имеющееся в продаже, и нехитрые источники питания. Этот пример подчёркивает, что на простой демонстрационной плате можно быстро собрать работоспособный прототип, почти не тратя времени на проектирование. Более того, этот относительно простой, но ценный этап позволит вам приобрести уверенность и впоследствии заняться проектированием более сложных интегральных схем. Кроме того, стоит повторить, что компоновка элементов для зарядного устройства на плате порой даётся непросто, поэтому целесообразно для экономии времени пускать в ход всё, что есть под рукой.
