Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2016
Rick Bosma
Electronic Design
Эта схема на дискретных транзисторах и диодах создает гистерезис, решающий проблему циклического включения/выключения, которое может происходить при использовании ионисторов в качестве источников резервного питания.
При использовании таких операционных систем как Linux во встраиваемом оборудовании расширять их функциональные возможности довольно просто. Однако одна из функций – обеспечение достаточного времени для безопасного завершения работы при снятии питания системы – требует аппаратного решения. Некорректное выключение может привести к потере данных до такой точки, с которой система не сумеет восстановить свою работу после повторной подачи питания.
Одним из способов создания запаса времени для завершения работы системы является использование ионисторов (иногда называемых суперконденсаторами) в качестве резервного источника питания. С их помощью после отключения сетевого напряжения можно обеспечивать процессор питанием в течение нескольких минут, позволяя ему записать на диск все открытые файлы и должным образом завершить любые остающиеся процессы.
Микросхемы управления зарядом и разрядом ионисторов выпускаются несколькими ведущими изготовителями. В связи с тем, что напряжение на этих конденсаторах меняется по мере их заряда и разряда, обычно производители включают в состав таких микросхем DC/DC преобразователи, превращающие меняющееся напряжение в стабильное, пригодное для питания остальной системы. Эти серийно выпускаемые микросхемы продолжают поддерживать стабильное напряжение питания до тех пор, пока напряжение на ионисторе не упадет до определенного уровня. Однако когда напряжение доходит до этого уровня, стандартные микросхемы начинают вести себя неадекватно.
Напряжение, измеряемое на выводе конденсатора, является функцией запасенного заряда и падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Когда напряжение на конденсаторе падает ниже некоторого порога, DC/DC преобразователь и остальные нагрузки отключаются. При этом падение напряжения, создаваемое током нагрузки на внутреннем сопротивлении, также исчезает, вследствие чего напряжение на контактах ионистора вновь увеличивается.
При достаточно большом токе, потребляемом системой, результатом такого восстановления может стать то, что напряжение на конденсаторе опять повысится до уровня, достаточного для повторного включения DC/DC преобразователя. Нагрузка подключится вновь, напряжение упадет, и преобразователь опять остановится. Это циклическое включение-выключение будет повторяться, приводя к постоянным колебаниям в цепи питания системы.
Для предотвращения таких колебаний необходима схема с управляемым уровнем гистерезиса, сохраняющая работоспособность при наихудших режимах нагрузки. Кроме того, эта схема должна работать при напряжении питания от 0 до 5 В. При создании схемы было рассмотрено несколько операционных усилителей, но даже низковольтные усилители, когда напряжение на шине их питания опускается до некоторого уровня, ведут себя непредсказуемо.
Схема, позволяющая решить все перечисленные проблемы, изображена на Рисунке 1. Схема получает питание от напряжения ионистора. Пока напряжение на конденсаторе растет, начиная с нуля, ток через стабилитрон D1 очень мал. Когда же это напряжение достигает примерно 4.3 В, через D1 и резистор R1 начинает течь ток. Этот ток, равный 150 мкА, создает на резисторе R1 падение напряжение порядка 0.7 В, и транзистор Q1 включается. Соответственно, транзистор Q2, открытый до этого времени током, поступающим в его базу через R3, закрывается. Напряжение на базе Q3 увеличивается, и транзистор начинает проводить ток.
 |
||
| Рисунок 1. | Эта полностью аналоговая схема на дискретных компонентах добавляет гистерезис контроллеру заряда ионистора резервного источника питания. В результате шина резервного питания и DC/DC преобразователь мощности не переходят в режим периодического включения/выключения, обусловленный внутренними свойствами ионистора и связанных с ним компонентов. |
|
Ток транзистора Q3, проходя через резистор R8, распределяется между базой транзистора Q1 и резистором R1. Таким образом, если до этого падение напряжения на R1 определялось только током стабилитрона D1, теперь оно увеличивается за счет тока транзистора Q3. Именно этот дополнительный ток обеспечивает необходимый гистерезис и заставляет Q1 включаться при более низком напряжении питания, чем это происходило бы в отсутствие обратной связи.
Отметим, что напряжение на коллекторе Q2 включит транзистор Q4, который закроет Q5, вследствие чего включится транзистор Q6. Напряжение, падающее на резисторе R13, является сигналом, сообщающим DC/DC преобразователю, что напряжение на ионисторе достаточно высоко, чтобы разрешить включение преобразователя.
Если основное питание системы теперь будет отключено, и система начнет потреблять ток от ионистора, напряжение на шине основного питания также начнет уменьшаться. Однако, поскольку напряжение на R1 определяется суммой токов, идущих через D1 и Q3, для того, чтобы Q1 закрылся, напряжение должно будет опуститься до 2.3 В. Закрывание транзистора Q1 включит Q2, выключит Q4, включит Q5 и, наконец, выключит Q6. После того, как это произойдет, ток через R13 прекратится, что станет сигналом отключения DC/DC преобразователя.
После того, как нагрузка со схемы DC/DC преобразователя снимется, напряжение на шине основного питания несколько увеличится. Однако до тех пор, пока оно не превысит 2 В, схема не включится повторно, защищая шину питания от колебаний. Для того чтобы изменить напряжения включения и выключения, необходимо заменить стабилитрон D1 и выбрать другое сопротивление резистора R8.
