Хотя в настоящее время внутренний перезаряжаемый литиевый аккумулятор обычно является лучшим решением для портативного комплекта, все же бывают случаи, когда использование сменных элементов с возможностью внешнего питания, возможно, от источника USB, является более подходящим. В этой статье показаны способы оптимизации.
Обычный способ объединения источников питания – это их параллельное включение с последовательным диодом для каждого. Это нормально, если напряжения совпадают и можно смириться с некоторой потерей эффективной емкости батареи из-за падения напряжения на диодах. Предположим, что рассматриваемый комплект представляет собой что-то маленькое, портативное или карманное, может быть, на микроконтроллере PIC, с батареей из двух элементов AA, возможностью питания от внешнего источника 5 В и повышающим преобразователем, обеспечивающим напряжение 3.3 В для внутренней шины питания.
Использование здесь простых перенаправляющих диодов привело бы к несоответствию напряжения внешнего источника питания и потере 10 или 20% емкости батареи.
Гораздо лучший способ реализации показан на Рисунке 1. Внешнее напряжение предварительно стабилизируется, чтобы избежать несоответствия, а активное переключение минимизирует потери емкости батареи. Я использовал эту схему как в единичных, так и в серийных продуктах, и всегда с хорошим эффектом.
 |
|
| Рисунок 1. | Предварительная стабилизация напряжения внешнего источника питания сочетается с последовательным подключением батареи, практически не добавляющим потерь, что максимально увеличивает срок ее службы. |
Батарейное питание контролируется ключом Q1, который представляет собой p-канальный MOSFET в инверсном включении. Регулятор U1 любое входное напряжение снижает до 3.3 В. В отсутствие внешнего питания напряжение затвора MOSFET Q1 более отрицательно, чем напряжение его истока, поэтому он надежно включен, и на конденсатор C3 подается (почти) полное напряжение батареи для питания повышающего преобразователя. Диод перехода эмиттер-база транзистора Q2 останавливает любой ток, текущий обратно в U1. За исключением внутреннего диода сток-исток или паразитного диода, MOSFET почти симметричны по своим основным характеристикам, что позволяет использовать их в инверсном включении.
При наличии внешнего питания затвор Q1 будет смещён до напряжения 3.3 В, которое выключит MOSFET и эффективно отсоединит от батареи. Теперь транзистор Q2 переходит в режим насыщения, подключая выходное напряжение 3.3 В регулятора U1, за вычетом прямого напряжения насыщения Q2, равного 100–200 мВ, к повышающему преобразователю. (Показанный на рисунке транзистор 2N2222 имеет более низкое напряжение насыщения, чем многие другие типы). Обратите внимание, что базовый ток транзистора Q2 не теряется впустую, а просто добавляется к питанию повышающего преобразователя. Использование диода для изоляции преобразователя U1 привело бы к большему падению напряжения, что могло бы вызвать проблемы: новые высококачественные марганцево-щелочные элементы типоразмера АА могут иметь напряжение холостого хода, значительно превышающее 1.6 В, и если напряжение на C3 будет намного меньше 3 В, они могут разрядиться через паразитный диод MOSFET. Предлагаемое решение позволяет избежать подобных проблем.
MOSFET в инверсном включении уже много лет используются для защиты от переполюсовки батарей, и, конечно, такая защита принципиально необходима этим схемам. Паразитный диод также создает вторичный путь для тока батареи, если транзистор Q1 открыт не полностью, например, в течение нескольких микросекунд после отключения внешнего питания.
В схеме на Рисунке 1 в качестве регулятора U1 может использоваться микросхема LM1117-3.3 или аналогичная, но многие более современные регуляторы позволяют реализовать лучшее решение, поскольку их выходы в отсутствие питания представляют собой обрывы и не позволяют обратному току течь с выходов на землю. Эта реализация показана на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Использование регуляторов более современных конструкций означает, что транзистор Q2 больше не нужен. |
Теперь выход регулятора можно напрямую подключить к конденсатору C3 и к повышающему преобразователю. Некоторые устройства также имеют внутренний коммутатор, который полностью изолирует выход, и тогда диод D1 из схемы можно исключить. Подобные регуляторы в принципе могут напрямую подключаться к оконечной шине 3.3 В, но на самом деле это может усложнить ситуацию, поскольку в этом случае повышающий преобразователь также должен быть защищен от обратного напряжения и, возможно, его самого нужно будет отключать. Резистор R2 теперь используется для отключения транзистора Q1 при наличии внешнего питания.
Если предположить, что в комплекте используется микроконтроллер, можно будет легко контролировать работу блока питания. Резистор R5, включенный исключительно для безопасности, позволяет микроконтроллеру проверять наличие внешнего питания, а резисторы R3 и R4 – точно измерять напряжение батареи. Их номиналы, рассчитанные в предположении, что будет использоваться 8-битное аналого-цифровое преобразование с опорным напряжением 3.3 В, дают разрешение 10 мВ/отсчет, или 5 мВ на элемент. Размещение их непосредственно параллельно батарее нагружает ее током порядка 5–6 мкА, что приведет к разряду типичных элементов примерно за 50 лет; мы можем с этим смириться. Соотношение сопротивлений резисторов выбрано с точностью, близкой к 1%.
Для многих компонентов номиналы не указаны, поскольку они будут зависеть от выбранного вами регулятора и повышающего преобразователя. С микросхемой LM1117-3.3 схема на Рисунке 1 может работать с входным напряжением до 15 В, хотя версия в корпусе TO-220 довольно заметно нагревается при токах нагрузки, приближающихся к 80 мА (практический предел ее мощности без отвода тепла – примерно 1 Вт).
В схеме на Рисунке 2 я также использовал микросхему MCP1824T-3302 компании Microchip, питающую повышающий преобразователь Maxim MAX1674, и транзистор IRLML6402 в качестве Q1, который должен иметь низкое сопротивление в открытом состоянии. Подойдут и многие другие, более современные устройства, и у вас наверняка есть свои предпочтения.
Хотя вход внешнего питания показан незащищенным, возможно, вы захотите снабдить его некоторыми цепями фильтрации и защиты, например, самовосстанавливающимся предохранителем и подходящим стабилитроном или супресором. Аналогично, не указаны типы разъемов, но USB и цилиндрические разъемы питания в устройстве использовались.
Хотя на схеме показаны компоненты для номинальных напряжений источников питания 3 В/5 В, она может использоваться и при более высоких напряжениях с учетом ограничений по напряжению затвор-исток из-за наличия на входе MOSFET защитных диодов, напряжение пробоя которых может составлять от 6 В до 20 В, поэтому ознакомьтесь с техническим описанием вашего устройства.
Купить LM1117 на РадиоЛоцман.Цены
