|
Поиск по сайту: |
|
По базе: |
 |
| Главная страница > Статьи | |||||||||
|
|
|||||||||
Подсистема батарейного питания носимых микроконтроллеров на микросхемах фирмы Maxim, часть2Целью настоящей статьи является ознакомление читателей с проблемами разработки подсистем батарейного питания малогабаритных носимых микроконтроллерных устройств, номенклатурой микросхем преобразователей батарейного питания, а также примерами схемной реализации этих подсистем.
Олег Николайчук "Схемотехника" N1, 2004 В первой части нашей статьи мы выработали предварительные критерии отбора микросхем преобразователей для малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий, а также привели две таблицы, в которые включены предварительно отобранные микросхемы двух групп — с конденсаторным и индуктивным принципами преобразования. Для окончательного анализа и выбора оптимальных вариантов микросхем нам необходимо конкретизировать выработанные критерии для каждой из приведенных групп. Но прежде, чем рассматривать каждую из групп, конкретизируем общие критерии. В первой части статьи мы говорили о том, что главным критерием отбора микросхем преобразователей напряжения для малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий является работоспособность при пониженных входных напряжениях, ниже 3 В. Оптимальным вариантом для создания легких носимых конструкций является использование в подсистеме питания всего одного гальванического элемента или аккумулятора. При этом входное напряжение полностью заряженного элемента питания может составлять от 1,43 до 1,55 В в зависимости от типа элемента. В разряженном состоянии входное напряжение для аккумулятора может снизиться до 1,12 В (при этом аккумулятор еще не теряет своей работоспособности), а для гальванического элемента — до 0,7 В. Для обеспечения минимального веса и объема подсистемы питания мы в первой части статьи выработали еще два предварительных критерия: размеры корпуса и встроенный элемент(ы) коммутации. Для предварительного отбора мы ограничились умышленно завышенным ограничением на число выводов корпуса (16 выводов) исходя из того, что в таких корпусах производители часто оснащают микросхемы преобразователей дополнительными функциональными возможностями, например, одним или двумя дополнительными линейными регуляторами напряжения, датчиками температуры, цепями сброса, датчиками анализа состояния разряда и т. п. Кроме того, мы допустили при отборе, что микросхемы могут иметь самые разнообразные корпуса — чMAX, SSOP, QFP, TSSOP и т. п. На стадии заключительного анализа нам желательно отобрать те микросхемы, которые выпускаются в наиболее миниатюрных корпусах чMAX и SSOP, а также имеют минимальное число внешних элементов. Напомним, что мы также стремимся создать преобразователь, способный обеспечить выходное напряжение +5 В. При этом большинство микросхем датчиков, для которых это напряжение необходимо, допускают снижение его до величины 4,75 В. Кроме того, мы ограничили минимальный выходной ток проектируемого преобразователя значением 50 мА. Отметим, что для целей создания подсистем питания малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий с точки зрения минимизации помех, создаваемых преобразователем, более предпочтительными являются конденсаторные преобразователи, чем индуктивные, т. к. последние создают более высокий уровень помех. Рассмотрим группу конденсаторных преобразователей напряжения. Напомним, что нам удалось отобрать только 11 микросхем, приведенных в табл. 1 первой части статьи. Во-первых. отметим, что выпускаемые конденсаторные преобразователи могут только удваивать входное напряжение. Следовательно, для получения требуемого выходного напряжения +5 В (здесь и далее это значение будем писать условно с учетом возможного снижения до уровня 4,75 В), необходимо устанавливать два последовательных конденсаторных умножителя. Причем они могут обеспечить требуемое выходное напряжение только при входном напряжении, равном выходному, деленному на четыре, т. е. при напряжении 1,19 В. Кроме того, запуск такого преобразователя гарантируется только при достаточно высоких входных напряжениях (наименьшее напряжение запуска — 1,2 В для микросхемы MAX660 [4]). Это означает, что подсистема питания, использующая микросхему конденсаторного преобразователя, будет гарантированно запускаться только при полностью заряженном аккумуляторе или только при "свежем" гальваническом элементе. Еще одной особенностью конденсаторного преобразователя является наличие достаточно большого числа внешних элементов. Фактически нашим критериям оптимально соответствует только микросхема MAX660. Принципиальная схема преобразователя на двух таких микросхемах приведена на рис. 1.
 Рис. 1 Приведенная подсистема питания выполнена в виде двухкаскадного конденсаторного умножителя. Вообще говоря, вторая микросхема может быть и другого типа, т. к. на ее входе уже имеется удвоенное напряжение источника, достаточное для работы практически всех конденсаторных умножителей. Конденсатор С1 необходим для фильтрации входного напряжения при отладке, когда вместо одного элемента питания подключается низковольтный блок питания через довольно длинные соединительные провода. Конденсаторы С2-С5 участвуют в работе конденсаторных умножителей. Они должны иметь одинаковый номинал и указанную емкость для обеспечения заданного выходного тока. Производитель рекомендует использовать танталовые конденсаторы. Поскольку танталовые конденсаторы такой емкости довольно редки, дороги и имеют большой объем, чаще приходится использовать в качестве каждого из них батарею из семи конденсаторов емкостью 22,0 мкФ на 6 В. Таким образом, преобразователь содержит две микросхемы, входной конденсатор С1 и 28 конденсаторов преобразователя. Стоимость двух микросхем у отечественных поставщиков составляет около $7, а стоимость 29 конденсаторов — примерно $6. Таким образом, стоимость элементов приведенного конденсаторного преобразователя составляет около $13. Заметим также, что столь большое число конденсаторов занимает много места на печатной плате и имеет значительный вес. Однако главным недостатком приведенной схемы все же следует считать относительно высокое гарантированное напряжение включения. Еще одним недостатком является относительно высокое напряжение выключения используемых микросхем. По данным некоторых исследователей, около 70 % микросхем выключаются при напряжении 1,1 В, а остальные 30 % сохраняют работоспособность при более низком напряжении. Все приведенные выше недостатки ограничивают области применения подобных преобразователей. Рассмотрим группу преобразователей напряжения с использованием индуктивности. Напомним, что отобранные в ходе предварительного анализа микросхемы приведены в табл. 2 первой части статьи. Конкретизируем критерии для вторичного отбора. Даже беглого ознакомления с табл. 2 первой части статьи достаточно для того, чтобы отметить, что эта группа преобразователей имеет более низкое минимальное входное напряжение, кроме того, для достижения поставленной цели нам будет достаточно использовать только одну микросхему. Как уже отмечалось выше, предельное напряжение разряженного аккумулятора в большинстве случаев не превышает 1,12 В, что позволяет ограничить вторичный анализ отобранных микросхем только типами, имеющими минимальное входное напряжение, меньшее 1,1 В. Однако, поскольку в этой группе достаточно много микросхем, удовлетворяющих этому критерию, можно ограничиться рассмотрением микросхем и с более низким минимальным входным напряжением, например 0,8 В. Многие из микросхем преобразователей, использующих индуктивный принцип преобразования, оснащены дополнительными функциональными узлами, о которых мы упоминали выше. В связи с этим ограничимся анализом тех микросхем второй группы, которые имеют корпус с числом выводов 8 или менее, но при этом обладают расширенными функциональными возможностями. При вторичном анализе будем также отдавать предпочтение тем микросхемам, которые имеют предустановленное выходное напряжение +5 В, а ток обеспечивают, как минимум, с двукратным запасом, т. е. порядка 100 мА. Рассмотрение табл. 2 первой части статьи с учетом приведенных выше вторичных критериев позволяет выделить несколько групп микросхем. Микросхемы MAX1674/1675 имеют одинаковые параметры, но отличаются величиной ограничения выходного тока — 1 А для MAX1674 и 0,5 А для MAX1675 [5]. Обе микросхемы имеют фиксированные выходные напряжения 5/3,3 В, выбираемые сигналом на специальном выводе. Кроме того, у этих микросхем имеется встроенный детектор разряда батареи, представляющий собой компаратор, один из входов которого соединен с внутренним опорным напряжением 1,3 В, а выход выполнен по схеме с открытым стоком. Входной ток контроля составляет всего 16 мкА. Микросхемы выпускаются в восьмивыводном малогабаритном корпусе чMAX8. Эффективность микросхем при выходном токе 200 мА достигает 94 %. Вторая группа микросхем — MAX756/757 [6]. По выходному току и напряжению эти микросхемы соответствуют первой группе, однако они имеют более низкую эффективность (около 78 %) и не имеют встроенного диода Шоттки. Входной ток контроля составляет около 20 мкА. Первая из этих микросхем имеет предустановленные выходные напряжения 5/3,3 В, выбираемые сигналом на специальном выводе. Вторая требует два дополнительных резистора для установки выходного напряжения. Кроме того, у этих микросхем, так же как и у предыдущей группы, имеется встроенный детектор разряда батареи. Микросхемы выпускаются в восьмивыводном корпусе SO8. Третья группа микросхем — MAX1722/1723/1724 [7]. В отличие от первых двух эта группа микросхем выполнена в малогабаритном пятивыводном корпусе SOT23. Ток контроля составляет всего 1,5 мкА. Выходное напряжение микросхем MAX1722/1723 устанавливается с помощью двух внешних резисторов, а микросхемы MAX1724 выпускаются для четырех номиналов выходного напряжения: 2,7, 3,0, 3,3 и 5 В (обозначения MAX1724EZK27/30/33/50). Микросхема MAX1722 не имеет входа (режима) выключения, а остальные микросхемы имеют. Ни одна из микросхем не имеет встроенного детектора разряда батареи и других сервисных функциональных узлов. Эффективность микросхем при выходном токе 100 мА составляет примерно 90 %. Четвертую группу составляют четыре микросхемы MAX856/857/858/859 [8]. Все микросхемы имеют повышенный верхний предел входного напряжения — 6 В. Микросхемы MAX856/858 имеют вход установки выходного напряжения +3,3/5 В, а в микросхемах MAX857/859 выходное напряжение устанавливается с помощью внешнего резистивного делителя. Все микросхемы имеют встроенный детектор разряда батареи и не имеют встроенного диода Шоттки. Микросхемы выпускаются в восьмивыводных малогабаритных корпусах SO8 и µMAX8. Эффективность микросхем при выходном токе 100 мА составляет примерно 85 %. Все рассматриваемые группы микросхем имеют практически одинаковую стоимость, составляющую на отечественном рынке примерно $2,2, так что сопоставление групп по стоимости собственно микросхем проводить не имеет смысла. Фактически разница в стоимости вариантов подсистемы питания, выполненных на микросхемах различных групп, будет определяться стоимостью и числом дополнительных элементов. В этом плане вторая и четвертая группы микросхем (MAX756/757 и MAX856/857/858/859) имеют очень существенный недостаток — отсутствие встроенного диода Шоттки, что соответственно скажется и на стоимости, и на объеме (площади печатной платы) этих подсистем. Кроме того, вторая и четвертая группы имеют невысокую эффективность (78 и 85 % соответственно). Следует также отметить, что первые две группы обеспечивают в два раза большие выходные токи. Приведенные доводы позволяют исключить из рассмотрения вторую и четвертую группы. Теперь рассмотрим два оставшихся претендента — первую (MAX1674/1675) и третью (MAX1722/1723/1724) группы. Первая группа имеет более высокую эффективность (94 % по сравнению с 90 %) при вдвое большем выходном токе (200 мА по сравнению со 100 мА). Соотношение предельных выходных токов также в пользу первой группы (300 и 150 мА соответственно). Кроме того, первая группа микросхем имеет встроенное ограничение выходного тока (1 А для MAX1674 и 500 мА для MAX1675) и встроенный детектор разряда батареи. Микросхемы третьей группы не имеют этих режимов. В то же время, первая группа имеет больший ток контроля (15 мкА) по сравнению с третьей группой (1,5 мкА) и несколько больший корпус (примерно на 15 % площади печатной платы). Приведенные достоинства первой группы являются более весомыми, а реализация подсистемы питания для малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий на микросхемах этой группы более предпочтительна. Принципиальная схема подсистемы питания на микросхемах MAX1674 приведена на рис. 2.
 Рис. 2 Приведенная схема выгодно отличается от конденсаторной подсистемы питания, представленной на рис. 1. Она содержит всего три конденсатора, два их которых (по 47 мкФ) мы заменим на два параллельно соединенные конденсатора емкостью 22 мкФ. Два резистора R1 и R2 выбираются из расчета того, что при пороговом напряжении батареи +UBAT, которое мы хотим определять, напряжение на входе LBI должно быть на несколько милливольт выше, чем опорное напряжение REF (1,3 В). Кроме того, желательно, чтобы каждый из резисторов был не менее 100 кОм. Следует отметить некоторые особенности микросхемы. В случае, если вход FB соединен с общим проводом питания, выходное напряжение соответствует +5 В. Если этот вход соединить с выходом OUT, на нем установится выходное напряжение +3,3 В. Если же между выходом OUT и общим проводом GND установить резистивный делитель и его среднюю точку соединить со входом FB, на выходе можно установить любое выходное напряжение в диапазоне от 2 до 5,5 В. Вход SHDN/ (переход в режим энергосбережения, т. е. отключение нагрузки) здесь не используется и по рекомендации производителя соединен с выходом. Вообще говоря, при напряжении на этом входе, превышающем 80 % от входного, микросхема работает в нормальном режиме. При подаче на этот вход напряжения ниже, чем 20 % от входного, микросхема переходит в режим энергосбережения. Выход микросхемы LBO/ (низкое напряжение батареи) выполнен с открытым стоком. Рекомендуется его соединять с выходом OUT резистором с номиналом не менее 100 кОм. В преобразователе рекомендуется использовать дроссель индуктивностью 47 мкГн, при этом изготовителем гарантируется выходной ток не ниже 300 мА, при использовании дросселя 22 мкГн выходной ток будет не менее 120 мА, а при 10 мкГн — не менее 70 мА. Все элементы в SMD исполнении занимают не более 1,3 см2 площади печатной платы (при односторонней установке элементов). Ориентировочная стоимость элементов подсистемы не превышает $7. Таким образом, как мы видим из сопоставления двух полученных групп (см. рис. 1 и 2), вариант с использованием индуктивности обладает неоспоримыми преимуществами. Он занимает меньшую площадь на печатной плате, имеет меньшее число элементов и вес и почти в два раза меньшую стоимость. Этот вариант имеет преимущества и по рабочим характеристикам (току и минимальному входному напряжению), и по функциональным возможностям (ограничение выходного тока, детектор разряда батареи, режим выключения выхода). Следовательно, подсистема питания, реализованная на базе микросхемы MAX1674 фирмы Maxim (рис. 2), является оптимальной для малогабаритных носимых микроконтроллерных изделий. Олег Николайчук, Литература:
 Главная - Микросхемы - DOC - ЖКИ - Источники питания - Электромеханика - Интерфейсы - Программы - Применения - Статьи |
|||||||||
